钢-混凝土连续组合箱梁负弯矩区极限抗弯承载力研究

作者:余志武;张大付;焦姣 刊名:铁道科学与工程学报 上传者:汤二子

【摘要】基于塑性分析理论,分别利用规范法和截面转换法计算连续组合箱梁负弯矩区的极限抗弯承载力。规范法中先将钢箱梁截面转化为工字型钢梁截面,然后按照规范中已有的方法进行计算。截面转换法中先将钢箱梁截面转换为矩形截面,进一步推导出统一的计算公式。研究结果表明:将2种计算结果与试验结果进行对比,三者吻合很好,说明2种方法均准确适用。2种方法间进行比较,计算结果误差很小,但截面转换法避免了规范法中判断截面类型的步骤,相对简化了计算过程。研究结果为钢-混连续组合箱梁的设计提供了一定的参考。

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钢-混连续组合箱梁常应用于巨型组合结构体系中,可以降低截面高度,适用性强,经济节约,符合我国建设的基本国情[1-2]。但是在连续组合箱梁中支点附近负弯矩区内,混凝土桥面板受拉,截面负弯矩和剪力值均最大,受力复杂;易产生裂缝,进而使钢筋、钢梁锈蚀;钢梁下翼缘及部分腹板受压,易出现组合梁侧向扭转屈曲以及局部屈曲[3-4]。这些问题均严重影响结构的耐久性和承载力。对负弯矩区极限抗弯承载力进行准确计算,有利于保证结构具有更好的安全性和耐久性。现有《钢-混组合结构设计规范》与《钢结构设计规范》对工字型钢组合梁负弯矩区承载力的计算做了规定[5-6],但是此计算方法是否适用于连续组合箱梁还没有确定,基于已知试验[7],本文将规范中的计算方法应用于连续组合箱梁并进行验证。同时利用改变参数的截面转换法,推导出统一形式的负弯矩区极限抗弯承载力公式。1理论基础钢-混组合箱梁设计与计算常用的理论基础为:弹性分析理论和塑性分析理论。二者最本质的区别为是否假定混凝土为理想的弹性材料。弹性分析只适用于组合梁的正常使用极限状态,而塑性分析则可用于组合梁的承载力极限状态。由于混凝土为弹塑性材料,而钢材是理想的弹性-塑性材料,组合梁按弹性分析时,只是当混凝土的最大压应力小于0.5fc(fc为轴心抗压强度设计值),且钢材最大拉应力小于屈服强度fy时才能认为是正确的,因此弹性分析法仅用来计算使用阶段的组合截面应力及刚度时才是合理的。在确定组合梁的承载力时,由于未曾考虑塑性变形发展带来的强力潜力,计算结果偏于保守,而且也不符合实际的工作情况。因此,除直接承受动力荷载作用的组合梁以及钢梁板件宽厚比较大的组合梁外,一般均应采用塑性分析法来计算组合梁的承载力[8]。2钢-混连续组合箱梁负弯矩区极限抗弯承载力计算2.1研究组合箱梁负弯矩区极限抗弯承载力的基本假定[9](1)钢梁与钢筋混凝土翼板之间有可靠连接,能够保证截面抗弯承载力充分发挥;(2)钢梁和混凝土翼板受弯时均符合平截面假定;(3)忽略混凝土的抗拉作用;(4)压型钢板的作用可以忽略。2.2组合箱梁负弯矩区抗弯承载力极限状态的一般特征(1)混凝土翼板开裂而退出工作;(2)混凝土翼板中的纵向钢筋受拉达到屈服强度;(3)钢梁的受拉区和受压区也分别达到屈服强度。2.3规范法现有《钢-混组合结构设计规范》和《钢结构设计规范》对工字型钢组合梁负弯矩区抗弯承载力的计算做了规定,但是此计算方法是否适用于连续组合箱梁规范中没有明确说明。尝试将规范法直接应用于连续组合箱梁,把钢箱梁上翼缘宽度叠加,腹板厚度叠加,进而将箱梁转换为等高的工字型钢梁。然后按照规范中计算工字型钢的方法进行计算,通过计算中性轴位置,判断是第几类截面后分类讨论。具体的计算步骤在规范中有详细列出,在此不再赘述。具体的运算过程由于比较复杂,手算比较困难,可通过matlab编程实现。计算过程中只要提供钢箱梁的几何截面参数和材料的性能参数,即可计算连续组合箱梁负弯矩区的极限抗弯承载力。2.4截面转换法如果按照前面所述目前应用比较广泛的计算方法,首先必须确定连续组合箱梁截面中性轴的位置;其次当连续组合梁截面中性轴位于钢梁上翼缘时,为了简化计算,给出的是偏于安全的近似解,但是经过试验发现结果过于保守[10]。为了保证无论组合箱梁截面的中性轴位于钢梁的腹板还是上翼缘,都能够给出较为精确的结果并且简化分析,可以采用截面转换法[11]。由于一般的负弯矩抗弯承载力计算都忽略了栓钉对抗弯能力的贡献,甚至忽略了钢筋混凝土翼板中的纵向钢筋对抗弯能力的贡献,本文在参考“简化塑性理论”的基础上尝试考虑统一计入栓钉和

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