斜拉桥结合段剪力钉受力机理研究_图文

1、第32卷第4期2008年8月武汉理工大学学报(交通科学与工程版Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering V o l . 32N o. 4A ug . 2008混合梁斜拉桥结合段剪力钉受力机理研究收稿日期:2008203216郑舟军:男, 27岁, 硕士, 主要研究领域为桥梁结构力学与施工控制郑舟军陈开利(摘要:. 用接触来模拟钢2混凝土、滑移及摩擦等, 采用梁单元模拟剪力钉, 并对剪力钉. , 通过大型有限元软件, 对舟山桃夭门大桥钢2混凝土结合段进行分

2、析, 得出其底板、腹板和顶板的滑移量分布情况, 以及滑移量随荷载的变化规律。关键词:混合梁; 结合段; 剪力钉; 钢2混凝土组合结构中图法分类号:U 441+. 4混合梁斜拉桥由于其主跨采用钢梁, 所以具有跨越能力大的优点, 而边跨采用混凝土梁, 起到了很好的锚固作用且可降低建桥成本. 但是混合梁斜拉桥钢2混凝土结合段的设计中有关结合段的传力途径1、刚度匹配及剪力钉的受力2, 一直都是工程实际中的难点. 文献3采用桁杆单元模拟剪力钉, 计算其所受剪力, 但无法计算其滑移量; 文献4采用体单元模拟剪力钉, 虽能较好地模拟剪力钉的受力和滑移量, 但由于计算能力限制, 只适合对剪力钉布置数目较少的推

3、出试件模型进行分析, 无法满足剪力钉布置数目较多的实际结构的分析. 不同于前两者, 本文采用接触来模拟钢2混凝土之间界面, 并利用剪力钉推出试验结果, 采用梁单元以剪力钉剪切刚度等效原则简化剪力钉模型, 对舟山桃夭门大桥的钢2混凝土结合段模型进行分析.1钢2混凝土界面及剪力钉受力分析研究1. 1钢2混凝土界面处理实际钢2混凝土界面为相互接触关系, 受拉时可能张开, 受压时相互抵触不穿透, 同时界面还存在一定的摩擦力. 传统有限元节点之间只能相互约束或自由, 处理起来有一定困难.接触属于非线性约束问题. 通常, 对于接触问题的描述抽象为产生接触的2个物体无法满足无穿透约束条件. 数学上研究无穿透

4、约束的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法、直接约束法. 本文利用罚函数法模拟钢与混凝土的脱开、滑移及摩擦等. 1. 2剪力钉的模拟剪力钉的模拟也是钢2混凝土组合结构分析中的一个难点, 实际剪力钉的受力情况相当复杂, 而且容易受到其他相关因素干扰. 文献4在对剪力钉推出试验的研究中, 将剪力钉采用实体单元模拟, 进行有限元接触分析, 取得较好的效果. 推出试验模型小, 构造简单, 且一般只对13枚剪力钉进行分析, 因此允许网格细化, 达到较好地计算精度. 但实际组合结构中剪力钉数目众多, 钢与混凝土自身的构造也较复杂, 如果采用实体单元模拟剪力钉, 将使计算量巨大, 更无法进行接触非线性有限元分析.

5、 因此, 需要在不影响整体受力性能的情况下, 对剪力钉的建模进行简化, 才能实现对大型钢2混组合结构的分析.一般组合结构中剪力钉的受力与变形如图1所示, 主要是承受剪力Q 、轴力F 和弯矩M 的共同作用, 同时混凝土的弹性变形又给剪力钉以弹性支撑作用. 图2a 为采用实体单元进行接触分析,得到在破坏荷载下的变形图; 图2b 为剪力钉推出试验后剪力钉的变形. 两者变形都显示, 在剪力钉焊点附近弯曲变形比较大, 远离焊点的部位几乎没有变形. 因此剪力钉变形基本可以分成2部分, 如图1b 所示, 靠近焊点长度为d 的部分变形较大, 其余部分变形则较小 .图1 剪力钉受力与变形示意图图2破坏时剪力钉计

6、算与实际变形对比根据实际剪力钉变形情况, 采用梁单元可以模拟剪力钉. 剪力钉单元一端与钢结构共用节点或约束耦合, 另外一端变形和受力较小, 可与混凝土共用节点或约束耦合. 由于剪力钉的变形沿轴向差异较大, 因此宜对剪力钉进行分段建模, 即将剪力钉单元分成至少2个单元进行模拟. 剪力钉在钢2混凝土界面上主要承受剪力以调节钢与混凝土之间的荷载分配, 为了与实际达到一致的效果, 采用梁单元模拟的剪力钉的剪切刚度应该与实际剪力钉的剪切刚度一致. 1. 3剪力钉推出试验模型剪力钉推出试验是类似于B S 5400, EC 4和 ECCS 中规定的标准推出试验, 其目的是为了测出剪力钉在混凝土中的P 2u

7、曲线和极限承载力. 模型构造如图3所示.根据直径10mm 剪力钉推出试验结果, 得到单钉极限承载力为38. 15, 37. 75, 41. 25kN . 剪力钉剪切刚度的计算采用文献5建议的刚度近似公式K si =d sh (-0. 0017f c (1 图3剪力钉推出试件构造式中:P m ax 为极限承载力; d sh 为剪力钉的直径; f c为混凝土的平均抗压强度; 为常数, 求平均剪切刚度时取0. 16, 求剪切刚度上、下限值时取0. 08和0. 24.求得3个试件平均剪切刚度的平均值为33. 5kN mm .1. 4有限元建模模型示意图如图4所示, 其中:L 为剪力钉的总长度; d 为

8、剪力钉弯曲段的长度. 剪力钉由2个单元和3个节点组成, 其中节点1与钢板节点共用节点, 节点3与混凝土节点2、节点4约束耦合, 节点6与混凝土节点5、节点7约束耦合. 通过初步计算, 发现节点3的位置(或d L 比值 对剪力钉剪切刚度影响较大. 为了使计算剪力钉的剪切刚度与实际一致, 需将d L 比值调整到合适值. 不同的d L 比值与计算得到的剪切刚度的关系曲线, 如图5所示. 根据曲线结果, 针对本模型中的直径×长度=10mm ×70mm 的剪力钉, d L 比值取0. 42 .图4 有限元模型示意图图5d L 比值与剪切刚度的关系曲线867武汉理工大学学报(交通科学与

9、工程版 2008年第32卷2试验模型分析舟山桃夭门大桥系主跨为580m 的混合梁斜拉桥, 为了掌握其钢2混结合段的受力情况, 专门制作模型进行研究. 模型设计依据相似理论对实桥钢与混凝土结合段进行模拟, 采用几何、物理以及边界条件相似来设计. 模型在高度方向选取12的比例尺, 宽度方向选取19的比例尺, 各细节均完全模拟实桥构造, 满足12 的比例缩尺.在荷载作用下, 当结合段的钢与混凝土连接 , 连接面的滑移.取底板上靠近混凝土梁的横断面进行分析, 其钢与混凝土的滑移情况如图6所示. 由图知, 在图6底板上沿横向滑移量分布情况底板上的钢与混凝土连接面在两端附近滑移量突然增大并达到最大, 中间

10、处的滑移量较小, 并呈波浪形分布. 由于底板上布置有剪力钉, 在剪力钉布置的位置滑移量较小, 而在没有布置剪力钉的空 挡处滑移量则相对较大.模型腹板上未布置剪力钉, 使腹板的滑移较大. 取结合段的左腹板沿着高度方向的断面, 其钢与混凝土连接面的滑移情况如图7所示. 由图知,图7腹板上沿竖直方向滑移量分布情况在腹板的钢与混凝土连接面上, 上下两端滑移最大, 并逐渐向中间递减. 模型的预应力筋和加载钢绞线主要布置在顶板和底板上, 腹板附近只布置了少量加载钢绞线. 使腹板的上下缘滑移较大, 而腹板中部由于受到较小的纵向力, 滑移量较小.取顶板上靠近混凝土梁侧的断面, 得到该连接面上钢与混凝土的滑移情

11、况如图8所示. 由图知, 顶板上钢与混凝土连接面的滑移在两端较大, 而在中间位置处滑移较小. 从顶板滑移量图看, 未发现类似底板的波浪型滑移曲线, 其原因在于该截面承受较大的负弯矩, 使截面上的摩擦较大, 影响了顶板上剪力钉群的受力分布.图8顶板上沿横向滑移量分布情况由于接触面上的摩擦力、剪力钉自身的抗剪刚度及结合段本身的构造, 使得滑移量与荷载的关系不是线性关系. 现分别计算模型在0. 3, 0. 7, 1, 1. 3, 1. 7倍设计荷载下的滑移量, 得到滑移量与荷载之间的关系如图9所示. 由图可知, 滑移量随着荷载的增加而增加, 但滑移量的增加幅度逐渐减小. 由于本模型主要承受压、弯荷载

12、, 结合段构造的原因, 在结合段处设置了较厚的横隔板, 使滑移增量随荷载逐渐减小.图9滑移量随荷载的变化规律3结束语1 用接触模拟钢2混凝土界面, 利用与实际剪力钉剪切刚度等效原则进行剪力钉建模, 可以较好地分析混合梁斜拉桥结合段的受力机理, 计算结果合理.2 在结构分析中为了节省模型计算时间, 对紧力钉只划分2个单元, 当模型不复杂的情况下, 可尝试增加网格密度, 提高计算精度. 同时, 目前计算模型中剪力钉的局部受力是否与实际结构真实应力完全符合, 还有待于进一步证实.参考文献1陈开利, 王戒躁. 舟山桃夭门大桥钢与混凝土结合段967第4期郑舟军, 等:混合梁斜拉桥结合段剪力钉受力机理研究

13、模型试验研究J . 土木工程学报, 2006, 39(3 :86290.2陈开利. 混合梁斜拉桥结合段的力学特性研究D .沈阳:东北大学资源与土木工程学院, 2006.3唐进, 叶梅新. 钢2混凝土组合结构中密集型剪力钉群的受力状态J . 长沙铁道学院学报, 1999, 17(4 :68273.4L am D . Behavi o r of headed stud shear connecto rs incompo sitebeamJ .Jou rnalofStructu reEngineering , 2005(1 :962107. 5Sh i m Chang 2Su , L ee P il

14、 2Goo .Static behavi o r oflarge stud shear connecto rs J . EngineeringStructu res , 2004, 26(12 :185321860.Study on M echan is m of Shear fo r in onof H yb rid (B rid g e S ina tie M ajor B rid g e E ng ineering G roup , W uhan 430034AbstractT he p resen t study investigated the si m u lati on m et

15、hod of steel concrete in terface and shear studs . U sing con tact connecti on to si m u late steel concrete in terface , the steel concretes structu re s gap , sli p and fricti on and so on w ere si m u lated by p enalty m ethod . Shear studs w ere si m u lated u sing p artiti onbeam elem en ts. B

16、ased on the resu lt of shear studs p u sh ing ou t test , th rough large scale fin ite elem en t softw are , the analysis of j o in ing secti on of hyb rid girder cab le Stayed b ridge the T aoyaom en B ridge in Zhou shan , Ch ina w ere carried ou t . T he sli p distribu ti on of its top board 、bo t

17、tom board and ven tral board and the relati on of sli p and load w ere go t .Key words :hyb rid girder ; j o in ing secti on ; shear studs ; steel concrete structu re(上接第766页D esign of Bank C redit M anagem en t System Based on J 2EEL i n W en sheng L eng X i angang M i n Juan juan(S chool of Co m p

18、 u ter S cience , W uhan U n iversity of T echnology , W uhan 430063AbstractM V C design p attern is in J 2EE p latfo rm s u sed m o re of a design m odel , the u se of Sp ring andH ibernate to bu ild Java W eb app licati on is the m o re generic developm en t strategy . T h is p ap er p resen ts th

19、e u se of th is developm en t strategy designed to ach ieve a bank credit m anagem en t system , described in the app licati on of the p rob lem s encoun tered and their so lu ti on s . O n the one hand , the cu rren t sound basis of bank credit info rm ati on is fu lly ab so rbed , credit info rm ati on to i m p rove the quality , standardized info rm ati on bu siness p rocesses and enhance the ab ility of credit bu siness statistical analysis conducted in -dep th discu ssi on s , in p reve