侯 宁

（中国市政工程西北设计院研究院有限公司，陕西 西安 710075）

引言

钢管混凝土组合桁架桥梁相比于一般的组合梁桥梁其结构形式有些特殊，其桥面板搁置在上弦上，相当于多点支撑的连续梁桥。受力与一般的组合梁桥的桥面板受力有较大不同。目前各国规范对组合梁桥面板有效分布宽度的计算公式都是针对钢板梁和钢箱梁组合结构桥梁的，但对于是否能适用于钢管混凝土组合桁架桥梁中，还没有明确的定论。因此，展开对钢管混凝土组合桁架桥梁有效分布宽度的研究非常必要[1]。刘洋[2]对结合梁斜拉桥桥面板进行了实验和理论分析。何畏和强士中[3]对组合梁桥面板有效分布宽度进行了研究，总结出了一组可行的计算公式。高昊等[4]根据英国和日本的相关规范，分别计算简支梁、连续梁两种结构形式在相同跨径和支撑条件下钢箱梁桥面板有效宽度。

1 组合钢桁梁桥面板有效宽度分析

钢-混凝土组合梁在外力作用下发生弯曲变形时，由剪力引起混凝土桥面板内的剪应变会给桥面板带来剪切变形，使在桥面板宽度范围内的正应力分布不均匀，这种现象称为“剪力滞效应”。在竖向荷载作用下，混凝土实腹式梁桥的剪力通常通过混凝土梁的腹板进行传递。而对于空腹式的钢桁梁来说，其在竖向荷载作用下产生的剪力通常经由腹杆进行传递。而钢桁梁的腹杆布置是间隔式，每个腹杆仅在节点部分与桁架的弦杆相连接。因此，钢桁梁的剪力图在节点和节间存在显著的区别。这也导致了钢桁梁桥面板的剪力滞效应在节点和节点同样存在显著的差别。因此，有必要对钢桁梁桥面板的有效宽度根据其在不同桁梁位置分别进行研究，同时钢桁梁桥面板的有效宽度还与荷载类型以及桥面板自身的结构特性有关。

2 算例简介

通过建立存在不同类型的组合桁梁有限元模型来对其桥面板的有效宽度进行分析。用于算例分析的组合桁梁跨径为6.5 m，桁高0.5 m，高跨比为1/13。腹杆采用三角形的warren桁架布置，倾角为55°。桁架弦杆采用钢管混凝土结构。上弦杆直径为90 m×4 mm；下弦杆直径110 mm×8 mm；腹 杆 直 径80 mm×6 mm。桁架节点间隙为30 mm。混凝土桥面板长度与桁架长度相同，为6.5 m。桥面板宽800 mm，悬臂端板厚40 mm，梗掖处进行了加强，厚度最大处为150 mm。 桁架上弦杆埋入混凝土桥面板梗掖处，混凝土桥面板与钢桁架形成整体共同受力。组合桁梁的尺寸见图1。

图1 组合钢桁梁/mm

3 有限元模拟分析

通过建立不同类型的组合钢桁梁有限元模型来对其抗弯刚度进行分析。采用ABAQUS 建立钢板组合梁的实体与板壳结合的精细化分析有限元模型[5]。其中桥面板采用实体单元C3D8R建立，钢桁架采用壳单元S4R建立。加载面与1个参考点耦合连接，并在参考点施加竖向位移d=30 mm。 钢桁梁下弦杆两端施加简支的边界条件。管内混凝土和钢管内壁界面施加接触的相互关系，摩擦系数μ=0.6。钢材等级为Q345，弹性模量按 206 000 MPa计取，泊松比为0.283。混凝土标号为C40弹性模量按34 500 MPa计取，泊松比为0.167。混凝土桥面板实体单元的网格尺寸为100 mm，并在板厚度方向划分了4层网格，保证实体单元在受弯时也具有较好的模拟精度。钢桁架单元网格尺寸为80 mm。最终建立的有限元模型见图2。

图2 钢板组合梁ABAQUS有限元模型

因受弯梁在支点处剪力较大，故分别提取了跨中断面以及靠近支座断面的混凝土截面计算有效宽度。由于钢桁梁节点和节间也存在差异，因此，同样提取了节点和节间的断面进行分析。最终得到了测试断面共分为A-A，B-B，C-C和D-D 4个断面，断面纵向应力分布见图3～图6。

图3 桥面板A-A断面纵向应力分布

图4 桥面板B-B断面纵向应力分布

图5 桥面板C-C断面纵向应力分布

图6 桥面板D-D断面纵向应力分布

由图3～图6可以看出，位于节点部位的A-A断面和D-D断面桥面板的应变变化较大，剪力滞效应比较明显，而位于节段中间部位的B-B断面和C-C断面桥面板纵向应变变化不明显，说明剪力滞效应稍弱。因此，可得组合桁梁节点处的桥面板剪力滞效应较为明显，桥面板有效宽度较小，节间处的桥面板剪力滞效应不明显，桥面板有效宽度较大。由图6可得，D-D节点在加载区域附近，故桥面板的应力分布也受到了影响，说明荷载作用位置及形式也会影响桥面板的剪力滞效应，进而改变桥面板在荷载作用区域下的有效分布宽度。

有效宽度系数定义为桥面板测试断面的有效宽度与桥面板实际宽度（800 mm）比值：

式中：η—桥面板有效宽度系数；beff—桥面板有效宽度，mm；b—桥面板实际宽度，mm。

桥面板的有效宽度beff可以按照沿桥面板宽度方向的纵向应力的积分值与纵向应力峰值的比值确定。各测试断面的有效分布宽度系数见图7。根据公式（1）的定义可得，剪力滞效应越明显，桥面板测试断面的有效宽度系数越小。

图7 各测试断面桥面板纵向应变分布

由图7可得：（1）位于节点附近的A-A断面和D-D断面的有效宽度系数均较小，分别为0.50和0.65，说明组合钢桁梁节点处的剪力滞效应明显。（2）A-A截面更靠近支座，而支座附近的剪力较大，靠近支座节点截面A-A的剪力滞效应比靠近跨中的节点断面D-D更为明显。（3）桥面板B-B截面和C-C截面均位于组合桁梁节间部位，这两个截面的有效宽度系数较大，分别为0.90和0.85，说明剪力滞效应相对于节点截面来说不明显。（4）位于跨中C-C截面的混凝土应变分布还受到了外荷载加载的局部影响，故C-C截面的有效宽度系数比B-B截面的有效宽度系数要小一些，说明了桥面板的剪力滞效应还会受到荷载作用影响。

4 结语

（1）根据有限元结果分析了集中荷载作用下的组合桁梁沿跨径不同位置下的应力分布以及剪力滞效应，提出了适用于有限元桥面板有效宽度计算方法，并计算了对应截面的有效宽度系数。（2）桥面板靠近支点附近的区域剪力滞效应较为显著，桥面板有效宽度系数在0.50～0.65左右，靠近节间的区域则不明显桥面板有效宽度系数在0.85～0.90左右。（3）剪力滞效应受到荷载作用形式的影响不可忽略，集中荷载作用于桥面板时，其有效宽度系数有所降低。