[发明专利]钢-混凝土组合梁的应力计算方法

说明书

本发明提供一种钢‑混凝土组合梁的应力计算方法，涉及桥梁施工领域，该方法包括将组合梁分为多个梁段单元，每个梁段单元包括至少两个节点；获取梁段单元上的每个所述节点上的包括轴向力和两个剪力滞单元节点力在内的全部广义力，并形成节点力矩阵；构造与节点力矩阵对应的节点位移矩阵；基于节点力矩阵和节点位移矩阵得到包括节点力矩阵和节点位移矩阵的平衡方程；基于平衡方程获得节点位移已知的节点位移矩阵；基于节点位移矩阵计算梁段单元的应力。本发明缓解了现有技术中的应力计算方法不能有效分析施工过程中由于剪力滞位移边界条件的突变，以及荷载及剪力滞位移边界条件不断变化等因素造成的组合梁斜拉桥主梁应力变化问题。

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，尤其是涉及一种钢-混凝土组合梁的应力计算方法。

背景技术

斜拉桥依据主梁用料的不同，主要分为混凝土斜拉桥、钢斜拉桥、组合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥。而组合梁斜拉桥就是主梁为钢结构，桥面系为混凝土结构，主梁与桥面系之间通过剪力连接件共同受力的桥梁形式，其又常被称为“叠合梁斜拉桥”或“组合梁斜拉桥”。组合梁斜拉桥的优势在于：较钢斜拉桥可充分利用混凝土受压，使得桥塔附近主梁的抗压性能得到改善，减少斜拉索及预应力所带来较大轴向力的影响，增大桥梁抗弯与整体刚度，避开了钢箱梁钢桥面疲劳及桥面铺装易损坏的问题；较混凝土斜拉桥则具有自重较轻、跨越能力更强等优点。所以被认为是综合混凝土斜拉桥和钢斜拉桥两者优势的一种斜拉桥结构方案，而且填补了混凝土斜拉桥和钢斜拉桥在跨度400m～700m经济指标不理想的跨度区间，是一种极具竞争力的大跨桥梁结构形式。随着桥梁跨径的不断增大和组合结构的广泛应用，组合梁斜拉桥将有更加广阔的应用前景。

组合梁中的混凝土板通常很宽，主梁的剪应力沿混凝土板的宽度方向是不均匀的，这种现象工程界称之为“剪力滞效应”，忽略剪力滞效应会低估混凝土板与钢梁交接处的应力，从而导致斜拉桥的结构不安全。因而对组合梁斜拉桥施工过程中主梁在剪力滞影响下的应力进行有效分析对斜拉桥的结构安全性有着重要的意义。

由于组合梁斜拉桥桥面板(即混凝土板)宽度通常很宽，以及桥面板上还需设置导致主梁承受集中弯矩和轴向力而产生剪力滞位移边界条件突变的斜拉索和预应力筋的偏心锚固，此外，斜拉桥施工过程中由于临时支架、约束拆除或增加以及桥梁合龙等原因造成斜拉桥的结构体系不断转换，因而斜拉桥施工过程中主梁应力变化极为复杂。现有的通常用于计算组合梁斜拉桥施工过程中主梁的应力的方法是有限梁段法，该有限梁段法是将主梁沿轴向分成多个梁段单元，再分别对每个梁段单元的应力进行计算。但是该有限梁段法对每个梁段单元仅考虑一个剪力滞自由度,不能很好地适应各种剪力滞分析的边界条件，不能对组合梁斜拉桥施工过程中由于集中弯矩和轴向力引起的剪力滞位移边界条件的突变，以及施工过程中荷载及剪力滞位移边界条件不断变化等因素造成的复杂的主梁应力变化问题进行有效的分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢-混凝土组合梁的应力计算方法，以缓解现有技术中存在的在组合梁斜拉桥施工过程中，利用现有的应力计算方法不能有效分析施工过程中由于集中弯矩和轴向力引起的剪力滞位移边界条件的突变，以及施工过程中荷载及剪力滞位移边界条件不断变化等因素造成的组合梁斜拉桥主梁应力变化技术问题。

本发明提供的钢-混凝土组合梁的应力计算方法包括：

将组合梁分为多个梁段单元，每个梁段单元包括至少两个节点；获取梁段单元上每个节点上的包括轴向力和两个剪力滞单元节点力在内的全部广义力，并根据各个节点上获得的全部广义力数据，形成梁段单元的节点力矩阵；构造与节点力矩阵对应的节点位移矩阵，节点位移矩阵中的节点位移均为未知量；

基于节点力矩阵和节点位移矩阵计算梁段单元的总势能，对梁段单元的总势能进行一阶变分，得到包括节点力矩阵和节点位移矩阵的平衡方程；

基于平衡方程计算节点位移矩阵的未知量，获得节点位移已知的节点位移矩阵；

基于节点位移已知的节点位移矩阵计算梁段单元的应力。