技术连载丨桥梁微技术 150【钢混组合梁施工阶段联合截面刚度换算说明】

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　　辽宁

　　midas Civil

　　midas Civil是桥梁领域通用结构分析及设计系统，它具有直观的操作界面，并且采用了尖端的计算机显示技术。midas Civil集成了静力分析、动力分析、几何非线性分析、屈曲分析、移动荷载分析、PSC桥分析、悬索桥分析、水化热分析等分析设计功能。

　　midas FEA

　　midas FEA是“目前唯一全部中文化的土木专用非线性及细部分析软件”，它的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件midas FX 的核心技术，同时融入了MIDAS强大的线性、非线性分析内核，并与荷兰TNO DIANA公司进行了技术合作，是一款专门适用于土木领域的高端非线性分析和细部分析软件。

　　midas Civil Designer

　　midas Civil Designer是针对中国规范开发的一款桥涵结构通用设计平台。它以构件验算位置设计验算及结果输出，具有强大的设计功能，使用户一站式完成结构设计。通用midas CivilDesigner的特色功能——预应力钢束调束，用户可根据验算结果快速调整钢束布置，同步实现实时验算；通过“工作树”及图表等方式简便、直观地显示验算及图形结果，并输出符合工程设计要求的计算书，是一款与我国现行规范紧密结合、符合设计人员设计思维和习惯的桥涵结构通用设计平台。

　　midas SmartBDS

　　midas SmartBDS是集建模、分析、设计和施工图绘制为一体的智能化桥梁解决方案，它提供直观友好的操作界面，并且采用了尖端的桥梁结构分析设计、计算机图形处理、施工图纸绘制等技术。midas SmartBDS集成了PSC箱梁（横梁）、RC箱梁（横梁）的分析和设计功能，并可自动绘制并输出PSC箱梁、RC箱梁、下部结构的施工图纸。

　　钢混组合梁施工阶段联合截面刚度换算说明

　　钢混组合梁进行建模计算过程中不仅要考虑钢梁、混凝土板的刚度之间的换算问题，还要考虑混凝土板和配置钢筋之间的刚度换算。由于对以上各部分间的刚度换算关系理解不够透彻，现通过以下内容进行详细说明。

　　1 截面信息

　　截面特性值可以查看值前（Part1）和值后（组合）的刚度数值，而当截面中定义了普通钢筋后，虽然会考虑普通钢筋对应力结果的影响，但是却查不到普通钢筋对截面刚度的影响，而只有定义了施工阶段联合截面才能查到考虑普通钢筋后的截面刚度。

　　图1截面特性值信息

　　当模型中定义了施工阶段联合截面后，刚度将不在这里调取，需要在施工阶段联合截面中查询；接下来测试该问题，测试思路：先考虑截面开裂，查看普通钢筋对开裂后截面刚度的影响，再来测试正常截面下的影响。

　　2 考虑截面开裂

　　1）没有普通钢筋，勾选开裂截面

　　图2无钢筋且考虑开裂的截面

　　此时查看施工阶段联合截面Part2的刚度，数值为0，即不考虑开裂桥面板的刚度：

　　图3无钢筋且考虑开裂截面的Part2刚度

　　此时组合后的刚度，就是Part1的刚度：

　　图4无钢筋且考虑开裂截面的Part1刚度

　　图5无钢筋且考虑开裂截面的组合刚度

　　由上述刚度表格结果可以看出，勾选开裂后，程序不会计入桥面板的刚度贡献，且当截面没有普通钢筋时，组合后的刚度就是Part1的刚度。

　　2）输入普通钢筋，勾选开裂截面

　　图6有钢筋且考虑开裂的截面

　　此时施工阶段联合截面的Part2面积数值，直接调取的是普通钢筋的面积（见图7）：

　　图7有钢筋且考虑开裂截面的Part2刚度

　　在图8的组合后刚度表格中，组合面积需考虑钢筋的等效A= 765252.4 = 750000 + 15710*n（弹模比）；组合截面中钢筋的换算面积765252.4– 750000 = 15252.4，换算的比例系数15252.4/ 15710 =0.97087；而钢梁采用Q345的弹模为2.06e5Mpa，若假设程序默认采用的普通钢筋型号为HRB400，其弹模为2.0e5Mpa，二者弹模比恰好为200000/ 206000 = 0.97087；换言之，钢筋的弹模取的是2.0e5Mpa。

　　图8有钢筋且考虑开裂截面的组合刚度

　　组合前Part1的Czp=1387.333mm，Czm=1712.667mm，Czp+Czm=3100mm，即钢箱的高度；而组合后的Czp=1653.703mm，Czm=1746.297mm，Czp+Czm=3100mm，也是钢箱的高度；换言之，普通钢筋并没有影响截面高度，勾选开裂后Czp+Czm为钢箱高度，而不是组合梁高度。

　　3 不考虑截面开裂

　　图9有钢筋且不考虑开裂的截面

　　查看组合前Part2的刚度表格

　　图10有钢筋且不开裂的Part2刚度

　　组合前Part2的面积A=1275362mm2，其中桥面板的面积为120000mm2；则钢筋的面积贡献为1275362-120000=75362，实际钢筋面积为15710mm2；面积换算的比例系数75362/ 15710 = 4.79707；钢筋与C50混凝土的弹模比200000/ 34500 =5.7971，这与换算的比例系数为什么会差这么多？是因为混凝土板和钢筋重叠部分的面积还需单独考虑，将混凝土面积中与钢筋重叠的那部分面积扣除掉后：

　　1275362-（120000-15710）=91072mm2 弹模比：91072/ 15710 = 5.7971

　　刚好与二者的弹模比相等；换言之，程序在施工阶段联合截面的刚度表格中，Part2的刚度是将钢筋先换算成混凝土，并且程序自动地将二者重叠的面积扣除掉了。此时Part2的Czp+ Czm = 100 + 100 = 200mm，刚好等于桥面板高度，也就是说普通钢筋并不会影响桥面板的高度。

　　再来查看组合后的刚度列表：

　　图11有钢筋无开裂截面的组合刚度

　　A=963592.3mm2= As+Ac/n = 750000+1275362/5.971 = 750000+213592.7 =963592.7 mm2

　　面积换算一致，误差由弹模比的小数点造成的。

　　考虑钢筋的组合后的Czp=1413.315mm，Czm=2086.685mm，Czm+Czp=3500mm，为组合梁的整体的高度；没有考虑普通钢筋的Czp=1430.745mm，Czm=2069.255mm，Czm+Czp=3500mm，也是组合梁的高度，也就是说不考虑截面开裂，组合后的表格，Czp、Czm所在位置是组合梁（换算截面）的形心轴。

　　对比可知，考虑普通钢筋后，Czp变小，可以理解为质心离桥面板更近，与实际情况相符。

　　图12无钢筋无开裂截面的组合刚度