基于簇钉连接的组合梁横联间距及簇钉间距对荷载横向分布系数影响的研究

基于簇钉连接的组合梁横联间距及簇钉间距对荷载横向分布系数影响的研究

杨心怡、姜煜、曹渐寒、任逸哲

东南大学土木工程学院  江苏南京  211189

 

摘要：组合梁横联间距与簇钉排间距将对其荷载横向分布产生一定影响。本文通过Midas有限元软件建模，选择单点加载方式，取跨中挠度计算得出不同横联间距及簇钉排间距下结构的荷载横向分布系数,为实际工程依自身要求提供选择横联间距和簇钉排间距的依据。横联能加强结构整体性，故有利于横向荷载分布的合理性，而簇钉排间距与横向受力分布的合理性不存在明显的正相关关系。

关键词：组合梁；横联间距；簇钉排间距；荷载横向分布




1、前言

基于簇钉连接的组合梁是指钢梁与混凝土板以簇钉作为剪力连接件组合而成的能够共同受力、变形协调的一种结构形式，在建筑与桥梁领域具有广阔的应用前景。由于其使用簇钉连接，大大减少了现浇区块面积，可加快施工速度。目前该种形式多见于欧美国家。组合梁横联间距与簇钉排间距将对其荷载横向分布产生一定影响。目前国内计算分析时认为桥面板与钢梁完全组合，即异性材料界面间无滑移，这样计算出的荷载横向分布系数必然是不准确的。而横联间距对结构整体性有一定影响，所以横联间距的不同也将影响到荷载横向分布规律。本文就横联间距及簇钉排间距对荷载横向分布系数的影响进行研究，期望能对工程上横向分布系数的计算有一定帮助。

对上述问题的研究，本文采用有限元法。利用针对土木结构的有限元软件Midas进行建模，以分析横联间距及簇钉排间距对结构荷载横向分布的影响。

2、分析方法和计算模型

建立一单跨简支组合梁桥模型，桥面板与钢梁间采用点连接，以模拟簇钉连接。梁（①-⑤）、簇钉排（a-l）及横梁（A-E）编号如图1所示。考虑到实际施工中，由于该类桥梁采用装配式施工，桥面板为工厂预制后到现场拼装，单块预制板簇钉排间距相同，接缝处簇钉间距与板内簇钉间距不同，所以建模时假定为三块预制板拼接，单块板内簇钉排间距为200mm，接缝处簇钉排间距为150mm。采用单一变量的研究方式，即研究横联间距的影响时，仅改变横联排数，分别在①②③号梁跨中处单点加载，取跨中挠度计算荷载横向分布系数。研究簇钉间距的影响时，仅改变簇钉排数。

 

图1模型编号

2.1模型参数

有限元模型取梁单元长2200mm，支座间距为2000mm，桥面板宽1000mm。设定梁单元为125×60×6×8的Q235H型钢，截面2为30mm厚的C30混凝土板，横联为4mm厚的Q235钢板。其中建立混泥土板单元时自动分割成若干单元。混凝土板和下面的五片钢梁采用弹性支座为一个整体。五片工字梁之间的距离为200mm。梁之间的横隔板采用的是4mm厚的Q235板单元，利用边界条件——弹性连接——刚性连接将横隔板和梁单元连接在一起。在钢梁左右端加上边界条件，左端为固定铰支座（约束xyz方向的支撑力），右端为滚动铰支座（约束yz方向的支撑力）。簇钉用弹性连接中的刚性连接模拟，将板单元和梁单元连接在一起。

2.2作用荷载

进行有限元计算后，发现考虑自重影响与不考虑自重影响所得到的荷载横向分布系数相差不大，为简化分析，研究中仅进行单点加载，不考虑自重影响。荷载大小取10kN，方向垂直桥面板竖直向下，作用位置包括①②③号梁跨中。

2.3分析流程

进行横联间距影响的研究时，保留所有簇钉连接，在其余条件不变情况下，分别在横联间距为500毫米（A-E列横梁均保留）、1000毫米（保留ACE列横梁）、2000毫米（保留AE列横梁）、无横联四种情况下分别在①②③号梁跨中进行单点加载，取跨中截面梁的挠度作为计算荷载横向分布的依据。

进行簇钉排间距的影响时同理。即保留所有横梁，在其余条件不变的情况下，分别在12排簇钉（a-l）、7排簇钉（a、c、e、g、I、k、l）、4排簇钉（a、e、I、l）、2排簇钉（a、l）四种情况下进行试验。






3、计算结果及分析

根据荷载和挠度的关系，可使用挠度推算该梁所受到的荷载，即可使用梁跨中截面挠度计算五片梁的跨中荷载横向分布系数。

根据Midas有限元软件计算结果，得到与横联间距有关的荷载横向分布系数12组，与簇钉排间距有关的荷载横向分布系数12组。




3.1横联间距对荷载横向分布的影响

单点荷载作用在各号梁跨中时，将不同横联间距下的荷载横联系数绘制成共三组图线（图2左列），可以得出以下结论：

（1）对于荷载作用于①号梁的情况，以承担荷载量最大的梁（①梁）为研究对象，横联间距越小该梁所承担荷载量越少。该梁无横梁时荷载横向分布系数比200mm横联间距下的最小横向分布系数大3.8%。

（2）对于荷载作用于②号梁的情况，以承担荷载量最大的梁（①梁）为研究对象，横联间距2000mm时横联系数最小，保留全部横梁时横向分布系数最大。该梁全横梁下的荷载横向分布系数比仅保留端横梁时大2.8%。

（3）对于荷载作用于③号梁，以承担荷载量最大的梁（③梁）为研究对象，横联间距越小该梁承担荷载量越少。该梁无横梁时荷载横向分布系数比200mm横联间距时大22%。

（4）单点荷载作用于中间梁跨中时，横联间距对荷载横向分布系数影响最大。




3.2簇钉排间距对荷载横向分布的影响

单点荷载作用在各号梁跨中时，将不同簇钉排间距下的荷载横联系数绘制成共三组图线（图2右列），可以得出以下结论：

（1）对于荷载作用于①号梁的情况，以承担荷载量最大的梁（①梁）为研究对象，簇钉排间距为400mm时该梁所承担荷载量最大。

（2）对于荷载作用于②号梁的情况，以承担荷载量最大的梁（①梁）为研究对象，簇钉排间距为750 mm时横联系数最大。

（3）对于荷载作用于③号梁，以承担荷载量最大的梁（③梁）为研究对象，簇钉排间距越小该梁承担荷载量越大。簇钉排间距为200mm时的荷载横向分布系数比簇钉排间距为2100mm时大约21%。

 

图2不同横联间距和簇钉排间距下的横联系数：（a）一号梁跨中单点加载；（b）二号梁跨中单点加载；（c）三号梁跨中单点加载




结语：

力作用在①号梁时，结构处于最危险状态（①号梁承担的荷载量最大），以此情况作为研究目标，可知增设横梁可提高结构极限承载能力，主要原因是横梁能增强结构整体性，实际工程可根据需要达到的标准选择合适的横联间距。簇钉少的情况下反而结构受力性能较好，也就是说此时钢梁的挠度小，可能是因为此情况下桥面板与钢梁已经基本分离工作，而实际情况下桥面板与钢梁有接触作用，故而有限元计算时产生误差。