钢箱-混凝土组合梁桥滑移效应分析.pdf

复合地层中顶管引发路面沉陷的分析及修复措施高 程 鹏顾 诗 意谢 欣?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：王 洪 国，王 瑞 冰，徐 传 昶，等钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 滑 移 效 应 分 析 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 滑 移 效 应 分 析王 洪 国王 瑞 冰徐 传 昶张 宇 航山 东 高 速 建 设 管 理 集 团 有 限 公 司济 南山 东 高 速 工 程 检 测 有 限 公 司济 南山 东 建 筑 大 学 交 通 工 程 学 院济 南摘 要：为 研 究 滑 移 效 应 影 响 下 钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 受 力 行 为 及 滑 移 分 布 规 律，利 用有 限 元 软件 建 立 以 枣 木 高 速 段 某钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 为 背 景 的 数 值 模 型，对 其 弹 性 阶 段 进 行 计 算 分 析。由计 算 结 果 可 知：随 着 荷 载 持 续 增 加，桥 梁 的 纵 桥 向 滑 移 量、挠 度 及 应 变 均 逐 渐 增 大；滑 移 量 在 跨 中 位置 几 乎 为，向 两 端 逐 渐 增 大，偏 心 加 载 会 使 所 偏 方 向 外 侧 翼 缘 的 滑 移 量 比 内 侧 翼 缘 更 大；随 栓 钉 间距 减 小，相 同 荷 载 下 桥 梁 的 挠 度 及 应 变 减 小，偏 心 加 载 比 中 心 加 载 对 桥 梁 力 学 性 能 产 生 的 影 响 更 大。关 键 词：钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥栓 钉 刚 度弹 簧 单 元滑 移：牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牶 引 言钢 箱混 凝 土 组 合 梁 结 构 充 分 结 合 了 钢 材 抗拉 强 度 高 和 混 凝 土 抗 压 强 度 高 的 优 点，在 减 轻 桥梁 自 重 的 同 时，也 能 充 分 发 挥 两 种 材 料 优 势，近年 来 在 桥 梁 工 程 领 域 得 到 了 广 泛 应 用。在 钢箱混 组 合 梁 桥 中，混 凝 土 翼 板 和 钢 梁 通 过 不 连续 的 剪 力 钉 连 接，荷 载 作 用 下 局 部 混 凝 土 的 压 碎或 者 剪 力 钉 变 形 会 导 致 钢混 连 接 界 面 出 现 一 定的 相 对 滑 移。国 内 外 学 者 对 钢 梁 与 混 凝 土 翼 板 之 间 的 滑 移已 展 开 大 量 的 理 论 分 析 与 试 验 研 究。等通 过 试 验 及 有 限 元 计 算 分 析 验 证 了 具 体 情 况下 组 合 梁 的 振 动 特 性，阐 述 了 滑 移 效 应 的 影 响。等基 于梁 理 论 的 运 动 学 假 年 月第 卷第 期 设，推 导 了 自 由 振 动 频 率 和 屈 曲 临 界 载 荷 的 变 分原 理 以 及 两 种 变 量 的 混 合 变 分 原 理。这 些 变 分 公式 均 以 剪 力、弯 矩、轴 力 以 及 相 应 的 挠 度、转 角和 层 间 滑 移 的 形 式 给 出，并 对 之 进 行 计 算 验 证 了公 式 的 准 确 性。樊 健 生 等根 据 栓 钉 的 刚 度 方 程和 滑 移 微 分 方 程 求 解 了 连 续 组 合 梁 负 弯 矩 区 的 滑移 及 滑 移 应 变，并 根 据 典 型 荷 载 工 况 下 的 滑 移 应变 解 推 导 出 组 合 梁 在 负 弯 矩 作 用 下 的 弹 性 抗 弯 承载 力 计 算 公 式；周 勇 超 等利 用 变 分 方 法 推 导 了简 支 组 合 梁 在 受 集 中 荷 载 和 均 布 荷 载 作 用 下 相 对滑 移 以 及 考 虑 滑 移 效 应 组 合 梁 挠 度 的 计 算 方 法，并 通 过 算 例 验 证 了 计 算 方 法 的 准 确 性；王 景 全等进 行 了 组 合 梁 的 静 载 和 振 动 模 态 试 验，分 析了 界 面 滑 移 效 应 对 试 验 梁 弯 曲 刚 度 及 自 振 频 率 的影 响，总 结 出 不 同 抗 剪 连 接 刚 度 对 试 验 梁 自 振 频率 和 阻 尼 比 的 影 响 及 变 化 规 律；沈 建 华 等通 过建 立 薄 壁型 钢混 凝 土 梁 在 滑 移 效 应 影 响 下 的挠 度 计 算 模 型 得 出 组 合 梁 在 不 同 荷 载 作 用 下 的 挠度 计 算 公 式；蒋 秀 根 等为 分 析 存 在 滑 移 效 应 时钢混 凝 土 组 合 梁 的 截 面 应 力，提 出 了 整 体 弯 矩和 局 部 弯 矩 的 概 念，推 导 出 截 面 整 体 弯 矩 和 局 部弯 矩 的 计 算 公 式 以 及 截 面 弹 性 应 力 的 计 算 方 法 和公 式。但 上 述 试 验 及 理 论 计 算 中 仅 对 工 字 形 钢混组 合 梁 进 行 研 究，对 钢 箱混 凝 土 组 合 梁 实 桥 的研 究 极 少。为 探 究 钢 箱混 组 合 梁 桥 的 滑 移 分 布规 律 以 及 滑 移 对 组 合 梁 桥 力 学 性 能 产 生 的 影 响，以 枣 木 高 速 段钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 为 工 程背 景，利 用有 限 元 软 件 建 立 此 桥 梁 的 数值 模 型，并 对 其 弹 性 阶 段 进 行 计 算 分 析。共 设 计了 包 括 仅 恒 载、仅 活 载 以 及 恒 载 活 载 同 时 存 在 的五 种 工 况 进 行 分 析，得 到 基 本 的 滑 移 规 律。同 时，通 过 改 变 栓 钉 间 距 来 改 变 栓 钉 的 数 量，对 比 分 析在 不 同 栓 钉 数 量 影 响 下 组 合 梁 桥 的 力 学 性 能。工 程 概 况此跨 径 钢混 凝 土 组 合 梁 桥 采 用 简 支 结构，钢 箱 梁 采 用 双 箱 单 室 开 口 等 截 面 梁 形 式，钢箱 梁 两 道 腹 板 变 高 度，以 满 足 桥 梁 横 坡 的 要 求。钢 箱 梁 两 个 主 梁 之 间 共 设 置道 横 向 联 系 梁，联 系 梁 高，钢 箱 梁 内 沿 桥 纵 向 每 隔设 置 一 道 横 隔 板。桥 面 净 宽，混 凝 土 翼板 采 用 先 铺 设 预 制 混 凝 土 板 后 浇 筑 混 凝 土 叠 合 层的 方 法，现 浇 混 凝 土 采 用补 偿 收 缩 混 凝 土。栓 钉 采 用圆 柱 头 栓 钉，长 度，布 置 在钢 箱 梁 上 翼 缘 及 横 隔 板 顶 部，将 混 凝 土 翼 板 与 钢箱 梁 连 接 起 来。桥 梁 标 准 横 断 面 如 图所 示。图 标准横断面 有 限 元 模 型 模 型 建 立使 用 有 限 元 软 件建 立钢 箱混凝 土 组 合 梁 桥 的 数 值 模 型，钢 箱 梁、横 隔 板 及 横向 联 系 梁 采 用 壳 单 元 进 行 模 拟，混 凝 土 翼 板 采 用实 体 单 元 进 行 模 拟，以轴 为 横 桥 向，轴 为 纵桥 向，轴 为 竖 向 建 立 模 型。钢 箱 梁 与 混 凝 土 翼板 之 间 使 用 栓 钉 连 接，栓 钉 则 采 用 特 殊 设 置 中 的弹 簧 单 元进 行 模 拟，使 用 纵、横、竖 三个 正 交 方 向 弹 簧 单 元 模 拟 一 个 栓 钉 的 三 向 力 学 行为。本 模 型 混 凝 土 翼 板 与 钢 箱 梁 之 间 未 留 空隙，故 采 用 零 长 度 弹 簧。为 保 证 计 算 精 度，划 分网 格 时 网 格 尺 寸 设 置 为，全 桥 共 划 分个 结 点，个 单 元。栓 钉 刚 度 计 算本 文 有 限 元 模 型 中 弹 簧 单 元 模 拟 的 栓 钉 在 三个 方 向 的 抗 剪 承 载 力 计 算 采 用 文 献 提 出 的 栓钉 荷 载（）滑 移（）模 型：（）（）式 中：、分 别 为 有 限 元 模 型 的 横 向、竖向 及 纵 向 位 移；、分 别 为 栓 钉 长 度、弹性 模 量 及 横 截 面 积；为 栓 钉 的 极 限 抗 剪 承 载力，按 下 式 计 算：槡 钢箱混凝土组合梁桥滑移效应分析王 洪 国王 瑞 冰徐 传 昶张 宇 航?式 中：为 混 凝 土 弹 性 模 量；为 混 凝 土 圆 柱 体标 准 抗 压 强 度；为 栓 钉 极 限 抗 拉 强 度。本 文 栓 钉 刚 度 的 计 算 采 用规范，在 条 文 中 栓 钉 连 接 件 剪 切刚 度 由 下 式 确 定：式 中：为 推 出 试 验 得 到 的 栓 钉 连 接 件 设 计 抗剪 承 载 力（规 范 规 定 乘 以 的 折 减 系 数），；为 对 应 的 滑 移 量。滑 移 效 应 影 响 下 组 合 梁 桥 滑 移 分 布 规 律 荷 载 工 况恒 载 工 况恒 载 工 况 模 拟 桥 梁 只 受 自 重 与 二 期 铺 装 的 影响，分 析 此 时 在 弹 簧 单 元 模 拟 的 栓 钉 连 接 下 混 凝土 翼 板 与 钢 箱 梁 的 滑 移 效 应。恒 载 工 况 下 桥 梁 采用 均 布 面 荷 载 施 加，加 载 位 置 覆 盖 整 个 混 凝 土 翼板 上 表 面。车 道 荷 载 工 况车 道 荷 载 工 况 模 拟 桥 梁 只 受 车 道 荷 载 的 影响，车 道 荷 载 设 置 中 心 加 载 与 偏 心 加 载 两 种 加 载方 式。此 桥 为钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥，桥 面净 宽，车 道 分 布 为 单 向 三 车 道，车 道 宽度 为。根 据 公 路 桥 涵 通 用 设 计 规 范 （），公 路 级 的 桥 梁 结 构 整 体 计 算 采 用 车道 荷 载。车 道 荷 载 中 心 加 载 即 分 别 在 三 条 车 道 中心 位 置 施 加 车 道 荷 载，偏 心 加 载 即 分 别 在 三 条 车道 同 侧 最 边 缘 位 置 施 加 车 道 荷 载，其 加 载 位 置 如图所 示，计 算 分 析 此 时 纵 桥 向 的 滑 移 情 况。图 加载位置示意 恒 载车 道 荷 载 工 况此 工 况 模 拟 桥 梁 自 重、铺 装 及 车 道 荷 载 同 时存 在 的 情 况，其 中 恒 载 系 数 为，活 载 系 数 为。恒 载车 道 荷 载 工 况 设 置 为 中 心 加 载 与 偏心 加 载 两 种 加 载 方 式，加 载 位 置 如 图所 示。滑 移 分 布 规 律如 图所 示，钢 箱 梁 四 条 翼 缘 自轴 正 方 向到 负 方 向 依 次 为 标 记 为 翼 缘、翼 缘、翼 缘、翼 缘。最 大 滑 移 量 对 比翼 缘、在 不 同 工 况 下 的 滑 移 分 布规 律 相 似，以 翼 缘在 恒 载车 道 荷 载 工 况 下 为例，其 滑 移 曲 线 如 图所 示。四 条 翼 缘 在 桥 梁 横向 呈 对 称 分 布，故 以 翼 缘、为 代 表 进 行 分析，各 荷 载 工 况 下 翼 缘 最 大 滑 移 量 见 表。通 过 分 析 翼 缘、在 不 同 工 况 下 纵 桥 向 的滑 移 曲 线 及 最 大 滑 移 量 可 知，随 着 桥 梁 所 承 受 荷载 的 逐 渐 增 大，混 凝 土 翼 板 与 钢 箱 梁 之 间 的 最 大滑 移 量 也 在 逐 渐 增 大，在 各 荷 载 工 况 下，跨 中 的滑 移 量 最 小，由 跨 中 向 桥 梁 两 端 方 向 滑 移 量 逐 渐增 大。在 同 一 荷 载 工 况 下，翼 缘偏 心 加 载 的 滑移 量 大 于 中 心 加 载 的 滑 移 量，而 翼 缘偏 心 加 载的 滑 移 量 小 于 中 心 加 载 的 滑 移 量，翼 缘较 翼 缘 图 四条翼缘 的 中 载 偏 载 滑 移 量之 差 小，且 同 一 工 况下 翼 缘的 滑 移 量 总小 于 翼 缘的 滑 移 量。由 以 上 分 析 可 以 看 出，偏 心 加 载 对 所 偏 方 向外 侧 翼 缘 的 影 响 比 内侧 翼 缘 的 影 响 更 大。图 恒载 车道荷载工况下翼缘 滑移曲线 表各 荷 载 工 况 下 最 大 滑 移 量 最 大滑 移 量 恒 载工 况车 道 荷 载工 况 中 载车 道 荷 载工 况 偏 载恒 载车 道荷 载 工 况中 载恒 载车 道荷 载 工 况偏 载翼 缘 翼 缘 年 月第 卷第 期 恒 载车 道 荷 载 工 况 下 滑 移 曲 线 对 比以 与 实 际 情 况 最 为 接 近 的 恒 载车 道 荷 载 工况 为 例，其 中 心 加 载、偏 心 加 载 下 各 翼 缘 滑 移 曲线 对 比 如 图所 示。由 于 桥 梁 整 体 对 称，故 中 心加 载 时 只 出 现 两 条 不 同 的 滑 移 曲 线，且 两 条 滑 移曲 线 基 本 重 合，只 有 桥 梁 两 端 处 滑 移 量 有 较 大 差距。即 中 心 加 载 时，荷 载 对 外 侧 翼 缘 的 影 响 与 对内 侧 翼 缘 的 影 响 相 差 较 小。在 偏 心 加 载 时，各 翼缘 呈 现 不 同 的 滑 移 曲 线，且 翼 缘 的 滑 移 量 向 偏 载方 向 逐 渐 增 大，表 明 了 钢 箱 梁 所 承 受 的 横 向 荷 载越 大，钢 箱 梁 与 混 凝 土 翼 板 间 滑 移 量 越 大。图 恒载 车道荷载工况下各翼缘滑移曲线对比 滑 移 效 应 影 响 下 组 合 梁 桥 受 力 行 为 分 析通 过 对 不 同 工 况 的 计 算 分 析，发 现 在 各 工 况下 改 变 栓 钉 间 距 对 组 合 梁 桥 的 力 学 性 能 影 响 规 律相 似，但 在 车 道 荷 载 工 况 下 其 影 响 最 为 典 型，故以 车 道 荷 载 工 况 为 例，对 该 工 况 不 同 栓 钉 间 距 下钢 箱混 凝 土 组 合 梁 桥 受 力 行 为 进 行 分 析。车 道 荷 载 工 况 中 载 下车 道 荷 载 工 况 中 载 下 桥 梁 最 大 挠 度 及 最 大 应变 见 表，通 过 改 变 栓 钉 间 距 来 改 变 整 体 桥 梁 栓 钉数 量，间 距 越 大，栓 钉 数 量 越 少，界 面 剪 力 连 接度 越 小。由 表可 知，采 用 界 面 绑 定 连 接 时 由 于不 产 生 界 面 滑 移，车 道 荷 载 工 况 中 载 下 桥 梁 挠 度、混 凝 土 翼 板 和 钢 箱 梁 应 变 最 小，随 着 栓 钉 间 距 的增 大，桥 梁 最 大 挠 度、混 凝 土 翼 板 与 钢 箱 梁 最 大应 变 逐 渐 增 大。但 总 体 上，当 桥 梁 处 在 弹 性 阶 段时，在 车 道 荷 载 工 况 中 载 下，当 栓 钉 数 量 减 小 为栓 钉 间 距时 的、时，其间 距 分 别 增 大 至、，桥 梁挠 度 仅 分 别 增 大、，混 凝 土翼 板 最 大 应 变 仅 分 别 增 大、，钢 箱 梁 最 大 应 变 仅 分 别 增 大、，随 栓 钉 间 距 的 增 大，桥 梁 整 体 性 能 变 化很 小，挠 度 变 化 未 超，应 变 变 化 未 超。表车 道 荷 载 工 况 中 载 下 桥 梁 最 大 挠 度 及 应 变 中 载绑 定无 滑 移栓 钉 间 距栓 钉 间 距栓 钉 间 距栓 钉 间 距最 大 挠 度 钢 箱 梁最 大 微 应 变 混 凝 土 翼 板最 大 微 应 变 车 道 荷 载 工 况 偏 载 下车 道 荷 载 工 况 偏 载 下 桥 梁 最 大 挠 度 及 最 大 应变 见 表。由 表可 知，车 道 荷 载 工 况 偏 载 下 桥梁 最 大 挠 度、混 凝 土 翼 板 与 钢 箱 梁 最 大 应 变 随 栓钉 间 距 的 变 化 规 律 与 车 道 荷 载 工 况 中 载 下 桥 梁 响应 规 律 一 致。相 对 车 道 荷 载 工 况 中 载 时，偏 载 时桥 梁 荷 载 效 应 略 大。当 桥 梁 处 在 弹 性 阶 段 时，在车 道 荷 载 工 况 偏 载 下，当 栓 钉 数 量 减 小 为 栓 钉 间距时 的、时，桥 梁 挠 度仅 分 别 增 大、，桥 面 板 最 大 应变 仅 分 别 增 大、，钢 箱 梁 最 大应 变 仅 分 别 增 大、，随 栓 钉 间距 的 增 大，车 道 荷 载 偏 载 下 桥 梁 整 体 性 能 变 化 也不 大，挠 度 变 化 未 超，应 变 变 化 未 超。表车 道 荷 载 工 况 偏 载 下 桥 梁 最 大 挠 度 及 应 变 偏 载绑 定无 滑 移栓 钉 间 距栓 钉 间 距栓 钉 间 距栓 钉 间 距最 大 挠 度 钢 箱 梁最 大 微 应 变 混 凝 土 翼 板最 大 微 应 变 钢箱混凝土组合梁桥滑移效应分析王 洪 国王 瑞 冰徐 传 昶张 宇 航?结 论荷 载 作 用 下，翼 缘 跨 中 位 置 纵 向 滑 移 量 为，自 跨 中 向 桥 梁 两 端 纵 向 滑 移 量 逐 渐 增 大，最 大 滑移 量 在 桥 梁 梁 端。随 着 桥 梁 所 承 受 荷 载 的 逐 渐 增 大，混 凝 土翼 板 与 钢 箱 梁 之 间 的 最 大 滑 移 量 也 在 逐 渐 增 大。偏 心 加 载 对 所 偏 方 向 外 侧 翼 缘 的 滑 移 影 响 比 内 侧翼 缘 的 滑 移 影 响 更 大。随 着 栓 钉 间 距 的 增 大，钢 箱混 凝 土 组 合梁 桥 最 大 挠 度、混 凝 土 翼 板 与 钢 箱 梁 最 大 应 变 逐渐 增 大。但 总 体 上，当 桥 梁 处 于 弹 性 阶 段 时，无论 在 车 道 荷 载 工 况 中 载 还 是 偏 载 下，栓 钉 数 量 对桥 梁 整 体 性 能 影 响 均 很 小，当 栓 钉 数 量 最 多 减 少至 实 桥 设 置 数 量 的时，中 载 和 偏 载 下 的 桥 梁挠 度 增 幅 小 于，混 凝 土 翼 板 最 大 应 变 增 幅小 于，钢 箱 梁 最 大 应 变 增 幅 小 于。参 考 文 献曾 勇，李 勇 岐，余 滔，等钢混 组 合 连 续 梁腿 连 续 刚构 桥 静 载 试 验 研 究 特 种 结 构，（）：，（）：张 宇 航，宋 秀 豪，毛 一 波，等钢 箱混 凝 土 组 合 梁 滑 移 有限 元 分 析 特 种 结 构，（）：，（）：，（）：，（）：樊 健 生，聂 建 国负 弯 矩 作 用 下 考 虑 滑 移 效 应 的 组 合 梁 承载 力 分 析 工 程 力 学，（）：，（）：周 勇 超，李 亮 亮，李 子 青钢混 凝 土 组 合 梁 界 面 滑 移 效 应变 分 法 求 解 长 安 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：王 景 全，殷 惠 光，张 书 兵，等钢混 凝 土 组 合 梁 考 虑 界 面滑 移 的 振 动 模 态 试 验 研 究 建 筑 结 构 学 报，（）：，（）：沈 建 华，高 轩 能，周 期 源滑 移 对 薄 壁型 钢混 凝 土 组 合梁 挠 度 的 影 响 华 侨 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：蒋 秀 根，剧 锦 三，傅 向 荣考 虑 滑 移 效 应 的 钢混 凝 土 组 合梁 弹 性 应 力 计 算 工 程 力 学，（）：，（）：朱 经 纬，辛 公 锋，徐 传 昶，等基 于 塑 性 损 伤 模 型 的 钢组 合 梁 抗 弯 性 能 分 析 钢 结 构（中 英 文），（）：，（），（）：，（）：白 光 亮，唐 光 武，周 长 晓桥 塔 钢混 结 合 段 剪 力 连 接 件 承载 力 试 验 研 究 桥 梁 建 设，（）：，（）：