冀偉,孫斌,白倩,羅奎
(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.重慶市鐵路集團有限公司,重慶 401120)
鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮混凝土與鋼材各自的優(yōu)點,即混凝土主要抗壓,鋼材主要抗拉,結(jié)構(gòu)受力較為合理.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)特別適用于裝配式中等跨徑橋梁及快速施工的橋梁[1].在實際工程中,鋼與混凝土的連接常采用剪力連接件,剪力連接件的變形會引起鋼梁與混凝土板的界面滑移,降低組合梁整體剛度,從而產(chǎn)生附加變形.此外,鋼-混凝土組合梁在長期荷載作用下,由于混凝土收縮徐變的影響,其撓度會隨時間增加而增大,而梁變形過大會影響其正常使用性能[2].
Dezi 等[3-4]提出了考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)的鋼-混凝土連續(xù)組合梁的時變分析方法.Cheng[5]以鋼-混凝土組合T 梁為例,分析了滑移和混凝土收縮徐變對其應(yīng)力和撓度的影響.Cao 等[6]對三根預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁(無預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力和完全預(yù)應(yīng)力)進(jìn)行了420 d 的長期荷載試驗,提出了考慮持續(xù)荷載、收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力組合效應(yīng)對鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁長期撓度的計算模型.Tong 等[7]建立了考慮混凝土徐變、收縮和開裂的三維黏彈塑性損傷本構(gòu)模型,研究了預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土組合梁的短期和長期性能.項貽強等[8]在考慮體外預(yù)應(yīng)力和混凝土長期性能對鋼-混組合梁界面滑移影響的基礎(chǔ)上,提出界面滑移時變的計算公式,并探討了鋼-混組合梁在混凝土長期效應(yīng)作用下的滑移變化規(guī)律.肖巖等[9]在考慮界面滑移效應(yīng)的基礎(chǔ)上,提出了鋼-混組合梁撓度計算的二階算法,并求得4 種不同邊界條件下組合梁的撓度.冀偉等[10]在考慮鋼梁與混凝土板的滑移效應(yīng)和組合梁剪切變形的基礎(chǔ)上,運用能量變分原理求得了鋼-混凝土組合梁的撓度計算公式.褚少輝等[11]運用有限元分析研究了鋼-混組合梁的滑移分布規(guī)律與特點.Nguyen 等[12]提出可以考慮混凝土收縮、徐變和開裂之間相互作用的非線性時變特性鋼-混組合梁有限元模型.
綜上,國內(nèi)外學(xué)者已對鋼-混凝土組合梁的界面滑移效應(yīng)和長期荷載效應(yīng)進(jìn)行了研究,但對同時考慮鋼-混組合梁全截面剪切變形、鋼-混接觸面的滑移效應(yīng)及混凝土長期效應(yīng)下鋼-混凝土組合梁的撓度計算還存在不足.因此,本文在綜合考慮上述三種效應(yīng)的基礎(chǔ)上,運用能量變分原理建立了鋼-混組合梁撓度計算的控制微分方程,引入梁彎曲角、剪應(yīng)變和撓度的微分關(guān)系,按照給定的自然邊界條件求得鋼-混組合梁在長期荷載作用下?lián)隙鹊挠嬎愎?同時,鋼-混凝土組合梁的高跨比對梁的剪切變形有影響,因組合梁屬于薄壁構(gòu)件,往往承擔(dān)較大的荷載,其跨高比較小,將導(dǎo)致剪切影響系數(shù)較大,使剪切變形成為一個不可忽略的因素[13];文獻(xiàn)[10]研究了混凝土與鋼梁的界面連接對層間滑移的影響,在其他條件不變的情況下,抗剪剛度越小,層間滑移效應(yīng)對撓度的影響越不可忽略,因此有必要在計算中對層間滑移與剪切變形兩種效應(yīng)予以綜合考慮.本文基于以上條件,通過簡支和兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的實例驗證了所得計算公式的正確性和適用性,研究成果可為實際工程中鋼-混凝土組合梁在長期荷載效應(yīng)下的撓度計算提供理論依據(jù).
運用能量變分原理對鋼-混凝土組合梁的撓度進(jìn)行分析時,引入以下基本假定[14-15]:
1)混凝土橋面板與鋼梁的橫截面均符合平截面假定,剪力連接件為等效的均勻連續(xù)彈性介質(zhì);
2)鋼梁與混凝土在整個受力階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系,混凝土在整個受力階段未開裂、剝落;
3)忽略鋼-混組合梁的掀起現(xiàn)象,不考慮其橫向變形,混凝土橋面板與鋼梁的曲率完全相等;
4)忽略橋面板剪力滯效應(yīng)對鋼-混組合梁撓度的影響.
假定層間滑移界面符合Goodman 彈性夾層假設(shè)(如圖1 所示),ks為剪力連接件的抗剪剛度,實際工程中應(yīng)根據(jù)混凝土標(biāo)號、栓釘長短、間距、直徑和抗剪切聯(lián)接度等參數(shù)的影響對剪力連接件進(jìn)行抗剪實驗來確定實際抗剪剛度;Es、As與Ec、Ac分別為鋼與混凝土材料的彈性模量和截面積.如圖2 所示的鋼-混組合梁,hc、hs分別為混凝土板和鋼梁各自截面中性軸到組合截面中性軸的距離,h 為hc和hs之和;Hc、Hs分別為混凝土橋面板和鋼梁截面的形心,H 為鋼-混組合梁截面的形心.在外力作用下的鋼-混組合梁,組合截面的彎曲變形和剪力連接件的剪切變形將產(chǎn)生層間相對滑移.圖2 中,εcs、εss分別為滑移效應(yīng)引起的混凝土橋面板和鋼板的應(yīng)變,θ 為組合梁的彎曲角.
圖1 彈性夾層假設(shè)Fig.1 Assumption of elastic sandwich
圖2 考慮滑移效應(yīng)影響下鋼-混凝土組合梁截面應(yīng)力分布Fig.2 Strain distribution of steel-concrete composite girder considering the interlayer slipping
考慮層間界面鋼-混組合梁的軸力自平衡條件,可得:
式中:u′(x)為混凝土橋面板與鋼梁相對滑移應(yīng)變.
由公式(1)和(2)可得層間滑移引起的混凝土與鋼梁的滑移應(yīng)變:
式中:n=Es/Ec為鋼材與混凝土彈性模量之比.
鋼-混組合梁由截面豎向剪力引起的剪切變形會使得梁發(fā)生翹曲(如圖3 所示),從而引起梁的附加撓度.
圖3 考慮剪切變形的梁轉(zhuǎn)角示意圖Fig.3 Angle of the girder considering shear deformation
根據(jù)鋼-混組合梁的剪切變形理論,其全截面彎曲角θ、平均剪應(yīng)變φ 及撓度w 之間的關(guān)系為:
組合梁的平均剪應(yīng)變可表示為:
鋼-混組合梁剪切變形應(yīng)變能為:
式中:ξ、A、SZ、bZ和I 分別為組合梁按照混凝土材料換算后的截面剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù)、截面總面積、截面面積矩、截面寬度和截面慣性矩.
考慮鋼-混組合梁全截面的剪切變形、層間滑移效應(yīng)的基礎(chǔ)上,引入混凝土收縮應(yīng)變εcss(t,ts),則混凝土板和鋼梁的彎曲總應(yīng)變?yōu)椋?/p>
式中:t、t0和ts分別為計算時刻混凝土齡期、混凝土加載齡期和收縮開始時刻混凝土齡期;l 為梁長.
采用按齡期調(diào)整的有效模量法,并引入老化系數(shù)ρ(t,t0),推導(dǎo)可得隨徐變系數(shù)發(fā)展的有效彈性模量EΦ:
式中:φ(t,t0)為混凝土的徐變系數(shù).
建立鋼-混凝土組合梁的應(yīng)變能方程:
橋面板應(yīng)變能表示為
鋼梁應(yīng)變能表示為
彈性夾層滑移應(yīng)變能為
組合梁剪切應(yīng)變能表示為
考慮M(x)為外荷載作用下的彎矩,則外荷載的勢能為:
在外力作用下的結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài),由最小勢能原理可知總勢能的一階變分為零:
將表達(dá)式(12)~(16)代入式(17),運用變分法計算可得如下微分方程組和邊界條件:
式中:IW(t)=Ic+(t)+n(t)Is+n(t)As(t),IW(t)為t 時刻鋼-混組合梁以混凝土材料換算的截面慣性矩,Ic、Is分別為混凝土板和鋼梁的慣性矩;AW(t)=n(t)AsAc/(n(t)As+Ac),n(t)=Es/EΦ,為t 時刻鋼材與混凝土彈性模量之比;A(t)=n(t)As+Ac,為t 時刻組合梁以混凝土材料換算的截面面積.
式中:u*是與梁段剪力有關(guān)的微分方程的特解;Λ1、Λ2為實常數(shù).
方程式(18)為組合梁考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)下?lián)隙绒D(zhuǎn)角和滑移的基本微分方程,整理得:
式中:MCE(x,t)=-EΦA(chǔ)Wh(t)u′(x,t)為考慮徐變和滑移效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩;MSE(x,t)=-EΦA(chǔ)chc(x,t)εcss(t,ts)為考慮收縮效應(yīng)的附加彎矩.
由(26)式可以看出,考慮滑移和收縮徐變效應(yīng)后,組合梁彎矩進(jìn)行了重新分配,增加了附加彎矩修正項MCE(x,t)和MSE(x,t),且隨著組合梁曲率增大,大大降低了結(jié)構(gòu)剛度.
整理式(20)~(26),并積分可得組合梁撓度:
重新整理式(27),可得:
式中:w0為組合梁初等梁理論計算得到的撓度;w1為組合梁剪切變形所產(chǎn)生的附加撓度;w2為組合梁層間滑移變形所產(chǎn)生的附加撓度;w3為組合梁層間收縮效應(yīng)所產(chǎn)生的附加撓度;Λ3、Λ4、Λ10、Λ11、Λ12、Λ13、Λ14、Λ15、Λ16、Λ17均為常實數(shù),依據(jù)自然邊界條件確定.
靜定梁以跨徑為l 的簡支組合梁承受均布荷載q 作用為例,如圖4 所示,其彎矩與剪力的函數(shù)如式(29)所示.
圖4 受均布荷載作用的簡支梁Fig.4 Simply-supported girder subjected to uniformly distributed loads
引入隨徐變系數(shù)發(fā)展的有效彈性模量EΦ,即可考慮組合梁徐變效應(yīng)對層間滑移的影響,將式(29)代入式(23)得:
求解得方程通解:
由邊界條件:x=0 時,u′=0;x=l 時,u=0,整理可得u 的解為:
1)初等梁理論撓度w0
由邊界條件:x=0 時,w0=0;x=l 時,w0=0,整理可得w0的解為:
2)剪切變形所產(chǎn)生的撓度w1
3)層間滑移所產(chǎn)生的撓度w2
滑移位移u 一階偏導(dǎo)數(shù)為:
4)考慮收縮效應(yīng)w3
對簡支組合梁,其層間收縮效應(yīng)所產(chǎn)生的附加撓度由混凝土層收縮變形產(chǎn)生的彎矩[16]引起,如圖5和圖6 所示.
圖5 收縮變形引起的截面力Fig.5 Sectional forces caused by shrinkage deformation
圖6 收縮效應(yīng)下的附加彎矩Fig.6 Additional bending moment caused by shrinkage
由邊界條件:x=0 時,w3=0;x=l 時,w3=0,整理得w3的解為:
超靜定梁以均布荷載q 作用下的兩跨連續(xù)梁為例,如圖7 所示.根據(jù)力學(xué)知識計算得A、B、C 三處支座反力為RA=0.375ql,RB=1.25ql,RC=0.375ql.考慮滑移解超靜定后,支反力不為初等梁體支反力,需結(jié)合荷載作用下簡支梁跨中撓度求解超靜定支反力.
圖7 兩跨連續(xù)組合梁受均布荷載Fig.7 Continuous composite beam under uniform load
對稱荷載作用下,取單跨(左跨0 ≤x ≤l)為研究對象,則組合梁彎矩和剪力函數(shù)表示如下:
將式(34)代入式(23)得方程通解:
由邊界條件:x=0 時,u′=0;x=l 時,u=0,整理可得u 的解為:
1)初等梁理論撓度w0
引入邊界條件并整理得w0的解為:
2)剪切變形產(chǎn)生撓度w1
3)層間滑移所產(chǎn)生的撓度w2
滑移位移u 的一階偏導(dǎo)數(shù):
引入邊界條件并整理得w2的解為:
4)考慮混凝土收縮效應(yīng)w3
如圖8 所示的兩跨連續(xù)梁,解除中支座處的約束,由此產(chǎn)生的次彎矩X1用來考慮約束對收縮效應(yīng)的影響.圖8 中,收縮應(yīng)變產(chǎn)生的附加彎矩為MSE,X1在中支點處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角等同于收縮效應(yīng)在中支點處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角.建立力學(xué)基本體系,由圖乘法可求得收縮效應(yīng)產(chǎn)生的中支點次彎矩X1.
圖8 次彎矩X1 作用Fig.8 Secondary moment action
收縮效應(yīng)與次彎矩共同作用的變形條件為:
式中:δ11、Δ1SE分別為單位彎矩和收縮效應(yīng)在X1方向上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角.
收縮效應(yīng)所產(chǎn)生的附加撓度w3為:
由邊界條件:x=0 時,w3=0;x=l 時,w3=0,整理得w3的解為:
選取文獻(xiàn)[17] 中的鋼-混凝土組合實驗梁試件LCB1 及LCB2 為研究對象,用于驗證本文所得撓度計算公式的正確性.LCB1 和LCB2 試件中鋼梁與混凝土翼板梁跨均為4 m,圖9 為LCB1 和LCB2 的截面示意圖.鋼梁材質(zhì)為Q235b,彈性模量為2.1×105MPa.試件LCB1 翼板混凝土材料為C20,軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fck=20 MPa,齡期28 d 彈性模量為3.18×104MPa,試件LCB2 翼板混凝土材料為C30,軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fck=30 MPa,齡期28 d 彈性模量為3.47×104MPa.文獻(xiàn)[17]的簡支試驗梁是按完全抗剪連接設(shè)計的,即抗剪剛度趨于無窮,而滑移效應(yīng)趨于0,本例假定抗剪剛度過大而忽略滑移位移.兩試件均承受滿跨均布荷載6.23 kN/m.
圖9 組合梁截面尺寸(單位:mm)Fig.9 Section dimensions of composite girder(unit:mm)
根據(jù)CEB-FIP(MC90)規(guī)范,采用Midas Civil 有限元軟件模擬在平均濕度為67%、構(gòu)件理論厚度為54.5 mm 下,C20 與C30 混凝土的徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變在加載1 000 d 內(nèi)的發(fā)展情況,如圖10 所示.有限元考慮收縮徐變框圖和算法如圖11 所示.
圖10 徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變隨時間的發(fā)展Fig.10 Development of creep coefficient and shrinkage strain versus time curves
圖11 有限元考慮收縮徐變計算框圖Fig.11 Flow chart of finite element considering shrinkage and creep
采用有限元Midas Civil 軟件建立了試件LCB1、LCB2 的有限元模型,由于在Midas 有限元模型中采用雙單元法剛性連接建模時,混凝土板部分在徐變作用下產(chǎn)生一定誤差,因此,本文整體采用標(biāo)準(zhǔn)截面法(組合梁截面)建模.
本文根據(jù)靜定結(jié)構(gòu)的收縮和徐變引起結(jié)構(gòu)的變形、超靜定結(jié)構(gòu)的收縮和徐變引起結(jié)構(gòu)次內(nèi)力進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)變形的原理進(jìn)行了收縮徐變的數(shù)值運算.在有限元計算中,收縮徐變只有與施工過程結(jié)合才有意義,橋梁結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)分階段,按施工順序考慮收縮徐變效應(yīng),本文最終撓度計算結(jié)果為有限元模型撓度計算值疊加層間滑移撓度理論計算值.
Midas Civil 實現(xiàn)混凝土的收縮和徐變一般分兩個步驟:一是定義收縮、徐變系數(shù);二是將定義的收縮徐變模式賦予材料.圖12 對應(yīng)為簡支梁試件LCB1、LCB2 的計算模型,兩試件區(qū)別在于混凝土的軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值和齡期28 d 彈性模量值不同.通過建立試件LCB1 的有限元模型并求解出對應(yīng)的撓度值,然后改變模型組合梁截面中混凝土材料及相應(yīng)的彈性模量,重新將定義的收縮徐變模式賦予混凝土材料,運算求解試件LCB2 對應(yīng)撓度值.模型中縱向劃分為20 個單元和21 個節(jié)點,單元長度等分為0.2 m,約束布置以梁左端為固定鉸支座,右端為活動鉸支座,通過改變模型混凝土材料特性分析試件LCB1、LCB2 撓度變化情況.
圖12 組合梁的Midas 模型Fig.12 Midas model of composite girder
將理論公式計算的跨中撓度值與有限元值及實測值進(jìn)行對比分析,對比結(jié)果見表1.
表1 試件LCB1、LCB2 跨中撓度對比Tab.1 Comparison of mid-span deflection
從表1 中可以看出,理論公式計算的撓度值與有限元值及實測值的誤差在5%以內(nèi),吻合較好,驗證了所推導(dǎo)的鋼-混組合梁計算公式的正確性.試件LCB1、LCB2 加載500 d 后的理論撓度計算結(jié)果,如圖13 所示.
圖13 混凝土收縮徐變效應(yīng)對撓度影響Fig.13 Effects of creep and shrinkage on the deflection
由圖13 中可見,簡支鋼-混組合梁加載500 d后,試件LCB1 收縮徐變后的撓度是瞬時撓度的2.55 倍,試件LCB2 收縮徐變后的撓度是瞬時撓度的2.49 倍,可見混凝土的收縮徐變效應(yīng)對撓度的影響較大.
選取文獻(xiàn)[3]中的兩跨連續(xù)鋼-混凝土組合梁試件進(jìn)行長期荷載效應(yīng)分析,梁跨為2×25 m,承受滿跨均布荷載64.56 kN/m,其橫截面尺寸如圖14 所示,抗剪剛度取值參考文獻(xiàn)[18],取ks=400 MPa.
圖14 兩跨連續(xù)梁截面尺寸(單位:mm)Fig.14 Section dimension of continuous girder(unit:mm)
采用Midas Civil 2018 有限元軟件建立了兩跨連續(xù)鋼-混組合梁橋的三維有限元模型,模型中縱向劃分為26 個單元和27 個節(jié)點,其中單元長度為2 m,跨中處分割單元為1 m,約束布置以梁兩端為活動鉸支座,跨中為固定鉸支座,如圖15 所示.
圖15 兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的MIDAS 模型Fig.15 MIDAS model of two span continuous composite beam
從表2 中可知,本文理論公式計算的撓度值與有限元值吻合較好,驗證了所推導(dǎo)的兩跨連續(xù)鋼-混組合梁撓度計算公式的正確性.為進(jìn)一步驗證本文理論公式的正確性,在考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)下將本文公式計算求得的中支點反力與文獻(xiàn)[3]的中支點反力進(jìn)行對比分析,二者吻合較好,如圖16 所示.
表2 連續(xù)組合梁最大撓度對比Tab.2 Comparison of maximum deflections of continuous composite girder
首先對比分析了兩跨連續(xù)鋼-混凝土組合梁在以下三種情況下的撓度:①初等梁理論(C)計算所得撓度;②初等梁理論(C)+考慮全截面剪切變形(Q)計算所得撓度;③初等梁理論(C)+考慮全截面剪切變形(Q)+考慮層間滑移(R)計算所得撓度,對比結(jié)果如圖17 所示.
圖17 不同情況下?lián)隙确治鰧Ρ菷ig.17 Comparison of deflection analysis in different situations
從圖17 中可以看出,在初等梁理論基礎(chǔ)上考慮層間滑移效應(yīng)和剪切變形效應(yīng)后,跨間最大撓度增長了37.4%,僅剪切變形效應(yīng)引起的撓度增加了14.2%.可見,剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)對鋼-混凝土連續(xù)梁撓度的影響不可忽略.
在圖17 情況③的基礎(chǔ)上考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)對兩跨連續(xù)鋼-混組合梁撓度影響.從加載時刻算起,在混凝土收縮徐變時效期為70 年,考慮周邊環(huán)境相對濕度為50%,結(jié)構(gòu)構(gòu)件理論厚度為h=184 mm,軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值30 MPa.混凝土板徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變發(fā)展按照CEP-FIP(MC90)的規(guī)定進(jìn)行計算求得,如圖18 所示.采用本文所得的理論計算公式求得了兩跨鋼-混連續(xù)組合梁在加載70 年后跨中撓度的發(fā)展情況,如圖19 所示.
圖18 徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變隨時間的發(fā)展Fig.18 Development of creep coefficient and shrinkage strain versus time curves
圖19 撓度的收縮徐變效應(yīng)分析Fig.19 Deflection analysis under shrinkage and creep
從圖19 中可以看出,在初始時刻考慮剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng),組合梁經(jīng)70 年加載后,僅考慮混凝土徐變效應(yīng)下產(chǎn)生的撓度是瞬時加載撓度的1.32 倍,考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生的撓度是瞬時撓度的1.58 倍.因此,混凝土長期荷載效應(yīng)對兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的撓度有較大影響,不可忽略.
本文對考慮鋼-混組合梁剪切變形、層間滑移效應(yīng)和混凝土橋面板收縮徐變效應(yīng)下的鋼-混凝土組合梁撓度進(jìn)行計算與研究分析,所得結(jié)論如下:
1)本文推導(dǎo)所得長期荷載作用下鋼-混凝土組合梁撓度計算公式的正確性得到有限元和實測值的驗證,理論公式推導(dǎo)過程簡單,物理意義明確,且能滿足工程計算精度要求.
2)考慮混凝土收縮徐變后,簡支鋼-混組合梁跨中最大撓度比加載瞬時撓度增大1.55 倍,可見混凝土的收縮徐變效應(yīng)對簡支鋼-混組合梁撓度的影響較大.
3)考慮層間滑移效應(yīng)和剪切變形效應(yīng),兩跨連續(xù)鋼-混組合梁最大撓度在初等梁理論基礎(chǔ)上增長了37.4%,僅考慮剪切變形效應(yīng)引起的撓度增加了14.2%.可見,剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng)對鋼-混連續(xù)梁撓度的影響不可忽略.
4)考慮剪切變形效應(yīng)和層間滑移效應(yīng),兩跨連續(xù)鋼-混組合梁經(jīng)70 年加載后,僅考慮混凝土徐變效應(yīng)下產(chǎn)生的撓度是瞬時加載撓度的1.32 倍,考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)產(chǎn)生的撓度是瞬時撓度的1.58倍.因此,混凝土長期荷載效應(yīng)對兩跨連續(xù)鋼-混組合梁的撓度有較大影響,在工程設(shè)計和施工中應(yīng)引起重視.