总第２６５期 交通科技 Ｓｅｒｉａ１ Ｎｏ．２６５ ２０１４年第４期 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１４ 钢一混凝土结合梁负弯矩区力学特点分析 曹黎娟 （中交远洲交通勘察设计研究院石家庄０５００５０） 摘要叙述了钢一混凝土结合梁负弯矩区受力特点，引入等效截面、等效宽度ｂ 的定义，并推导 出受拉区高度及负弯矩Ｍ的计算公式，对结合梁负弯矩作用下的承载力进行分析总结。 关键词 钢一混凝土结合梁 负弯矩区 等效截面 承载力 近年来，钢一混凝土结合梁桥越来越多地应用 凝土板结合的，导致在负弯矩区，支撑在钢梁上的 到连续梁结构中。在上部荷载作用下，整个结构 混凝土翼板的纵向拉应力沿翼板宽度方向的分布 体系既存在下部钢箱底板受拉、上部混凝土桥面 是不均匀的，离钢梁腹板越远，拉应力越小，其分 板受压的正弯矩区，也存在下部钢箱底板受压、上 布规律主要取决于截面和跨径的相对尺寸。 部混凝土桥面板受拉的负弯矩区。正弯矩区受力 考虑到远离钢梁腹板处混凝土翼板的拉应力 均符合材料特性，钢板受拉，混凝土受压，钢箱梁 很小，因此，在计算时把混凝土参与工作的宽度 与混凝土均各自发挥着自己的优势，共同参与工 在一定的范围，即翼板等效宽度 ，见图１。并假定 作；而负弯矩区则恰恰相反，下部钢箱底板要承受 在 范围内混凝土拉应力横向是均匀分布的。 压应力，上部混凝土桥面板承受拉应力。曲线箱 梁桥一般都具有十分明显的空间受力特性，所以 其负弯矩区的受力分析更复杂，本文着重研究曲 、 竿 ＼ ，／／， ，，／＾ 线钢一混凝土结合梁负弯矩区的受力特点。 １截面几何特性 １．１等效截面分析 图１翼板等效宽度 弹性设计理论中，一般是将混凝土翼板面积 １．３受拉区高度 换算为等效的钢截面［１］。假设有一弹性模量为 钢一混凝土结合梁计算中通常是将混凝土翼 Ｅ 的混凝土元，其截面积为Ａ ，将其换算为弹性 １ 模量为Ｅ。，截面积为Ａ。的钢单元，使其保持合力 板面积用 倍的钢截面来代替，将整个截面换算 Ｅ 大小不变，且应变相等，则 为单一弹性模量Ｅ 的钢截面。为保证换算前后 Ａ 一Ｏ＇ｓＡ （１） 厶 混凝土翼板重心不变，而将翼板宽度用 ７／Ｅ 来代 Ｏ＇ｃ一一 Ｅ Ｅ （２） 替。以下分别计算负弯矩区混凝土参与工作和不 由以上二式可得： 参与工作２种情况下截面受拉区高度，即中性轴 Ａ 一 （３） 位置。见图２。 式中： 为钢与混凝土弹性模量之比。 １．２混凝土翼板等效宽度 由弹性力学理论可知，结合梁承受荷载产生 弯曲变形，由于钢梁是通过２个支撑点与上部混 图２中性轴位置 收稿日期：２０１４—０２—１７ 受拉区混凝土桥面板参与受力，设定中性轴 ８ 曹黎娟：钢一混凝土结合梁负弯矩区力学特点分析 ２０１４年第４期 位置在钢箱梁内，混凝土截面积为Ａ ，钢箱梁截 面积为Ａ ，混凝土与钢箱梁质心距梁底分别为Ｙ 和Ｙ ，受压区高度为Ｙ ，则有： ＋Ａ 一（ ＋Ａ ） （４） Ｎ ｄ和Ｍ 的比例由桥面板与钢梁的拉伸刚 度及其钢梁的弯曲刚度来决定，并且他的拉伸性 能与单向受拉的钢筋混凝土的拉伸性能相近。由 于这个原因，一般把连续结合梁负弯矩区的桥面 板看成是中心受拉的钢筋混凝土拉伸构件来研究 他的力学性能。 解得： 垒 ＋Ａ ２承载力分析 ｙｌ一 一■ ＿＿ ｂ ） 结合（３），（５）２式可得 一 ㈣ 如图３所示，按照混凝土退出工作进行计算， 钢一混凝土结合梁只有钢箱梁参与工作，因此其受 压区高度即为钢箱梁中性轴高度。 图３中性轴位置 Ｙｚ＝＝＝Ｙ （７） 将（６），（７）２式相减，得 ｙｌ～一 ｚ一— 一 士 一Ｙ 一ｓ （８）（） 推出 一１一 Ｙｚ＝一— ＝＝ Ｔ— 一 ㈩ 整理得 Ａｙ— ｝ （１０） 式中：Ａｙ为混凝土退出工作后截面中性轴下降 量；Ｙ 为混凝土板与钢箱质心问距。 从以上分析可以得出，随着混凝土退出工作， 截面中性轴位置将下降。根据式（１０）可以看出， 对某一截面而言，，ｚ 为常量，Ａｙ只与混凝土板与 钢箱梁的质心位置有关，质心相距越大，中性轴下 降量也越大。因此，可通过实测截面中性轴位置 来判断桥面板混凝土是否参与工作。 １．４负弯矩Ｍ 钢一混凝土连续结合梁负弯矩区截面上作用 的弯矩Ｍ，依据截面分力法，分解成为： Ｍ—Ｎ ｄ＋ （１１） 式中：Ｎ 为作用在混凝土桥面板上的轴力；ｄ为 轴力到负弯矩区截面中性轴的距离；Ｎ。ｄ为轴力 引起的力偶；Ｍ 为作用在钢梁上的弯矩。 ２．１抗弯承载力 由于钢一混凝土结合梁的广泛应用，对此类构 件抗弯承载力的计算方法研究就显得尤为重要。 文献Ｌ２ 分析了传统设计方法和规程设计方法，发 现对于承受负弯矩的钢一混凝土结合梁，当截面塑 性中性轴位于钢梁上翼缘时，传统方法过于保守， 规程方法的个别计算式不正确；应用等效应力法 提出了新的计算建议，并以一个算例对３种方法 进行了对比，通过试验研究加以验证，计算建议最 能反映实际情况，且能保证计算的合理性，但是其 结论仅适用于直桥，对于曲桥还有待进一步研究。 如果中性轴位于钢梁腹板，按照规程方法分析；中 性轴位于钢梁上翼缘时，取其截面和应力分布，见 图４。 ａ）截面 ｂ）应力分布 ｃ）等效应力分布 图４截面和应力分布 在图４ｃ）中，对２Ｆ。 取矩，抗弯承载力： Ｍ≤Ｆ （ 一ｄ 一０．５ｄ ）＋Ｆ （ ＋０．５ｄ 一ｄ ） （１２） 式中：ｄ 一Ｆ ／（６ｆ ）为钢梁上翼缘受拉区的高 度；Ｆ 一０．５（Ｆ 一Ｆ ）为钢梁上翼缘受拉区的合 力；ｂ 为钢梁上翼缘的宽度。 ２．２考虑滑移效应的承载力分析 现有规范均要求结合梁负弯矩区采用完全抗 剪连接件设计，但对于常用的栓钉、槽钢等柔性抗 剪连接件，由于连接件的变形，不存在无滑移的完 全连接状态。即使在荷载水平较低的正常使用极 限状态，钢梁与混凝土板之间的滑移也不为０。 滑移效应使组合截面的内力发生重分布，导致弹 性抗弯承载力降低［３］。 目前，关于滑移效应对结合梁影响的研究主 要集中于正弯矩作用状况。除了大量的实验工作 外，通过建立滑移微分方程所形成的解析方 法｜４ ］，以及各种数值分析方法都在研究中得到了 应用。与正弯矩作用下的结合梁相比较，负弯矩 ２０１４年第４期 曹黎娟：钢一混凝土结合梁负弯矩区力学特点分析 作用下结合梁的计算模型有所不同。负弯矩区混 凝土翼缘由于在较低的拉应力下就已经开裂，结 合梁主要由钢梁、钢筋和抗剪连接件３部分发挥 作用。文献［６］对直线梁的滑移效应作了分析，并 得出如下结论：对于使用柔性抗剪连接件，滑移效 力特点，引出等效截面的概念，说明混凝土翼缘板 等效宽度ｂ。的定义、受拉区高度的计算公式，从 而推导出负弯矩Ｍ的计算公式；负弯矩作用下承 载力分析中给出当中性轴位于钢梁上翼缘时的计 算公式，结合规范及相关文献分析了结合梁负弯 矩作用下考虑滑移效应的承载力状况，并简单介 应引起截面内力重分布，使构件的受力性能与完 全结合状态时有所不同。并根据结合梁在负弯矩 作用下的力学模型，求出了连续结合梁负弯矩区 的特征滑移及滑移应变解。根据滑移应变解，建 立了考虑滑移效应的结合梁弹性承载力的计算方 法。得出在负弯矩作用下，滑移效应导致结合梁 截面曲率增大，在一定程度上减小了结合梁的弹 性抗弯承载力，需要在设计和使用中予以重视。 而以上研究仅适用于直线梁桥，对于曲线梁桥，仍 没有完整的计算理论。 ２．３负弯矩区体外预应力承载力分析 文献 通过对体外预应力结合梁的承载力试 验，研究了负弯矩作用下体外预应力结合梁的开 裂和极限承载力。研究结果表明：对负弯矩区结 合梁施加体外预应力后，可有效提高截面的开裂 弯矩。负弯矩作用下体外预应力结合梁的预应力 增量很小可忽略。一般情况下，对负弯矩截面施 加体外预应力，不会提高截面的屈服承载弯矩。 负弯矩作用下体外预应力结合梁的极限承载力失 稳控制，是把预应力作用作为等效荷载，探讨结合 梁失稳承载力的计算方法。 ３ 结语 绍负弯矩区体外预应力承载力分析。旨在为全面 综合研究钢一混凝土结合梁负弯矩区受力特点及 状态分析提供参考。 参考文献 ［１］张锐，何杰．某钢一混凝土连续梁桥负弯矩受力 特性分析［Ｊ］．交通工程设计，２００７（２）：６０—６２． ［２］王庆利，张日果，刘德清，等．钢一混凝土结合梁负弯 矩区抗弯承载力的计算建议［Ｊ］．沈阳建筑工程学院 学报：自然科学版，２００４，２０（２）：１０１—１０３． ［３］Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｒＳ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，１９９４． ［４］聂建国，沈聚敏，袁彦声．钢混凝土简支结合梁变形 计算的一般公式ｒＪ］．工程力学．１９９４，１１（１）：２１—２７． Ｅ５］ ＮＩＥ ＪＩＡＮＧＵ０，ＣＡＩ ｃ Ｓ．Ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｓｌｉｐ ｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｓｔｒｕｃｔ． Ｅｎｇｒｇ．，ＡＳＣＥ，２００３，１２９（４）：４９５－５０６． ［６］樊建生，聂建国．负弯矩作用下考虑滑移效应的结 合梁承载力分析［Ｊ］．工程力学，２００５，２２（３）：１７７— １８２． ［７］陈世鸣，孙森泉，张志彬．体外预应力钢一混凝土组合 梁负弯矩区的承载力研究Ｉ－Ｊ１．土木工程学报，２００５， ３８（１１）：１４—２１． 本文主要介绍钢一混凝土结合梁负弯矩区受 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ‘ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｂｅａｍ ａｔ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｍｏｎｍｅｎｔ Ｒｅｇｉｏｎ Ｃａｏ Ｌｉｊｕａｎ （Ｃｈｉｎａｒｏａｄｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉ ｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｇｉｒｄｅｒ ａｔ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｍｏｍｅｎｔ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ａｒｅａ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｍｏｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｎｅｇａ— ｔｉｖｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ；ｎｅｇａｔｉｖｅ ｍｏｍｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｂｅａｒ— ｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ
