组合梁桥有效翼缘宽度国内外规范的比较
分析
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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
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
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
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
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,表格 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.
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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.
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