CN109241604A - 考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑滑移作用的钢‑混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法，该方法包括以下步骤：一、确定钢‑混组合梁参数，计算滑移后的刚度折减系数；二、计算建立有限元模型所需边界条件的参数，即不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度，扭转弹簧扭转刚度；三、对竖向弹簧支撑刚度进行折减，扭转刚度保持不变；四，根据设计需要建立不同的有限元模型，根据实际移动荷载情况施加荷载；五、计算该有限元模型，读取各梁支反力大小，该值即为各梁的横向分布系数。本发明方法考虑了滑移作用对钢‑混组合梁横向分布系数的影响，结果精确和有效，适用性广。

Description

考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算 方法

技术领域

本发明涉及桥梁设计技术，尤其涉及一种考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法。

背景技术

现阶段桥梁设计中，常使用横向分布系数来将多梁式桥梁转变为单梁式桥梁来计算。计算横向分布系数的常用方法有偏心压力法、修正偏心压力法、刚接梁法等等。钢-混组合梁由于其采用剪力键将砼面板及钢主梁连接，在荷载作用下存在滑移作用，传统横向分布计算方法计算有一定误差。现阶段部分研究者提出了考虑滑移的横向分布系数计算方法，该方法通过考虑钢-混组合梁的附加挠度建立力法方程得出，针对刚接梁法，该方法较为复杂，对于设计人员基础知识要求较高，应用不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法，包括以下步骤：

1)确定钢-混组合梁桥的参数，根据参数确定钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ；所述参数包括:钢材弹性模量；组合梁未开裂截面惯性矩；混凝土板面积；钢梁截面面积；钢梁截面惯性矩；混凝土面板截面惯性矩；钢梁截面形心到混凝土板截面形心距离；组合梁截面高度；组合梁跨度；连接件刚度系数；连接件的平均间距；连接件在一根梁上的列数；钢材与混凝土弹性模量的比值；

2)计算建立有限元模型所需边界条件的参数，该参数包括不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度k_w及扭转弹簧扭转刚度k_θ；

3)对竖向弹簧支撑刚度进行折减，扭转刚度保持不变，获得竖向弹簧折减支撑刚度

4)根据设计方法需要建立不同的有限元模型，根据实际移动荷载情况施加荷载；所述设计方法包括刚接梁法、刚性横梁法或修正的刚性横梁法；具体如下：

有限元模型中，单元截面宽度采用1m宽，每根主梁横向分为至少两个单元，竖向弹簧竖向刚度即步骤3)中竖向弹簧折减支撑刚度扭转刚度即步骤2)中的扭转刚度k_θ；移动荷载依设计需要根据相应的规范进行取值；

若使用刚接梁法，则单元截面高度采用钢-混组合梁桥面板高度，下方根据需要增加竖向弹簧；

若使用刚性横梁法或修正的刚性横梁法则采用一个预设的高度值(建议大于10m)，下方根据需要增加竖向弹簧及扭转弹簧；

5)计算步骤4)中建立的有限元模型，读取各梁支反力大小，该值即为各梁的横向分布系数。

按上述方案，所述步骤1)中钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ采用以下公式计算：

其中，

式中：E为钢材弹性模量；I_un为组合梁未开裂截面惯性矩；A_c为混凝土板面积；A为钢梁截面面积；I_s为钢梁截面惯性矩；I_c为混凝土面板截面惯性矩；d_sc为钢梁截面形心到混凝土板截面形心距离；h为组合梁截面高度；L为组合梁跨度；k为连接件刚度系数；p为连接件的平均间距；n_s为连接件在一根梁上的列数；n₀为钢材与混凝土弹性模量的比值。

按上述方案，所述步骤2)中计算不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度k_w及扭转弹簧扭转刚度k_θ；其公式为：

式中：G为组合梁剪切模量；L为组合梁跨度；I_un为组合梁未开裂截面惯性矩；I_T为组合梁截面扭转惯性矩。

本发明产生的有益效果是：

其一，考虑了滑移作用对钢-混组合梁横向分布系数的影响，与不考虑影响的方法对比更加精确和有效。

其二，本发明具有良好的兼容性，折减系数为规范推荐算法，同时有限元方法在设计中极为常见，可减少设计人员学习成本。

其三，本发明与传统方法比，适用性广，通过更改截面属性及约束条件，可适用与不同的方法(刚性横梁法，修正的刚性横梁法，刚接梁法)。另外，除了新建桥梁，也可用于使用钢-混组合梁加宽的桥梁。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法，包括以下步骤：

步骤一、确定钢-混组合梁桥的参数，根据参数确定钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ；所述参数包括:E为钢材弹性模量；I_un为组合梁未开裂截面惯性矩；A_c为混凝土板面积；A为钢梁截面面积；I_s为钢梁截面惯性矩；I_c为混凝土面板截面惯性矩；d_sc为钢梁截面形心到混凝土板截面形心距离；h为组合梁截面高度；L为组合梁跨度；k为连接件刚度系数；p为连接件的平均间距；n_s为连接件在一根梁上的列数；n₀为钢材与混凝土弹性模量的比值。；

钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ采用以下公式计算：

其中，

步骤二、计算建立有限元模型所需边界条件的参数，该参数包括不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度k_w及扭转弹簧扭转刚度k_θ；

其公式为：

式中：

k_w——竖向弹簧支撑刚度；

k_θ——扭转弹簧扭转刚度；

G——组合梁剪切模量；

I_T——组合梁截面扭转惯性矩。

步骤三、对竖向弹簧支撑刚度进行折减，扭转刚度保持不变。其原因在于滑移作用主要影响桥梁纵向的刚度，不影响截面的抗扭刚度。其公式为：

式中：

——竖向弹簧折减支撑刚度。

步骤四、根据设计方法需要建立不同的有限元模型，根据实际移动荷载情况施加荷载；具体如下：

有限元模型中，单元截面宽度采用1m宽，每根主梁横向分为至少两个单元，竖向弹簧竖向刚度即步骤3)中竖向弹簧折减支撑刚度扭转刚度即步骤2)中的扭转刚度k_θ；移动荷载依设计需要根据相应的规范进行取值；

若使用刚接梁法，则单元截面高度采用钢-混组合梁桥面板高度，下方根据需要增加竖向弹簧；

若使用刚性横梁法或修正的刚性横梁法则采用一个预设的高度值(建议大于10m)，下方根据需要增加竖向弹簧及扭转弹簧；

在该步骤中，采用刚性横梁法及修正的刚性横梁法更加适用于窄桥(宽跨比小于0.5时称为窄桥)，在钢-混组合梁实际应用中，当采用双主梁时可采用该两种方法计算较为准确。若主梁数大于2，则推荐使用刚接梁法，使用前两种方法误差较大。

步骤五、计算该有限元模型，读取各梁支反力大小，该值即为各梁的横向分布系数。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种考虑滑移作用的钢-混组合梁桥横向分布系数有限元计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定钢-混组合梁桥的参数，根据参数确定钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ；所述参数包括:钢材弹性模量；组合梁未开裂截面惯性矩；混凝土板面积；钢梁截面面积；钢梁截面惯性矩；混凝土面板截面惯性矩；钢梁截面形心到混凝土板截面形心距离；组合梁截面高度；组合梁跨度；连接件刚度系数；连接件的平均间距；连接件在一根梁上的列数；钢材与混凝土弹性模量的比值；

2)计算建立有限元模型所需边界条件的参数，该参数包括不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度k_w及扭转弹簧扭转刚度k_θ；

3)对竖向弹簧支撑刚度进行折减，扭转刚度保持不变，获得竖向弹簧折减支撑刚度

4)根据设计方法需要建立不同的有限元模型，根据实际移动荷载情况施加荷载；所述设计方法包括刚接梁法、刚性横梁法或修正的刚性横梁法；具体如下：

有限元模型中，单元截面宽度采用1m宽，每根主梁横向分为至少两个单元，竖向弹簧竖向刚度即步骤3)中竖向弹簧折减支撑刚度扭转刚度即步骤2)中的扭转刚度k_θ；移动荷载依设计需要根据相应的规范进行取值；

若使用刚接梁法，则单元截面高度采用钢-混组合梁桥面板高度，下方根据需要增加竖向弹簧；

若使用刚性横梁法或修正的刚性横梁法则采用一个预设的高度值，下方根据需要增加竖向弹簧及扭转弹簧；

5)计算步骤4)中建立的有限元模型，读取各梁支反力大小，该值即为各梁的横向分布系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中钢-混组合梁考虑滑移后的刚度折减系数ζ采用以下公式计算：

其中，

式中：E为钢材弹性模量；I_un为组合梁未开裂截面惯性矩；A_c为混凝土板面积；A为钢梁截面面积；I_s为钢梁截面惯性矩；I_c为混凝土面板截面惯性矩；d_sc为钢梁截面形心到混凝土板截面形心距离；h为组合梁截面高度；L为组合梁跨度；k为连接件刚度系数；p为连接件的平均间距；n_s为连接件在一根梁上的列数；n₀为钢材与混凝土弹性模量的比值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中计算不考虑滑移的桥梁竖向弹簧支撑刚度k_w及扭转弹簧扭转刚度k_θ；其公式为：

式中：G为组合梁剪切模量；L为组合梁跨度；I_un为组合梁未开裂截面惯性矩；I_T为组合梁截面扭转惯性矩。