大宽跨比连续钢箱梁桥的剪力滞效应研究

大宽跨比连续钢箱梁桥的剪力滞效应研究
欧阳永金
(厦门市市政建设开发总公司,福建厦门361004)
摘　要:在钢箱梁的悬臂板外侧加设具有流线型的弧形钢板,使悬臂板部位构成封闭的空间,可提高抗锈蚀性,同时也满足城市桥梁美观的需求。

以一座具有弧形腹板的连续钢箱梁城市高架桥为背景,建立全桥空间板壳有限元分析模型,研究具有大宽跨比特点的连续钢箱梁在不同设计荷载组合工况下,以及考虑桥面铺装钢纤维混凝土参与工作后,箱梁顶板的剪力滞效应。

得出剪力滞系数沿横向、纵向的分布规律,以及考虑钢纤维混凝土桥面铺装后剪力滞系数的分布规律。

关键词:箱形梁;连续梁;钢梁;剪力滞效应;钢纤维混凝土;有限元法中图分类号:U448.28
文献标志码:A
文章编号:1671-7767(2009)01-0029-04
收稿日期:2008-03-17
基金项目:福建省建设厅计划项目(2007-30-29)
作者简介:欧阳永金(1962-),男,教授级高工,1984年毕业于西南交通大学桥梁工程专业,工学学士,1992年毕业于兰州铁道学院桥梁、隧道及结构工程专业,工学硕士(E 2mail :ouyangyj8662@ )。

1　引　言
箱形梁因其具有较大的抗扭刚度、良好的整体结构性能而得到广泛应用。

钢箱梁由于具有重量
轻、省钢、抗弯刚度和抗扭刚度大、安装迅速等优点,被广泛应用于大跨度桥梁中[1]。

外带悬臂的钢箱梁,可以减小墩台尺寸,节省造价,但箱梁的悬臂板及其加劲肋由于暴露于大气之中,容易锈蚀。

而闭合的空间可提高抗锈蚀性,因此在悬臂板外侧加设弧形薄钢板,将悬臂板加劲肋封闭起来,不仅避免了钢箱梁悬臂板加劲肋外露带来的锈蚀问题,而且可使箱梁外观更简洁、流畅、美观[2]。

本文以厦门市仙岳路路口高架桥工程为例,分析了具有弧形边腹板、宽跨比较大的连续钢箱梁在典型设计荷载工况,以及考虑桥面铺装钢纤维混凝土参与受力后,箱梁顶板的剪力滞效应,得出了不同工况下顶板的剪力滞系数分布规律,为掌握该类型结构的力学特性提供参考。

2　工程概况
厦门市仙岳路路口高架桥改造工程采用等高度
连续钢箱梁结构,钢箱梁采用弧形边腹板的流线型单箱多室截面,梁高2.0m 。

箱梁顶面全宽25m ,箱梁底宽13.5m ,两侧悬臂长度为5.75m ,悬臂梁采用焊接钢板梁结构,下翼缘按弧形流线型变化。

钢箱梁横断面示意见图1。

钢桥面板采用正交异性板结构,断面顶板厚14mm ,为适应平面曲线的变化,纵肋采用倒T
形焊接
图1　1/2钢箱梁横断面示意
截面,纵肋间距300mm ,横肋一般间距2.0m ,横隔
板厚12mm 。

断面底板厚14mm ,底板纵肋采用倒T 形焊接截面,纵肋间距400mm 。

腹板厚14mm ,支点附近加厚至16mm 或20mm ,腹板设3道纵向加劲肋(间距500mm )。

支点处横隔梁由于承受较大的横向荷载,支点附近范围顶、底板及横隔板板厚均适当加厚,最大加厚至36mm 。

等高度连续钢箱梁跨度布置为(35+45+35)m 和(40+55+40)m 2种形式,本文以较大跨度的(40+55+40)m 连续钢箱梁为研究对象,此时箱梁的宽跨比为0.45。

3　模型的建立3.1　有限元模型
运用ANS YS 通用有限元软件,采用Shell63单元,建立全桥板壳模型,以反映结构的真实受力。

有限元模型见图2。

整体坐标系统以顺桥向为x 轴,横桥向为y 轴,竖向为z 轴(向上为正)。

3.2　材料参数
图2　钢箱梁有限元模型
钢箱梁采用Q345qC 钢,取弹性模量E s =2.1
×105M Pa ,泊松比νs =0.3,容重γs =78.5kN/m 3。

3.3　模型边界
该桥采用隔震盆式橡胶支座,全桥共设1个固定支座,4个单向活动支座,3个双向活动支座。

支座和箱梁底板通过支座垫板相连,故在有限元模型中,给箱梁底板上加厚的支座垫板施加相应的线位移约束模拟设计的支座类型。

4　设计荷载作用下的剪力滞效应分析4.1　设计荷载工况
根据设计,该桥采用城-A 级荷载,空间分析采用车道荷载加载,根据《城市桥梁设计荷载标准》(C JJ 77-98),车道荷载由线荷载(q k =10.0kN/m )和集中力(P k =300kN )组成。

在空间分析时,将均布的线荷载转化为横向3.0m 范围内的均布面荷载(q q =3.33kN/m 2);集中力考虑车轮在桥面的分布,转化为施加在纵向1.0m 、横向3.0m 范围内的
均布面荷载(q P =100kN/m 2)。

根据连续梁的受力特点,设计荷载加载考虑3种典型荷载组合工况,见表1。

4.2　剪力滞效应分析
对设计荷载的3种工况进行静力求解,得出顶板的剪力滞分布规律。

选取边跨1/4截面、边跨跨
中、边跨3/4截面、中支点截面、中跨1/4截面、中跨跨中截面为分析的控制截面,得出各控制截面箱梁
顶板的剪力滞系数(λ
)分布规律。

4.2.1　控制截面的顶板剪力滞系数
对于所选的6个控制截面,得出顶板在各荷载工况下的剪力滞分布规律,见图3。

可以看出,对于同一控制截面,不同荷载工况下顶板的剪力滞系数分布趋势基本相同,但数值有差异。

顶板剪力滞系数在加劲肋处有突变,反映了顶板加劲肋对顶板局部受力的影响。

对于所选的6个
控制截面,除边跨3/4截面为负剪力滞效应(λ<1)外,其余均为正剪力滞效应。

正、负剪力滞效应突出的部位为腹板部位,即横坐标为2.25m (中腹板)和6.75m (边腹板)位置。

由图3可知,中支点部位由于支座支撑和有封闭的横隔板作用,顶板加劲肋对于剪力滞效应的影响减小。

同时,该截面的剪力滞系数较其它截面大,最大为1.84,出现在边腹板部位,而其余截面最大剪力滞系数出现在中腹板部位。

图3　不同荷载工况下控制截面的剪力滞系数分布规律(横向半桥)
4.2.2　
箱梁腹板部位剪力滞系数沿全桥的变化
研究箱梁腹板部位剪力滞系数沿桥长的变化规律,对于揭示连续梁等超静定结构的受力具有较大意义。

各工况下腹板部位(距线路中线2.25m 、6.75m 部位)的顶板剪力滞系数统计见图4。

图4　腹板部位剪力滞系数沿桥长的变化
由图4可知,各工况下腹板部位的剪力滞系数
沿桥长的分布规律基本一致,但数值有较大差异。

在3种设计荷载组合工况,工况DL1、DL3剪力滞系数较接近,而与工况DL2差异较大。

全桥最大正剪力滞系数出现在中支点截面的边腹板部位,最大值为1.84(DL1),最大负剪力滞系数出现在边跨3/4截面的边腹板部位,剪力滞系数为0.59(DL1)。

对所有控制截面,剪力滞系数的差值最大为边跨3/4边腹板部位,最大差值为工况DL1与DL2之差,为0.17,说明不同荷载组合对同一部位的剪力滞影响较大。

5　钢纤维混凝土桥面铺装对剪力滞的影响5.1　钢纤维混凝土模拟
本桥设计桥面铺装为8cm 钢纤维混凝土+4cm 普通中粒式沥青混凝土+4cm 细粒式防噪改性沥青混凝土,钢纤维混凝土通过剪力钉与钢桥面板连接,钢纤维混凝土在纵向每隔3～4m 设置1道横向切割缝,目的是使钢纤维混凝土不参与箱梁顶板的受力。

为了研究钢纤维混凝土桥面铺装层对箱梁顶板剪力滞的影响,这里不考虑钢纤维混凝土横向切割缝,将桥面铺装中的钢纤维混凝土部分作为主梁结构顶板的一部分,参与主梁受力,分析考虑钢纤维混凝土参与工作后主梁顶板的剪力滞效应[3]。

分析中,将钢纤维混凝土的顶板按钢-混凝土
组合结构对待,组合结构按抗压刚度相等的原则转化为同一种材料(EA =E c A c +E s A s )。

5.2　剪力滞效应分析
考虑桥面作用均布荷载下的剪力滞效应[4],均布荷载集度相当于铺装层重量。

典型控制截面的剪力滞系数沿横向的变化见图5。

腹板部位剪力滞系数沿桥长的变化见图6。

图5　
典型控制截面的剪力滞系数沿横向的变化
图6　腹板部位剪力滞系数沿桥长的变化
由图5、图6可知,当考虑8cm 钢纤维混凝土参与结构受力后,对剪力滞效应有一定的影响。

对正剪力滞效应部位(图5(b )),考虑钢纤维混凝土参与工作后,可使纵向应力沿横向的分布更平顺;对负剪力滞效应区段(图5(a )),影响趋势与正剪力滞区段相反。

总体而言,考虑钢纤维混凝土参与工作后,
剪力滞系数均减小,最大减小值为0.2,减小了12%。

6　结　论
通过对设计荷载组合工况以及考虑桥面铺装钢纤维混凝土后钢箱梁顶板剪力滞效应的分析研究,可以得出以下主要结论:
(1)大宽跨比弧形边腹板钢箱梁剪力滞效应的空间效应突出。

(2)沿横向,中室剪力滞系数最大,边室次之,悬臂板部位最小;沿纵向,在边跨3/4部位为负剪力滞效应区域,而其余部位为正剪力滞效应区域。

(3)由于顶板加劲肋的存在,对剪力滞系数的局部分布有一定的影响。

(4)支座支撑以及封闭的横隔板,使得支点部位的剪力滞系数横向的变化较为剧烈,反映在腹板部位与非腹板部位的差距较大。

(5)不同的设计荷载工况,剪力滞系数沿横向的分布规律一致,而大小有差异,同一部位剪力滞系数最大差异为0.17。

(6)钢纤维混凝土桥面铺装层参与工作对剪力滞效应有一定的影响,考虑桥面铺装钢纤维混凝土后,剪力滞系数有减小的趋势,一般可减小12%左右。

参　考　文　献:
[1]周远棣,徐君兰.钢桥[M].北京:人民交通出版社,
2003.
[2]李立峰,邵旭东,易伟建,等.扁平钢箱梁局部稳定模型
试验[J].中国公路学报,2007,20(3):60-65.
[3]顾兴宇,周世忠.车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受
力分析[J].东南大学学报,2001,31(6):18-20.
[4]刘世忠,欧阳永金.变截面薄壁箱梁剪力滞剪切变形效
应分析[J].中国公路学报,2002,15(3):61-63.
Investigation of Shear Lag E ffect of Continuous Steel
Box G irder B ridge with G reat Width2to2Span R atio
OU Y AN G Y ong2j in
(Xiamen Municipal Engineering Construction Development Corporation,Xiamen361004,China)
Abstract:The adding of st reamlined arc shape steel plates to t he outer side of cantilever plate of a steel box girder can make t he part at t he cantilever plate form a closed space,imp rove t he rust resistance of t he girder and at t he same time satisfy t he aest hetic requirement s for city bridg2 es.Against t he background of a continuous steel box girder city viaduct t hat has arc shape webs, t his paper set s up a spatial plate and shell finite element analysis model for t he overall bridge and investigates t he shear lag effect of t he top plate of t he continuous steel box girder t hat feat ures great widt h2to2span ratio under different designed load combinations and after participation of t he steel fiber concrete deck surfacing in f unction of t he top plate is considered,and t he paper obtains t he dist ribution laws of t he shear lag coefficient s along t he longit udinal and t ransverse directions and also t he dist ribution laws of t he shear lag coefficient s after t he steel fiber concrete deck surfa2 cing is considered.
K ey w ords:box girder;continuous girder;steel girder;shear lag effect;steel fiber concrete; finite element met hod。