1、第32卷第4期2008年8月武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版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混合梁斜拉橋結(jié)合段剪力釘受力機(jī)理研究收稿日期:2008203216鄭舟軍:男, 27歲, 碩士, 主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)力學(xué)與施工控制鄭舟軍陳開利(摘要:. 用接觸來模擬鋼2混凝土、滑移及摩擦等, 采用梁單元模擬剪力釘, 并對(duì)剪力釘. , 通過大型有限元軟件, 對(duì)舟山桃夭門大橋鋼2混凝土結(jié)合段進(jìn)行分

2、析, 得出其底板、腹板和頂板的滑移量分布情況, 以及滑移量隨荷載的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞:混合梁; 結(jié)合段; 剪力釘; 鋼2混凝土組合結(jié)構(gòu)中圖法分類號(hào):U 441+. 4混合梁斜拉橋由于其主跨采用鋼梁, 所以具有跨越能力大的優(yōu)點(diǎn), 而邊跨采用混凝土梁, 起到了很好的錨固作用且可降低建橋成本. 但是混合梁斜拉橋鋼2混凝土結(jié)合段的設(shè)計(jì)中有關(guān)結(jié)合段的傳力途徑1、剛度匹配及剪力釘?shù)氖芰?, 一直都是工程實(shí)際中的難點(diǎn). 文獻(xiàn)3采用桁桿單元模擬剪力釘, 計(jì)算其所受剪力, 但無法計(jì)算其滑移量; 文獻(xiàn)4采用體單元模擬剪力釘, 雖能較好地模擬剪力釘?shù)氖芰突屏? 但由于計(jì)算能力限制, 只適合對(duì)剪力釘布置數(shù)目較少的推

3、出試件模型進(jìn)行分析, 無法滿足剪力釘布置數(shù)目較多的實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析. 不同于前兩者, 本文采用接觸來模擬鋼2混凝土之間界面, 并利用剪力釘推出試驗(yàn)結(jié)果, 采用梁單元以剪力釘剪切剛度等效原則簡化剪力釘模型, 對(duì)舟山桃夭門大橋的鋼2混凝土結(jié)合段模型進(jìn)行分析.1鋼2混凝土界面及剪力釘受力分析研究1. 1鋼2混凝土界面處理實(shí)際鋼2混凝土界面為相互接觸關(guān)系, 受拉時(shí)可能張開, 受壓時(shí)相互抵觸不穿透, 同時(shí)界面還存在一定的摩擦力. 傳統(tǒng)有限元節(jié)點(diǎn)之間只能相互約束或自由, 處理起來有一定困難.接觸屬于非線性約束問題. 通常, 對(duì)于接觸問題的描述抽象為產(chǎn)生接觸的2個(gè)物體無法滿足無穿透約束條件. 數(shù)學(xué)上研究無穿透

4、約束的方法有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、直接約束法. 本文利用罰函數(shù)法模擬鋼與混凝土的脫開、滑移及摩擦等. 1. 2剪力釘?shù)哪M剪力釘?shù)哪M也是鋼2混凝土組合結(jié)構(gòu)分析中的一個(gè)難點(diǎn), 實(shí)際剪力釘?shù)氖芰η闆r相當(dāng)復(fù)雜, 而且容易受到其他相關(guān)因素干擾. 文獻(xiàn)4在對(duì)剪力釘推出試驗(yàn)的研究中, 將剪力釘采用實(shí)體單元模擬, 進(jìn)行有限元接觸分析, 取得較好的效果. 推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ托? 構(gòu)造簡單, 且一般只對(duì)13枚剪力釘進(jìn)行分析, 因此允許網(wǎng)格細(xì)化, 達(dá)到較好地計(jì)算精度. 但實(shí)際組合結(jié)構(gòu)中剪力釘數(shù)目眾多, 鋼與混凝土自身的構(gòu)造也較復(fù)雜, 如果采用實(shí)體單元模擬剪力釘, 將使計(jì)算量巨大, 更無法進(jìn)行接觸非線性有限元分析.

5、 因此, 需要在不影響整體受力性能的情況下, 對(duì)剪力釘?shù)慕＿M(jìn)行簡化, 才能實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鋼2混組合結(jié)構(gòu)的分析.一般組合結(jié)構(gòu)中剪力釘?shù)氖芰εc變形如圖1所示, 主要是承受剪力Q 、軸力F 和彎矩M 的共同作用, 同時(shí)混凝土的彈性變形又給剪力釘以彈性支撐作用. 圖2a 為采用實(shí)體單元進(jìn)行接觸分析,得到在破壞荷載下的變形圖; 圖2b 為剪力釘推出試驗(yàn)后剪力釘?shù)淖冃? 兩者變形都顯示, 在剪力釘焊點(diǎn)附近彎曲變形比較大, 遠(yuǎn)離焊點(diǎn)的部位幾乎沒有變形. 因此剪力釘變形基本可以分成2部分, 如圖1b 所示, 靠近焊點(diǎn)長度為d 的部分變形較大, 其余部分變形則較小 .圖1 剪力釘受力與變形示意圖圖2破壞時(shí)剪力釘計(jì)

6、算與實(shí)際變形對(duì)比根據(jù)實(shí)際剪力釘變形情況, 采用梁單元可以模擬剪力釘. 剪力釘單元一端與鋼結(jié)構(gòu)共用節(jié)點(diǎn)或約束耦合, 另外一端變形和受力較小, 可與混凝土共用節(jié)點(diǎn)或約束耦合. 由于剪力釘?shù)淖冃窝剌S向差異較大, 因此宜對(duì)剪力釘進(jìn)行分段建模, 即將剪力釘單元分成至少2個(gè)單元進(jìn)行模擬. 剪力釘在鋼2混凝土界面上主要承受剪力以調(diào)節(jié)鋼與混凝土之間的荷載分配, 為了與實(shí)際達(dá)到一致的效果, 采用梁單元模擬的剪力釘?shù)募羟袆偠葢?yīng)該與實(shí)際剪力釘?shù)募羟袆偠纫恢? 1. 3剪力釘推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ图袅︶斖瞥鲈囼?yàn)是類似于B S 5400, EC 4和 ECCS 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn), 其目的是為了測出剪力釘在混凝土中的P 2u

7、曲線和極限承載力. 模型構(gòu)造如圖3所示.根據(jù)直徑10mm 剪力釘推出試驗(yàn)結(jié)果, 得到單釘極限承載力為38. 15, 37. 75, 41. 25kN . 剪力釘剪切剛度的計(jì)算采用文獻(xiàn)5建議的剛度近似公式K si =d sh (-0. 0017f c (1 圖3剪力釘推出試件構(gòu)造式中:P m ax 為極限承載力; d sh 為剪力釘?shù)闹睆? f c為混凝土的平均抗壓強(qiáng)度; 為常數(shù), 求平均剪切剛度時(shí)取0. 16, 求剪切剛度上、下限值時(shí)取0. 08和0. 24.求得3個(gè)試件平均剪切剛度的平均值為33. 5kN mm .1. 4有限元建模模型示意圖如圖4所示, 其中:L 為剪力釘?shù)目傞L度; d 為

8、剪力釘彎曲段的長度. 剪力釘由2個(gè)單元和3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成, 其中節(jié)點(diǎn)1與鋼板節(jié)點(diǎn)共用節(jié)點(diǎn), 節(jié)點(diǎn)3與混凝土節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)4約束耦合, 節(jié)點(diǎn)6與混凝土節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)7約束耦合. 通過初步計(jì)算, 發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)3的位置(或d L 比值 對(duì)剪力釘剪切剛度影響較大. 為了使計(jì)算剪力釘?shù)募羟袆偠扰c實(shí)際一致, 需將d L 比值調(diào)整到合適值. 不同的d L 比值與計(jì)算得到的剪切剛度的關(guān)系曲線, 如圖5所示. 根據(jù)曲線結(jié)果, 針對(duì)本模型中的直徑×長度=10mm ×70mm 的剪力釘, d L 比值取0. 42 .圖4 有限元模型示意圖圖5d L 比值與剪切剛度的關(guān)系曲線867武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與

9、工程版 2008年第32卷2試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鲋凵教邑查T大橋系主跨為580m 的混合梁斜拉橋, 為了掌握其鋼2混結(jié)合段的受力情況, 專門制作模型進(jìn)行研究. 模型設(shè)計(jì)依據(jù)相似理論對(duì)實(shí)橋鋼與混凝土結(jié)合段進(jìn)行模擬, 采用幾何、物理以及邊界條件相似來設(shè)計(jì). 模型在高度方向選取12的比例尺, 寬度方向選取19的比例尺, 各細(xì)節(jié)均完全模擬實(shí)橋構(gòu)造, 滿足12 的比例縮尺.在荷載作用下, 當(dāng)結(jié)合段的鋼與混凝土連接 , 連接面的滑移.取底板上靠近混凝土梁的橫斷面進(jìn)行分析, 其鋼與混凝土的滑移情況如圖6所示. 由圖知, 在圖6底板上沿橫向滑移量分布情況底板上的鋼與混凝土連接面在兩端附近滑移量突然增大并達(dá)到最大, 中間

10、處的滑移量較小, 并呈波浪形分布. 由于底板上布置有剪力釘, 在剪力釘布置的位置滑移量較小, 而在沒有布置剪力釘?shù)目?擋處滑移量則相對(duì)較大.模型腹板上未布置剪力釘, 使腹板的滑移較大. 取結(jié)合段的左腹板沿著高度方向的斷面, 其鋼與混凝土連接面的滑移情況如圖7所示. 由圖知,圖7腹板上沿豎直方向滑移量分布情況在腹板的鋼與混凝土連接面上, 上下兩端滑移最大, 并逐漸向中間遞減. 模型的預(yù)應(yīng)力筋和加載鋼絞線主要布置在頂板和底板上, 腹板附近只布置了少量加載鋼絞線. 使腹板的上下緣滑移較大, 而腹板中部由于受到較小的縱向力, 滑移量較小.取頂板上靠近混凝土梁側(cè)的斷面, 得到該連接面上鋼與混凝土的滑移情

11、況如圖8所示. 由圖知, 頂板上鋼與混凝土連接面的滑移在兩端較大, 而在中間位置處滑移較小. 從頂板滑移量圖看, 未發(fā)現(xiàn)類似底板的波浪型滑移曲線, 其原因在于該截面承受較大的負(fù)彎矩, 使截面上的摩擦較大, 影響了頂板上剪力釘群的受力分布.圖8頂板上沿橫向滑移量分布情況由于接觸面上的摩擦力、剪力釘自身的抗剪剛度及結(jié)合段本身的構(gòu)造, 使得滑移量與荷載的關(guān)系不是線性關(guān)系. 現(xiàn)分別計(jì)算模型在0. 3, 0. 7, 1, 1. 3, 1. 7倍設(shè)計(jì)荷載下的滑移量, 得到滑移量與荷載之間的關(guān)系如圖9所示. 由圖可知, 滑移量隨著荷載的增加而增加, 但滑移量的增加幅度逐漸減小. 由于本模型主要承受壓、彎荷載

12、, 結(jié)合段構(gòu)造的原因, 在結(jié)合段處設(shè)置了較厚的橫隔板, 使滑移增量隨荷載逐漸減小.圖9滑移量隨荷載的變化規(guī)律3結(jié)束語1 用接觸模擬鋼2混凝土界面, 利用與實(shí)際剪力釘剪切剛度等效原則進(jìn)行剪力釘建模, 可以較好地分析混合梁斜拉橋結(jié)合段的受力機(jī)理, 計(jì)算結(jié)果合理.2 在結(jié)構(gòu)分析中為了節(jié)省模型計(jì)算時(shí)間, 對(duì)緊力釘只劃分2個(gè)單元, 當(dāng)模型不復(fù)雜的情況下, 可嘗試增加網(wǎng)格密度, 提高計(jì)算精度. 同時(shí), 目前計(jì)算模型中剪力釘?shù)木植渴芰κ欠衽c實(shí)際結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力完全符合, 還有待于進(jìn)一步證實(shí).參考文獻(xiàn)1陳開利, 王戒躁. 舟山桃夭門大橋鋼與混凝土結(jié)合段967第4期鄭舟軍, 等:混合梁斜拉橋結(jié)合段剪力釘受力機(jī)理研究

13、模型試驗(yàn)研究J . 土木工程學(xué)報(bào), 2006, 39(3 :86290.2陳開利. 混合梁斜拉橋結(jié)合段的力學(xué)特性研究D .沈陽:東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 2006.3唐進(jìn), 葉梅新. 鋼2混凝土組合結(jié)構(gòu)中密集型剪力釘群的受力狀態(tài)J . 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào), 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頁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