溫差在鋼-混凝土疊合梁中的作用分析

□文/王方亮

溫差在鋼-混凝土疊合梁中的作用分析

□文/王方亮

鋼-混凝土疊合梁是采用抗剪栓釘（或稱剪力傳力器）將鋼梁和混凝土板結(jié)合在一起共同工作的一種組合梁。組合材料疊合梁的成功設(shè)計(jì)不同于單一材料，溫度的變化引起的鋼-混凝土疊合梁應(yīng)力分布的合理考慮是疊合梁得以設(shè)計(jì)實(shí)施，材料得以合理利用的一個關(guān)鍵，有必要進(jìn)行理論分析。文中首先分析了疊合梁溫差影響的力學(xué)設(shè)計(jì)思路并依托某疊合梁為設(shè)計(jì)背景進(jìn)行了試算。

鋼-混凝土；疊合梁；溫度力；滑移應(yīng)變；溫差

與傳統(tǒng)單一材料梁相比較，鋼-混凝土疊合梁充分發(fā)揮了鋼材受拉以及混凝土受壓的材料特性，鋼筋混凝土板與鋼梁有效連接在一起工作時，能夠增大組合結(jié)構(gòu)的剛度，減小鋼梁上翼緣的截面，在活載作用下組合梁的噪聲能夠大幅度減小，優(yōu)勢明顯，其經(jīng)濟(jì)、社會效應(yīng)均能得到體現(xiàn)［1］。因此疊合梁作為當(dāng)下橋梁設(shè)計(jì)的新寵，在多橋型方案比選中備受重視。

1　計(jì)算原理分析

由于鋼和混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的不同，外界溫度變化時，鋼-混凝土疊合梁結(jié)合面的應(yīng)力變化較敏感。工程中常用的栓釘連接是一種柔性連接。假設(shè)鋼與混凝土間的連接為絕對柔性，則有比較大的滑移現(xiàn)象，應(yīng)變被完全釋放，相應(yīng)溫差滑移應(yīng)變?yōu)?/p>

ε△t=αt·△t·L/L=αt·△t（視為不存在連接件）

式中：ε△t為兩種材料結(jié)構(gòu)結(jié)合面的滑移應(yīng)變；αt為溫度線膨脹系數(shù)（鋼材與鋼筋混凝土材料的線膨脹系數(shù)近似相等）；△t為溫差變化值（常規(guī)疊合梁取值為10～15°［2］）；L為鋼-混凝土疊合梁的跨長。

滑移產(chǎn)生與兩種材料結(jié)合面的應(yīng)變方向相反，混凝土與鋼的應(yīng)變分別為

式中：ε2為混凝土的應(yīng)變；ε3為鋼的應(yīng)變；T為溫差影響在兩種材料結(jié)合面處產(chǎn)生的同結(jié)合面方向的溫度力；Ec、Es分別為混凝土與鋼的材料彈模；Ac、As分別為混凝土與鋼的截面面積；y2、y3分別為混凝土板底面到混凝土板結(jié)構(gòu)形心軸的距離與鋼梁形心軸與其上翼緣板頂部的距離；W2、W3分別為混凝土板底對截面形心軸的截面抗彎模量與鋼梁上翼緣板頂部對鋼梁截面形心軸的截面抗彎模量。

無連接假設(shè)下的幾何變形協(xié)調(diào)條件為

從而得出應(yīng)變被約束下（有連接件）的溫度力值

據(jù)經(jīng)典材料力學(xué)公式［3］得出混凝土板上下板面以及鋼梁上下翼緣板面的溫差應(yīng)力

式中：W1、W4分別為混凝土板頂對截面形心軸的截面抗彎模量與鋼梁下翼緣板頂部對鋼梁截面形心軸的截面抗彎模量。

2　工程算例

跨薊汕高速橋是天津地區(qū)新楊北公路設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)工程，分左右兩幅，位于天津塘沽段（西起塘黃路，東至港城大道）。取左幅橋梁單主梁截面進(jìn)行溫度力（文中僅介紹升溫，降溫同理）分析，見圖1。

圖1　混凝土疊合梁斷面

溫度力求解：

分別求解圖1中疊合梁斷面的①、②、③、④四個點(diǎn)（分別代表了混凝土板上、下板面處以及鋼梁上、下翼緣板面處位置）的溫度應(yīng)力，見圖2。

圖2　應(yīng)力分布

溫度變化影響到兩種材料間產(chǎn)生了正負(fù)不同的應(yīng)力分布，其值與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較吻合。

沿疊合梁跨長方向，剪力連接件的合理布置使得鋼與混凝土結(jié)合面的溫差滑移應(yīng)變難被釋放，可認(rèn)為在跨中大部分區(qū)段內(nèi)T為一個常量值。設(shè)計(jì)中考慮到在疊合梁的端部邊界區(qū)段連接件布置的空缺，存在無約束的滑移，即邊界條件T=0，溫度應(yīng)力也為0，此邊界區(qū)段的長度與疊合梁中兩種材料的溫度伸長值相關(guān)，摩阻力以及跨中大部分區(qū)域連接件的存在使得溫度力從0到T值的過渡區(qū)段＜αt·△t·L/2，也即T顯著變小直至到0的區(qū)段很小，據(jù)此在設(shè)計(jì)中沿全跨的溫差應(yīng)力按照上文計(jì)算所得結(jié)果來考慮較合理。

3　結(jié)論

1）在鋼-混凝土疊合梁中，混凝土部分對環(huán)境溫度變化的反應(yīng)慢，其導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼材部分的1/50左右，鋼-混凝土疊合梁必須考慮溫差引起的鋼梁與混凝土板梁結(jié)合面處產(chǎn)生的溫度力。

2）文中首先具體闡述了鋼-混疊合梁溫差影響的受力特點(diǎn)，假定了溫差在鋼與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生的滑移應(yīng)變被完全約束，利用變形協(xié)調(diào)條件導(dǎo)出溫度力大小，快捷求得溫度應(yīng)力。

［1］周履，陳永春.收縮徐變［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［2］葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［3］鄭修麟.工程材料的力學(xué)行為［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

U443.35

C

1008-3197（2016）04-66-02

2016-01-18

王方亮/男，1988年出生，助理工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.026