考虑连结件刚度的钢-混凝土板桁组合结构的有限元分析

摘要：钢- 混凝土组合结构剪力连接程度是依据截面极限状态的抗弯强度定义的, 即使是完全抗剪连接, 组合结构的混凝土板与钢梁之间仍存在滑移。采用有限元分析, 构造了混凝土板-连接单元-钢梁的组合梁有限元计算模型, 并连接单元采用弹簧进行模拟。真实的模拟了钢梁和混凝土之间的滑移现象和剪力连结件的塑性变形，对其结构整体进行有限元分析，分析结构的整体受力和变形情况。

关建词：组合结构 剪力连结件 滑移 变形

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

前言

黄河班多水电站进厂交通桥是上承式钢-混凝土板桁体系。钢-混凝土组合组合作用的大小是由组合梁中的关键部件―剪切连接件决定的。对于连接件的应用，各国的使用不尽相同，日本一般使用栓钉，我国开始时使用槽钢, 现在一般使用栓钉连接件。现行相关设计规范采用换算截面法计算钢-混凝土组合梁截面特性, 假定组合梁为完全剪力连接, 即: r= N/Nf≥1 r为剪力连接系数;N 为控制剪跨内叠合面上连接件数目; Nf 为截面达到塑性极限抗弯强度时在控制剪跨内所需的连接件数目。

实桥结构构造

黄河班多水电站进厂交通桥桥跨结构采用两片钢桁架+混凝土桥面板的板桁结合体系。桥梁全长115.0m，桥宽10.00m，计算单孔跨径30.8m，桥梁全高4.10m。主桥桥梁立面布置和主梁横截面如图2.1所示。

图2.1主梁立面布置图

主桁架几何图式为三角形，两片主桁架中心距6.00m，主桁架计算高度3.00m，桁架节间长度2.80m，斜杆倾角64°59′。桥面采用40号钢筋混凝土板，两侧悬臂长度2.00m桥面板厚度55cm，跨中桥面板厚度33cm。

有限元模型

本文在有限元分析时，将混凝土底面和钢梁对应的节点之间设置弹簧连接，这样就能较合理地模拟钢与混凝土的共同工作。弹簧连接模拟方法如下：

①纵向设置弹簧连接以抵抗板单元和钢桁梁单元节点间的滑移。弹簧刚度与栓钉连接件的剪切刚度大小一致，取300KN/mm。

②设置竖向刚度很大的弹簧以保证板单元和钢桁单元间的竖向变形的协调。

③设置刚度很大的转动弹簧以保证板单元与钢桁单元间的扭转协调。

钢-混凝土连结部节点弹簧模拟如图3.1所示

图3.1钢-混凝土连结部节点弹簧模拟图

荷载采用恒载+车辆活载+汽车制动力。汽车制动力按《公路桥涵设计通用规范》取90KN计算。车辆活载加载图如图3.2所示。

图3.2车辆活载计算图示

本文采用桥梁设计软件MIDAS/Civil进行结构建模分析。本桥跨共划分154个节点，121个单元。本跨有限元计算模型如图3.3。

图3.3单跨整体结构有限元模型

结构受力分析

图4.1荷载组合作用下桥梁结构弯矩分布图

由以上计算分析可以得出，在移动活载作用下桥梁上弦杆的最大弯矩为876.63KN*m,出现在上弦杆两端端头部位。腹杆的最大弯矩为752.33KN*m，出现在两端端头腹杆部位。下弦杆的最大弯矩为5369.29KN*m，出现在下弦杆第二节和第七节中间部位。

结论

①总结了黄河班多水电站进厂交通桥采用的简支钢一混凝土板桁组合结构的构造特点和结构参数。

②通过对钢-混凝土连结部节点采用弹簧模拟，进行有限元建模计算，得出钢一混凝土板桁组合结构的轴力、剪力、弯矩分布和变形情况。从面分析钢和混凝土的协同受力状况。

③在荷载组合作用下，结构产生的竖向最大位移为70mm,小于《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）中关于简支钢桁架的规定，说明其竖向刚度满足要求。

参考文献

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