考虑剪切滑移效应的叠合梁有限元解
刘寒冰1, 时成林1,2, 谭国金1
1.吉林大学 交通学院,长春 130022
2.吉林省交通科学研究所 科研开发中心,长春 130012
通讯作者:谭国金(1981-),男,副教授,博士.研究方向:桥梁检测与加固.E-mail:tgj@jlu.edu.cn

作者简介:刘寒冰(1957-),男,教授,博士生导师.研究方向:桥梁检测与加固.E-mail:lhb@jlu.edu.cn

摘要

为了准确计算叠合梁在荷载作用下的受力、位移,基于弹性力学基本思想和接触理论推导了考虑剪切滑移效应的叠合梁的有限元解。利用该有限元解计算了集中荷载作用下的叠合梁挠度和交界面剪切滑移,并与试验结果进行了对比分析,结果表明:有限元解与试验结果能够较好地吻合,彼此具有较强的相关性,验证了有限元解的准确性和可靠性,为分析叠合梁受力和变形提供了新的计算手段,具有较高的实际推广价值。

关键词: 桥梁工程; 叠合梁; 有限单元法; 剪切滑移; 抗剪刚度
中图分类号:U441 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)03-0792-06
Finite element solution of composite beam with effect of shear slip
LIU Han-bing1, SHI Cheng-lin1,2, TAN Guo-jin1
1.College of Transportation,Jilin University,Changchun 130022, China
2.Scientific Research and Development Center,Jilin Provincial Transport Scientific Research Institute, Changchun 130012, China
Abstract

In order to accurately calculate the stress and displacement of composite beam under load, based on the elastic mechanics and contact theory, the finite element solution of the beam is derived, in which the effect of shear slip is considered. Using the finite element solution, the deflection and interface shear slip under concentrated loads are calculated. The calculation results are in good agreement with experimental results, which verifies the accuracy and reliability of the finite element solution. This finite element solution provides a new computing tool to analyze the stress and deformation of composite beams with shear slip.

Keyword: bridge engineering; composite beam; the finite element method; shear slip; shear stiffness

叠合梁是目前逐渐兴起的一种桥梁结构形式, 通常情况下由受拉性能好的钢梁和抗压性能好的混凝土顶板组成[1, 2, 3], 充分利用钢材和混凝土的优点, 相对于钢梁而言, 叠合梁的稳定、耐久性主要取决于桥梁各部分的协同受力[4, 5, 6, 7]。在组合梁的设计方面, 目前大多采用刚度折减法, 而在受力状态分析方面, 研究成果大多集中在某一特殊受力情况如竖向集中力和竖向均布荷载的受力状态分析, 尚未发现能够适合桥梁工程结构的具体工作状态的普遍适用的设计计算理论[8, 9, 10, 11, 12]

本文利用接触理论推导了考虑主梁与叠合梁顶梁的剪切滑移特性, 两部分协同受力的叠合梁在受到水平力和竖向力以及平面弯矩等外荷载作用下的有限元刚度方程。并与具体的试验结果进行了对比分析, 验证了本文给出的计算理论的正确性和可靠性。

1 计算公式的推导
1.1 基本假定

考虑钢-混组合梁的实际变形和受力状态。根据叠合梁的基本性质提出以下基本假定:①钢梁和混凝土板各自符合平截面假定; ②钢梁与混凝土板交界面处存在滑移, 交界面处传递的剪力集度与二者的水平位移差成正比; ③忽略钢梁与混凝土板交界面处的竖向掀起现象, 即在外力作用下二者的竖向位移、转角和曲率相同。

1.2 叠合梁位移函数的建立

1.2.1 基本位移函数

由于钢梁与混凝土板在水平方向不能协调变形, 叠合梁的位移包含三个基本未知函数 up, v, ub如图1所示, 其表达式为:

upx, z1=up0x+z1φxvx=vxubx, z2=ub0x+z2φx(1)

式中: ub0xup0x分别为外荷载作用下叠合梁主梁中性轴、顶梁中性轴的轴向位移; vx为叠合梁竖向位移; φx为叠合梁的转角, φx=dvx/dx

图1 横断面位移状态Fig.1 Displacement state of cross section

1.2.2 叠合梁的物理方程

根据材料力学的基本原理, 叠合梁的内力与位移之间的关系为:

Npx=EpApεp0x=EpApu'p0x(2)

Nbx=EbAbεb0x=EbAbu'b0x(3)

M0x=EppIpρx+EbIbρx=B0v″x(4)

式中: NpxNbx分别为叠合梁顶梁和主梁对应的轴向力, 轴力方向以受压为正、受拉为负; EpEb分别为叠合梁顶梁和主梁的弹性模量; IpIb分别为叠合梁顶梁和主梁的惯性矩; ApAb分别为叠合梁顶梁和主梁的横断面面积; ρx为叠合梁在 x截面处的曲率, ρx=vx, B0=EpIp+EbIb

叠合梁顶梁与主梁顶面之间的滑移量为:

Δux=ubux-upbx(5)

由式(1)和图1可知:

Δux=ub0x-up0x+φxz1b+z2u=ub0x-up0x+v'xzd(6)

式中: Zd=z1b+z2u

由基本假定可知, 混凝土铺装与主梁交界面处的剪力集度为:

qx=kΔux(7)

式中: k为交界面的剪切刚度。

联立式(6)(7)可解得:

qx=kub0x-up0x+v'xzd(8)

叠合梁微元体受力情况如图2所示。

图2 交界面微元体受力图Fig.2 Force state sketch of interface

由图2可知:

qx=-dNbdx=-EbAbub0xqx=dNpdx=EpApup0x(9)

1.2.3 叠合梁的平衡方程

根据内外力的平衡条件可知:

Mpx=M0x-Nbx×zd=  B0vx-EbAbu'b0x×zd(10)

式中: Mpx为外荷载产生的弯矩。

由式(8)(9)可得:

up0x=ub0x+v'xzd+EbAbkub0x(11)

由于弯曲梁单元轴力为零:

Npx=-Nbx(12)

由式(11)(12)得:

vx=-1zdEbAbkub0x+1+EbAbEpApu'b0x(13)

由式(10)(13)可得:

αub0x+βu'b0x=-zdB0Mpx(14)

式中: α=EbAbk; β=1+EbAbEpAp+EbAbzd2B0

解微分方程(14)可得:

u'b0x=a1cosRx+a2sinRx-zdB0Mpx(15)

式中: R=βα; a1, a2为待定系数。

1.3 叠合梁的有限元解

1.3.1 单元位移函数的建立

由式(15)可知, 在位移函数中含有 cosRxsinRx, 根据有限元基本理论, 可以将叠合梁中主梁的轴向位移函数设为:

ub0x=a1R2cosRx+a2R2sinRxup0x=-kAa1R2cosRx+a2R2sinRx(16)

式中: kA=EbAbEpAp

由式(16)可得:

u'b0x=a1RsinRx-a2RcosRx+a3u'p0x=-kAa1RsinRx+kAa2RcosRx+a5ub0x=-a1cosRx-a2sinRx+a3x+a4up0x=kAa1cosRx+kAa2sinRx+a5x+a6ub0x=-a1R3sinRx+a2R3cosRx(17)

由式(13)(17)可得:

vx=a1n1RsinRx-a2n1RcosRx-a3zd+a5zdv'x=-a1n1cosRx-a2n1sinRx-xa3zd+xa5zd+a7vx=-a1n1RsinRx+a2n1RcosRx-x2a32zd+x2a52zd+a7x+a8(18)

式中: n1=EbAbkzdR2-1+kAzd; a1~a8为待定系数。

设单元左结点为 i右结点为j则单元两端的结点位移分别为 u-biu-piφ-iv-i; u-bju-pjφ-jv-j, 由解式(17)(18)可得:当x=0时, u-bi=ub0u-pi=up0φ-i=v'0v-i=v0; x=l时, u-bj=ublu-pj=uplφ-j=v'lv-l=vl, 写成矩阵形式可表示为:

-10010000kA0000100-n100000100n1/R000001-cosRl-sinRll10000kAcosRlkAsinRl00l100-n1cosRl-n1sinRl-lzd0lzd010-n1RsinRln1RcosRl-l22zd0l22zd0l1a1a2a3a4a5a6a7a8=u-biu-piφ-iv-iu-bju-pjφ-jv-j(19)

式(19)可简写为:

Aa=δ-e(20)

式中: A为8阶方阵; a为待定系数列阵; δ-e为结点位移列阵。

由式(20)可解得:

a=C·δ-e(21)

式中: C=A-1为试探函数系数矩阵。

这样, 单元内任意点的位移可以表示为:

ub0(x)up0(x)v'(x)v(x)=-cos(Rx)-sin(Rx)x10000kAcos(Rx)kAsin(Rx)00x100-n1cos(Rx)-n1sin(Rx)-xzd0xzd010-n1Rsin(Rx)n1Rcos(Rx)-x22zd0x22zd0x1×C×δ-e=Nδ-e(22)

式中: N为试探函数矩阵。

1.3.2 单元的几何和物理方程

叠合梁单元的广义应变包括:顶板形心处的应变 εb(x)底板形心处的应变 εp(x)单元上任意一点的曲率 ρ(x)和交界面上的滑移量 Δu(x), 其中ρ(x)=d2v(x)dx2由式(7)(17)(18)(22)可得单元上任意一点的广义应变为:

εb(x)εp(x)k(x)Δu(x)=Rsin(Rx)-Rcos(Rx)100000-kARsin(Rx)kARcos(Rx)001000n1Rsin(Rx)-n1Rcos(Rx)-1/zd01/zd000-zdk1R2cos(Rx)-zdk1R2sin(Rx)010-1zd0×C×δ-e=εδ-e(23)

式中: ε为应变矩阵; k1=EbAbkzd

叠合梁单元的广义内力包括:上层梁的轴力、下层梁的轴力、弯矩和交界面剪力 q(x)叠合梁单元的广义内力用矩阵形式可表示为:

EbAbεb(x)EpApεp(x)(EbAb+EpAp)k(x)q(x)=δ-e(24)

式中: D=EbAb0000EpAp0000EbIb+EpIp0000k

1.3.3 单元的刚度方程

设叠合梁单元结点列阵为:

F-e=NbieNpieMieQieNbjeNpjeMjeQjeT(25)

单元的总势能可表示为:

π=0l12δ-eTεTδ-edx-δ-eTF-e(26)

根据弹性力学理论, 对总势能函数进行一阶变分, 可得到单元的刚度方程为:

δπ=δδ-eTK-eδ-e-δδ-eTF-e=0(27)

由式(26)可得:

K-eδ-e-F-e=0(28)

式中: K-e为叠合梁的单元刚度, 它可表示为:

K-e=0lεTDεdx(29)

2 叠合梁有限元解的验证

为了验证本文给出的有限元解的正确性, 将本文方法得到的图3所示组合梁的有限元解与文献[7]中的试验结果进行了对比, 结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出:当跨径为4 m, 横断面如图3所示的组合梁在距离跨中60 cm处对称作用有50 kN的竖向集中力时, 本文的有限元解与试验值有较好的一致性, 而且与解析解的计算结果几乎完全一致, 说明该数值解是可靠、合理的, 能够对叠合梁在竖向荷载作用下的抗弯性能进行合理的分析和计算。

图3 组合梁横断面(单位:mm)Fig.3 Cross section of composite beam

图4 试验梁的挠曲Fig.4 Deflection curve

图5 剪切滑移应变差Fig.5 Strain difference curve

3 叠合梁有限元解的应用

由于目前我国公路桥涵钢结构设计规范中有关组合梁的规定仍然采用容许应力法, 这就需要对钢-混凝土组合梁在线弹性范围内进行精确的分析和计算。为了说明叠合梁有限元解的应用推广价值, 本文以跨径为30 m+40 m+30 m的连续组合梁(横断面如图6所示)的典型特征截面的挠度和交界面的剪切力影响线进行了设计计算。

图6 连续组合梁横断面Fig.6 Cross section of composite continue beam

图7和图8分别为采用本文给出的有限元解计算得到的组合梁特征截面的挠度影响线和剪切力影响线。

图7 挠度影响线Fig.7 Deflection influence lines

图8 交界面剪切力影响线Fig.8 Interface shear influence lines

从图7可以看出:采用本文方法计算的钢-混凝土组合梁挠度影响线与单一梁的曲线形状一致, 只是在数值上有所差别。

本文首次给出了钢-混凝土组合梁交界面处的由于剪切滑移效应引起的交界面剪力影响线(见图8), 通过该影响线可以方便地计算汽车荷载作用下的交界面最大剪力, 为组合梁剪力连接件的设计提供了可靠的理论依据和设计手段, 为组合梁的进一步应用和推广奠定了良好的理论基础。

4 结 论

(1)结合叠合梁的受力特性, 利用接触理论推导了外力作用下在考虑剪切滑移效应时叠合梁的有限元解, 该有限元解适于各种变化截面、不同受力状态、叠合梁交界面不同的抗剪刚度条件下叠合梁计算, 包括挠度、位移、转角、曲率、剪切滑移应变差以及各部分内力等计算指标。

(2)经过在竖向荷载作用下叠合梁挠曲线和层间剪切滑移应变差有限元解计算值与试验值的对比分析, 证明了该算法是合理、准确的。

(3)给出了钢-混凝土组合梁交界面剪力影响线, 为组合梁的进一步推广提供了良好的技术设计手段。

(4)本文提出的叠合梁有限元解适合各种层间抗剪刚度条件, 可用此解计算桥梁钢桥面, 也可计算钢筋混凝土桥面的混凝土铺装层, 还可计算桥面沥青铺装层与混凝土层之间的力和位移, 只需要通过试验确定层间的抗剪刚度即可, 因此该有限元解可解决广义的叠合梁的内力计算, 具有更广的应用空间。

The authors have declared that no competing interests exist.

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