组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析

组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析 组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较 分析 第3卷第2期 2O06年4月 铁道科学与工程 JOURNALOFPAlI\^YSCIENCEANDENGINEERING Vo1.3No.2 Apt.2006 组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析 李运生'-一.王元清,石永久',张彦玲 (1.清华大学土木工程系,北京100084;2,石家庄铁道学院土木工程分院,河北石家庄0513043; 3.北京交通大学土木建筑学院,北京100044) 摘要:在进行钢一混凝土组合梁设计分析时,考虑到剪力滞效应的影响,常采用翼缘有效宽度的概念计算组合结构的应 力和变形.就国内外不同规范对翼缘有效宽度的规定进行了比较,指出了制订翼缘有效宽度所考虑的基本因素,阐明了我 国规范和其他规范的差别,并指出我国规范的不足之处. 关键词:桥;组合梁;规范;有效翼缘宽度;等效跨度 中图分类号:U488文献标识码:A文章编号:1672—7029(2006)02一oo34一cI5 Acomparativeanalysisofeffectiveflangewidthincompositebridges betweendomesticandforeignspecifications 1,1Yun.sheng'--,WANGYuan.qing,SHIYong-jiu',ZHANGYan—ling3 (1.DepartmentofCivilEngin~ring,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; (2.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,Chin al (3.SchoolofCivil&A.~hitecturalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing10 0044,China) Abstract:Inthedesignofsteel—concretecompositebridges,shearlageffectsconsidered,theeffectflangewidthcon- eeptisusedtoanalyzethedefectionsandstressesofbe舢sThroughcomparisonoftheeffectflangewidthprovisionsbe— tweenseveralcountriesthispaperpointsout,thebasicfactorsinlayingouttheeffectiveflange widthprovisionsand theshortcomingsofChinesecode. Keywords:bridge;steel—-concrete;specification;effectiveflangewidth;effectivespan l概述 由于施工便捷迅速,造型优美,钢一t昆凝土组 合桥梁在我国城市桥梁中得到广泛应用.桥梁截 面和结构形式多种多样,但在组合梁设计中,我国 规范中关于混凝土翼缘板有效宽度的规定较为简 单,考虑的因素不全面.本文根据国内外的相关规 定,对组合钢桥翼缘有效宽度进行了比较分析,指 出了制定翼缘有效宽度的基本依据和影响因素. 组合梁受力发生变形时,混凝土翼缘板内的剪 应变使翼缘板发生剪切变形,造成在板宽范围内的 正应力分布不均匀,这种现象称为"剪力滞效应". 在钢一混凝土桥梁设计中,为了避免进行复杂的三 维空间分析,常将结构简化为二维平面的梁来处 理,假定在翼缘的一定范围内,弯曲正应力均匀分 布,这一等效宽度称为有效翼缘宽度,如图1所示. 图1有效翼缘宽度的概念 Fig.1Conceptofeffectiveflangewidth 收稿日期:2006—01—15 作者简介:李运生(1970一),男,河南汝南人,副教授,博士后,从事桥梁结构分析及桥梁振动研究 第2期李运生,等:组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析35 等效作用力与实际作用力相同,有效翼缘宽度 26可以表示为: 2.? 式中:b为单侧翼缘有效宽度;2b为钢梁间距;ax 为混凝土翼缘板正应力. 有效翼缘宽度不仅随结构几何尺寸的不同而 显着变化,而且还与荷载及支撑等条件有关.从公 式(1)可以看出,有效翼缘宽度是沿纵桥向和横 桥向Y的函数,因此有效翼缘宽度和荷载位置有 关,特别是在公路桥梁荷载中,车辆荷载在桥面的 不同位置对有效翼缘宽度有一定的影响.文献[1 , 5]都对不同情况下组合梁有效翼缘宽度进行了 研究.根据试验和粱板效应的理论分析结果,不同 国家规范都对有效翼缘宽度规定简洁实用的条款. 每一种规范都隐含了一个基本公式,即简支组合梁 的有效翼缘宽度,对于连续梁结构,常分为边跨,中 跨和支承处几部分,分别按简支梁计算.下面就不 同规范的规定进行比较. 2简支组合梁有效翼缘宽度的基本 规定 对于简支钢混凝土组合梁的有效翼缘宽度, 不同国家的规范采用了不同的方式,如条文, 或公式等形式,下面就有效翼缘宽度的基本公式进 行比较. 2.1国内外规范的相关规定 86) 2.1.1中国规范(JTJ025— 我国"公路桥涵钢结构及木结构设计规范_6J'' 采用的设计方法为容许应力法,关于结合梁翼缘有 效宽度的规定与美国规范类似,有效翼缘宽度取下 列3种宽度中最小者:1)桥梁计算跨径的1/3;2)两 相邻梁轴线间的距离s;3)桥面板承托以外加12倍 钢筋混凝土板厚(当无承托时,则取钢梁上翼缘的 宽度).我国规范关于组合梁有效翼缘板的规定与 外部荷载类型无关,与结构形式和部位也无关. 2.1.2美国规范(AASHTO) 有2种有效翼缘板宽度的规定,即内梁和外 梁,对内梁的规定(4.6.2.6)条如下lJ:采用下列规 定的最小值:1)1/4的有效跨径,2)12t+较大的腹 板厚度或一半钢梁顶板宽度,t为平均板厚;3)两 相邻梁的平均间距;特别指明了该项规定适用于所 有极限状态的抗力计算. 在(5.2.3)条规定【8j翼缘有效宽度为腹板两 侧翼缘有效宽度之和,腹板间翼缘有效宽度b= Wb,b为腹板中心距之半;腹板外侧部分b=0. 85W,b为翼缘外侧到腹板中心之距.规范分3种情 况用3个表给出了翼缘有效宽度之比,分别是简 支梁,悬臂梁和连续梁(内跨),每一种情况的按宽 跨比b/l在梁的支点,1/4跨和跨中分别给出了不 同的值,其中又分集中荷载和均布荷载2种工况. 2.1.4欧洲规范(Eurocode4) 欧洲4规范【]的有效翼缘宽度是根据弹性分 析得出的,可以用于塑性或非线性分析中.当进行 弹性分析时,全跨用同样的有效宽度.欧洲4规范 的有效翼缘宽度由两部分组成,中间和悬臂部分, 但中间宽度为剪力键的宽度.单侧翼缘有效宽度规 定为Zo/8,且不大于b,Zo为梁弯矩为零点的间距. 规范考虑了在边跨翼缘有效宽度的减小,给出在端 支撑处单侧翼缘有效宽度的减小系数: , = (0.55+0.025)?1.0.(2) 式中是边跨的等效跨长. 2.1.5加拿大规范 "加拿大公路桥梁设计规范【3J"采用公式定义 的翼缘有效宽度,可用于承载能力极限状态和正常 使用极限状态,翼缘有效宽度由两部分组成,中间 部分和悬臂部分,中间部分等于钢梁翼缘宽度,悬 出部分按下式确定: 鲁=l_[1一]当砉?15时; 百De=1j百L?15时.(3) 式中:为简支梁的跨长或恒载作用下正负弯曲区 域的长度;B为有效宽度(悬出或单侧);B为左 侧,右侧悬臂长度.加拿大规范的形式简单,可用于 肋板式和箱梁桥. 2.1.6日本规范 日本"公路桥梁设计规范[3]"采用单侧翼缘有 效宽度的形式来定义的,是在分析和试验的基础 上得到的.有效翼缘宽度根据不同的荷载形式采用 不同的公式. 在均布荷载作用下简支梁的有效翼缘宽度为: ^ = b,当专?0.05时; [1.1—2号]b,当0.05?<0.3时; : 0.15z,当0.3?季时.(4) 在集中荷载作用下为: 36铁道科学与工程2006年4月 = b,当?0.02时; : E1.06—3.2(号)十4.5(号)]b,当0.02 h ?专<0.3时; ^ =o.15z,当0.3?时.(5) 式中:为单侧翼缘宽度,ca;b为腹板间距之半或 悬臂宽度,em;Z为等效跨度,cm.在连续梁的中问 支撑处采用集中荷载的公式,因为两者的弯矩分布 相似,均为三角形. 2.2比较分析 根据各国规范对简支组合梁有效翼缘宽度的 具体规定,每种规范的基本特征见表l. 假定腹板一侧翼缘的宽度为b为1.0m和2.0 m,钢梁上翼缘宽度0.6m,混凝土的板厚0.25m, 梁的有效跨度为550m,可以根据各国规范的具 体规定,给出单侧翼缘有效宽度6/6和L/b的关 系,见图2.其中各国规范均按简支梁在均布荷载 下跨中有效分布宽度计算;Eurocode4假设最外侧 剪力键的间距d0=0.4in. 根据图2可以看出: 1)在混凝土板宽度较小时(b<1.5m),中国 规范有效翼缘宽度最大,随混凝士板的宽度增大 (b=2.0in)时,欧洲4规范有效翼缘宽度最小,加 拿大规范较大. 2)当L/b等于6时,中国规范有效翼缘宽度等 于截面全宽,而美国和欧洲4规范为8,加拿大规范 为15,日本规范为20. 表1各国规范的比较 Table1Flangeeffectwidthcomparisionamongseveralspecifications 有效宽度6e中}l4美国英国欧洲加拿大日本 3)当混凝土板的宽度增大到2.0m时,中国和 美国规范均达不到全宽,欧洲4达到全宽时L/b: 16;随L/b增大,加拿大和英国规范的有效翼缘宽 度接近于全宽. 4)在设计方法上,中国规范采用容许应力法, 其他国家规范均采用极限状态法,事实上,在承载 能力极限状态计算时翼缘有效宽度b要大于正常 使用极限状态. l- 0. 宝0. 0- 0. 1?l 0?9 仉 O_5 0_3 0.1 05l0l52025 6 图2简支梁有效翼缘宽度的比较 Fig.2Flangeeffectwidthcomparision 3连续梁有效翼缘宽度 _,, 从各国规范关于存效翼缘宽度的规定可以看 出,简支组合梁的有效翼缘宽度主要与跨度,和混 凝土板宽度b有关,在研究连续梁有效翼缘宽度 时,国外规范是在简支组合梁规定的基础上,根据 连续梁中正负弯矩区的受力性质不同,将连续梁分 成不同长度的简支梁处理,相应简支梁的长度称为 等效跨度. 3.1等效跨度Zn 有效翼缘宽度的规定,各国规范基本是依简支 组合梁的受力分析得到,对于连续梁,将正负弯矩 分开考虑,将全梁分为边跨,中跨和支撑处3个部 分,把边跨和中跨视为独立的简支梁,支座处视为 承受集中荷载的简支梁,采用"等效跨度"的概念 确定每一跨的长度(见图3). 0.8Lio.2(L+io.6/.2i0.2(0.8L~ I..:!:些 日本 — 0.25(— LI+/-~—o.8L,加拿大 4 图3等效跨度 Fig.3Effectspan 第2期李运生,等:组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较分析37 美国规范按照均布荷载作用下的弯矩图,根 据反弯点的长度确定每一部分的等效跨度Z.;其他 规范以固定的跨度比确定等效跨度z,加拿大,日 本和欧洲4规范均给出了不同的等效跨度;英国 BS5400规范没有等效跨长的概念;中国规范也没 有等效跨度的概念. 加拿大,日本和欧洲4规范规定边跨等效跨度 z.为相应跨度的80%;中跨等效跨度跨为60%,但 欧洲4规范为70%;中间支撑处等效跨度z,日本 规范为相邻两跨跨度之和的20%,加拿大和欧洲4 规范为25%;美国规范由于是根据反弯点确定等 效跨度z.,所以z.是变化的. 3.2连续梁中间支撑处的有效翼缘宽度 采用三跨连续梁进行比较,边跨L为5,50 m,中跨跨度为边跨的1.2倍;梁间距为16m;桥 面板采用厚度O.25m,无梗肋;钢梁上翼缘宽度 0.6m,剪力键间距为0.4m;由于中国规范没有连 续梁支撑处的规定,参考中国"公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD60---2004)"的 相关规定,假定支点处的等效跨度为0.21(L+ L2),有效翼缘宽度按现行规范计算.在以上条件 下,单侧翼缘有效宽度的比值6/6在不同b和L下 的等高线如图4所示. (a)一中国规范;(b)一美国AASH1O;(c)一欧洲(Eurcode4);(d)一加拿大规范;(e)一英 国BS5400;(f)一日本规范 图4中间支承处有效翼缘宽度比(6/b)的等高线 Fig.4Contoursofeffectiveflangewidthratios(be/b)ininternalsupportregions. 对等高线的比较可知:1)在跨度L和梁间距b很小时,中国,美国和 38铁道科学与工程2006年4月 欧洲4规范的规定基本相同; 2)随L和b的增大,美国和中国规范的规定比 值不变; 3)在梁间距26大于1in时,英国BS5400规范 和日本规范没有等于1的等高线,表明有效翼缘宽 度比其他规范的小; 4)值为1的等高线包围的面积越小,表明这 种情况出现的几率越小,包围的面积越大,使用的 概率就越高.说明欧洲4规范所规定的有效翼缘 宽度最大,英国的有效翼缘宽度最小. 5)加拿大和日本均采用公式的形式定义翼缘 的有效宽度,但13本规定的有效翼缘宽度相对较 小. 连续组合梁不同的有效翼缘宽度直接影响到 梁的换算截面特性,从而使组合梁的内力发生变 化.如果有效翼缘宽度较小,则会使钢梁截面增 大;若有效翼缘宽度较大,钢梁截面会相对变小.从 而使负弯矩混凝土板承受较大的拉应力,易使混凝 土板开裂,需要较多的配置普通钢筋.合理的翼缘 有效宽度应该从结构安全和经济的角度定义. 4结论 1)将国内外几种不同规范关于组合梁桥翼缘 有效宽度的规定进行了比较,国外规范均隐含了一 个基本规则:简支组合梁的基本规定和等效跨度的 概念. 2)在简支梁的基本公式中,我国的规定和美 国,欧洲4的规定接近.当钢梁的间距较小时,我 国规定的翼缘有效宽度最大;钢梁间距较大时.欧 洲4规定的翼缘宽度最小. 3)在处理连续组合梁的有效翼缘宽度时,国 外规范将连续梁按等效跨度分为若干段,每一段按 简支梁处理.我国规范关于组合梁有效翼缘宽度 的规定是针对简支梁的,现行规范没有连续梁相应 的规定,没有等效跨度的概念. 4)组合梁有效翼缘宽度不仅与结构的尺寸b 和L有关,更重要的是与荷载作用下的结构受力特 性有关,我国规范没有考虑荷载类型的变化. 参考文献: l1]AmadioC,FragiacomoM.Effectivewidthevaluationforsteel — concretecompositebeamslJJ.JournalofConstructional SteelResearch,2002,58:373—388. 12JNIEJian-guo,TIANChun—yu.Effectivewidthandrigidityof steel—concretecompositebeam.Theeighthinternational symposiumonstructuralengineeringforyoungexperts[C]? Xi'an:2004:64—71. 13JAhnI1一Sag.Effectiveflangewidthprovisionforcomposite steelbridges[J].EngineeringStructures,2004(26):1843 — 1851. 14]AmadioC.Experimentalevaluationofeffectivewidthinsteel — concretecompositebeamsIJJ.JournalofConstructional SteelResearch,2004(60):199—220. [5]聂建国,田春雨.钢一混凝土简支组合梁塑性阶段有效 宽度分析[J].铁道科学与工程,2OO4,1(1):39— 41. NIEJian—guo,FIANChun—yu.Plasticanalysisofefective compositebeamwidth[Jj.JournalofRailwayScienceandEn— gineering,2004,l(1):39—41. [6]JTJ02586,公路桥涵钢结构及木结构设计规范[s]. JTJ025--86,Steelandtimberstructure. designcodeofhigh- waybridge[S]. [7]AASHTO.AASHTOLRFDbridgedesignspecifications[S]. 18jBSI.Part5.Codeofpracticefordesignofcompositebrig. BS5400steelconcreteandcompositebridges[S]. 19JEurocode4,Designofcompositesteelandconcrete8truc— tures,PartI.1lSJ.