大纵肋正交异性组合桥面板混凝土结构层的有效宽度研究

翁雪峰

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

大纵肋正交异性组合桥面板混凝土结构层的有效宽度研究

翁雪峰

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

大纵肋正交异性钢桥面板在疲劳性能和经济性等方面具有突出优势，但局部强度不足的问题突出，在钢桥面板上设置混凝土结构层而发展的大纵肋正交异性组合桥面板，是有效改善新型大纵肋正交异性钢桥面板关键疲劳易损部位抗疲劳性能的新型结构体系。大纵肋正交异性组合桥面板在剪力滞效应的影响下，混凝土层纵向应力沿横向分布不均匀，有效宽度是该类结构设计和计算的基本参数。文章建立大纵肋正交异性组合桥面板参数化有限元模型，研究荷载形式、刚性铺装厚度、刚性铺装材料强度、跨中横隔板等因素对混凝土结构层在弹性极限状态下有效宽度的影响。研究结果表明：在不同的加载模式下，有效宽度沿梁跨表现出不同的变化规律；混凝土强度等级和混凝土厚度对有效宽度的影响不显著；跨中设置横隔板能够在一定程度上改善横隔板附近区域混凝土结构层的剪力滞效应。

正交异性钢桥面板； 大纵肋； 组合桥面板； 剪力滞； 有效宽度

正交异性钢桥面板因其轻质高强、跨越能力突出等优势，受到各国桥梁设计者的青睐，但其疲劳开裂问题和桥面铺装易损问题成了正交异性钢桥面板应用领域的世界性难题[1-3]。为提升正交异性钢桥面板的疲劳性能，国内外学者提出了大纵肋正交异性钢桥面板[4]。与传统纵肋相比，其开口宽度、高度和肋间距都适当加大。但该类结构顶板与纵肋焊缝和纵肋腹板局部区域疲劳强度不足问题突出。为解决这一问题，引入混凝土结构层，通过剪力连接件将钢桥面板和混凝土层组成组合受力系统，即大纵肋正交异性组合桥面板。

作为一种新型结构，目前关于该类结构基本力学特性的研究较少。实际应用过程中，常采用忽略剪力滞效应影响的做法，这样将会低估腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致部分梁桥出现横向裂缝，直接危及桥梁结构的安全性[6]。组合梁的相关研究表明[7-8]：有效宽度是组合梁计算分析中最为重要的截面特征参数之一，通过合理的有效宽度取值考虑剪力滞效应的影响是确保计算准确性和可靠性的前提。

此处以大纵肋正交异性组合桥面板为主要研究对象，对混凝土层有效宽度的影响因素及其对结构受力特性的影响进行研究。

1 有限元模型的建立

1.1 模型参数

为研究大纵肋正交异性组合桥面板的有效宽度，选取包含4个大纵肋的桥面板作为研究对象，建立一个简支梁模型(图1)，各个参数对应的尺寸标注见图1和图2，具体构造尺寸见表1。

图1 简支组合梁简化计算模型示意

图2 结构横断面基本设计尺寸示意

1.2 有限元模型建立

使用有限元软件ANSYS建立分析模型。在单元的选取上，钢桥面板和混凝土结构层分别采用壳单元Shell63和三维实体单元Solid45模拟，不考虑顶板与混凝土结构层之间的滑移效应。模型采用两端简支约束。有限元模型及网格划分如图3所示。

表1 结构构造尺寸参数

图3 结构有限元分析模型示意

2 有效宽度影响因素分析

2.1 荷载形式的影响

此处模拟三种荷载形式，分别为均布荷载、跨中集中荷载、1/4跨两点对称荷载，研究它们对大纵肋正交异性组合桥面板有效宽度的影响。结构尺寸如下：跨中设有横隔板，C50混凝土，对应厚度取110 mm。

为便于阐述各种荷载形式下大纵肋正交异性组合桥面板有效宽度的变化，引入有效宽度比α指标，表示有效宽度be与组合梁实际宽度b的比值。这样可以很直观的看出混凝土板的剪力滞效应，α越小说明剪力滞效应越明显，应力越集中，反之，则不明显。为了研究大纵肋正交异性组合桥面板有效宽度在跨度方向上的变化，每一种荷载形式作用下，分别计算1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨处的有效宽度比。

不同荷载形式作用下有效宽度的变化如图4所示。研究结果表明：在两种集中荷载作用下，有效宽度的变化趋势比较类似，在荷载作用点处截面的有效宽度比较小，其中在跨中集中荷载作用下，有效宽度呈“M”型变化，而两点对称荷载作用下有效宽度呈类似“W”型变化。这是因为在荷载作用的截面处，混凝土翼缘板承受的正应力相对较大，由于存在剪力滞效应的存在，截面的纵向应力沿混凝土翼缘板宽度方向的分布也不均匀，从而使得荷载作用处的截面混凝土翼板的有效宽度相对较小。而在均布荷载的作用下，有效宽度从边跨到跨中逐渐增加，且沿着跨度方向的变化幅度比较小。在跨中最大弯矩截面处跨中集中荷载作用下的有效宽度值最小。

图4 不同荷载形式作用下有效宽度的变化

2.2 混凝土厚度的影响

为研究混凝土板厚度对大纵肋正交异性组合桥面板有效宽度的影响，选取四种混凝土板厚，分别为90 mm、110 mm、130 mm、150 mm，混凝土采用C50。跨中设有横隔板，采用均布荷载形式。

不同混凝土厚度下有效宽度的变化如图5所示。从图中的曲线数据我们可以看出：当混凝土厚度增加时，有效宽度比增加的幅度并不明显。同时从图中可以看出当混凝土厚度从90 mm增加到130 mm时，有效宽度比增加的幅度相对较大，而从130 mm变化到150 mm时有效宽度比变化的比较小。即随着混凝土厚度逐渐增加，有效宽度值增加的趋势逐渐减缓。

图5 不同混凝土厚度下有效宽度的变化

2.3 混凝土强度的影响

这里选取C30、C40、C50三种不同强度的混凝土建立有限元分析模型，计算大纵肋正交异性组合桥面板的有效宽度。结构模型具体参数如下：梁的横截面尺寸不变，跨中设有横隔板，混凝土厚度为110 mm。

不同混凝土强度等级下有效宽度的变化如图6所示。从图中我们可以看出，随着混凝土强度的增加，有效宽度也随着增加，但是增加的并不明显。在跨中截面处，从C30到C50混凝土翼缘板的有效宽度增幅在2 %左右，说明提高混凝土强度等级对增加有效宽度的作用并不明显。在弹性阶段，虽然混凝土强度等级提高，但截面的中性轴的位置没有变化，翼缘板的剪力滞效应受混凝土强度等级的影响不大。

图6 不同混凝土强度等级下有效宽度的变化

2.4 跨中横隔板的影响

正交异性组合桥面板在梁上使用时，一般都会设置横隔板，尤其是在支座处要设置。因为横隔板的存在，改变了这种桥面板的受力行为。为研究横隔板对大纵肋正交异性组合桥面板有效宽度的影响，这里建立一个没有跨中横隔板的模型进行分析对比，其他结构参数与第2.1节中均布荷载作用下跨中设置横隔板的结构尺寸一致。

为了进一步研究横隔板对有效宽度的影响，这里研究整个弹性阶段内，1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨截面处有效宽度随着荷载增加的变化。跨中无横隔板时有效宽度的变化如图7所示，跨中有横隔板时有效宽度的变化如图8。从图7中的曲线可以看出，无跨中横隔板时，1/8跨、1/4跨、3/8跨、1/2跨截面处的有效宽度随着荷载的增加都逐渐减小。而从图8的曲线中可以看出，有跨中横隔板时，1/8跨、1/4跨、3/8跨截面处有效宽度随着荷载的增加逐渐减小，而在横隔板正上方的1/2截面处混凝土翼缘板有效宽度随着荷载的增加而增加。在1/2截面处有跨中横隔板和无跨中横隔板有效宽度变化趋势差别比较明显，且有效宽度值随着荷载增加差距越来越大，当达到弹性极限状态时，两者相差5 %，说明设置横隔板一定程度上改善了横隔板处的剪力滞效应。

图7 跨中无横隔板时有效宽度的变化

3 结论

(1)不同荷载形式下，有效宽度沿着梁跨的变化情况有很大差别。在跨中集中荷载作用下，有效宽度沿着梁跨类似呈“M”型变化；两点对称荷载作用下有效宽度类似呈“W”型变化；在均布荷载的作用下，从边跨到跨中有效宽度逐渐增加，且有效宽度沿着跨度方向变化的幅度比较小。

(2)随着混凝土厚度增加，有效宽度增加的趋势逐渐减缓。

图8 跨中有横隔板时有效宽度的变化

(3)在跨中设置横隔板一定程度上改善了横隔板处混凝土的剪力滞效应，对远离横隔板截面处的有效宽度几乎不产生影响，因此可以根据实际结构的需要在关键位置设置横隔板。

(4)有效宽度的取值直接影响着组合梁各项承载力及变形的计算，因而在设计阶段合理考虑剪力滞效应，对有效宽度的影响因素进行研究是非常必要的。

[1] 孟凡超, 张清华, 谢红兵, 等. 抗疲劳钢桥面板关键技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[2] 张清华, 卜一之, 李乔. 正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展[J]. 中国公路学报, 2017, 30(3): 14-30.

[3] 张清华, 舒刚, 卜一之. 大纵肋正交异性组合桥面板的界面滑移模拟及其效应研究[J]. 桥梁建设, 2017, 47(1): 47-52.

[4] 邓文中. 正交异性钢桥面板的一个新构思[J].桥梁,2007(4):10.

[5] 张清华, 郭伟峰, 崔闯, 等. 新型正交异性钢—混凝土组合桥面板疲劳特性研究[J]. 公路, 2015(12): 71-77.

[6] 罗旗帜, 俞建立. 钢筋混凝土连续箱梁桥翼板横向裂缝问题[J]. 桥梁建设, 1997(1):41-45.

[7] 欧阳明. 钢—混组合梁翼缘有效宽度研究[D]. 西安: 长安大学, 2007.

[8] 马哲芳. 简支钢—混凝土组合梁弹塑性阶段有效宽度分析研究[D]. 郑州大学, 2006.

[定稿日期]2017-06-02

翁雪峰(1990～)，男，硕士研究生，研究方向为钢结构与组合结构桥梁。

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