考慮滑移效應(yīng)的三塔結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度分析＊

劉沐宇 劉 洋 袁衛(wèi)國

（武漢理工大學道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室 武漢 430070）

0 引 言

鋼－混凝土結(jié)合梁斜拉橋以其自重輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點，近年來被廣泛地應(yīng)用于大跨徑橋梁建設(shè)中.結(jié)合梁斜拉橋采用雙鋼主梁形式，斜拉索錨固在兩側(cè)的鋼主梁上.索力的水平分量以集中力的形式不連續(xù)作用于主梁，造成錨固點附近局部應(yīng)力較大，橋面板中的應(yīng)力主要集中在鋼主梁兩側(cè)的有限寬度內(nèi).而目前結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度計算理論實現(xiàn)難度大，現(xiàn)有規(guī)范也不完善，導致結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度分布計算困難，因此，開展結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度的研究工作，為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提供參考依據(jù)是非常必要的.

目前學者們對結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度的研究主要基于受彎狀態(tài)下，而結(jié)合梁斜拉橋處于壓彎狀態(tài)，僅在受彎狀態(tài)下進行分析尚不足以準確反映其力學特性［1］.同時，現(xiàn)有文獻中，鋼主梁與混凝土橋面板間一般均視為完全抗剪連接，不考慮滑移［2－3］；部分橋梁根據(jù)規(guī)范要求，除負彎矩區(qū)需采用完全抗剪連接外，正彎矩區(qū)可根據(jù)實際情況和施工方便，采用部分抗剪連接［4－6］.但即便是完全抗剪連接情況下，實際中也很難保證鋼主梁與混凝土橋面板之間不產(chǎn)生滑移，而這種滑移效應(yīng)對橋面板中的應(yīng)力分布影響較大，容易造成橋面板有效寬度計算值不準確.因此，本文以武漢二七長江大橋為工程背景，在壓彎狀態(tài)下，考慮鋼主梁與橋面板間的滑移影響，對結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度進行空間有限元分析，分析結(jié)合梁斜拉橋在恒載、正常運營狀態(tài)下橋面板的應(yīng)力分布情況，研究抗剪連接程度對橋面板有效寬度的影響，為結(jié)合梁斜拉橋設(shè)計和施工提供參考.

1 橋面板有效寬度空間有限元分析

1.1 工程背景

武漢二七長江大橋采用3塔雙索面鋼－混凝土結(jié)合梁斜拉橋，主橋長1 732m，跨徑組成為90 m＋160m＋616m＋616m＋160m＋90m，見圖1.鋼主梁采用工字型，位于橋面兩側(cè)間距為30.5 m，梁高2.935m，斜拉索錨固間距為13.5m，每個索距設(shè)三道橫梁，橫梁間距為4.5m.在橋中心線處設(shè)置小縱梁，混凝土橋面板板厚為0.26m，采用直徑×長度＝22mm×200mm螺栓與鋼主梁連接.主橋采用半漂浮體系，邊塔處設(shè)置豎向支撐，中塔處為固定鉸接體系.

圖1 二七路長江大橋立面布置圖（單位：m）

1.2 節(jié)段分析模型

建立全橋板殼模型進行橋面板有效寬度有限元分析，難度較大且無法實現(xiàn).因此，根據(jù)結(jié)合梁斜拉橋的特點，選取典型節(jié)段模擬分析［7］，分別為主跨跨中、主跨1／4、主跨3／8、邊跨跨中、邊塔塔根、中塔塔根處.為細致研究結(jié)合梁斜拉橋主梁在壓彎狀態(tài)下的工作狀況，沿橋縱向截取5段索距長度，分別建立節(jié)段有限元模型.鋼主梁、橫梁和小縱梁均采用shell63單元，混凝土橋面板采用solid45單元，預應(yīng)力筋采用link8單元，運用降溫法模擬.同時，考慮鋼主梁與橋面板間的滑移影響［8－9］，用彈簧combin39單 元 來 模 擬 栓 釘 的 連 接作用.只考慮沿橋縱向的滑移，忽略橫向的位移和混凝土板的掀起，即耦合對應(yīng)節(jié)點的x、y方向，在z方向建立一個非線性彈簧單元，見圖2.

圖2 鋼主梁與混凝土橋面板間的彈簧單元

主跨跨中空間有限元節(jié)段模型見圖3，共劃分174 786個實體單元，182 676個殼單元，5 423個彈簧單元.汽車荷載采用等效均布荷載模擬，通過表面效應(yīng)單元將力施加在對應(yīng)輪載位置處.在節(jié)段模型的邊界處找出形心點作為主節(jié)點，形成剛域，從全橋ANSYS模型中提取各節(jié)段邊界上節(jié)點的位移，然后施加在對應(yīng)主節(jié)點上.

圖3 主跨跨中節(jié)段有限元模型

2 典型節(jié)段處橋面板有效寬度分析

考慮鋼與混凝土橋面板間的滑移影響，對上述節(jié)段模型在恒載、正常運營狀態(tài)下（恒＋活＋溫度）2種工況進行計算，明確橋面板上應(yīng)力的分布情況，進而根據(jù)公式計算出橋面板的有效寬度和有效寬度系數(shù)［10－11］.由于橋面板厚度較薄，應(yīng)力沿厚度方向視為均勻分布，取上表面應(yīng)力分析［12］.

1）在恒載作用下橋面板中正應(yīng)力分布情況.計算結(jié)果見表1，根據(jù)計算結(jié)果繪制橋面板正應(yīng)力分布圖，見圖4.根據(jù)文獻［3］，各截面橋面板的有效寬度和有效寬度系數(shù)分別按式（1），（2）進行計算，計算結(jié)果見表2.

表1 恒載作用下各控制截面半幅橋面板正應(yīng)力值 MPa

圖4 恒載作用下各控制截面半幅橋面板正應(yīng)力分布圖

根據(jù)“無限細分”和“無限求和”的思想和有限元的計算結(jié)果，式（1）可按下式近似計算

式中：be為橋面板的有效寬度；b為橋面板的實際寬度；σcm為橋面板中正應(yīng)力；σmax為橋面板中最大正應(yīng)力；η為橋面板有效寬度滯系數(shù)；σn－1和σn分別為第（n－1）個單元計算截面上2個節(jié)點的正應(yīng)力；xn－1和xn為第（n－1）個單元計算截面位置上2個節(jié)點距橋面中心的橫向坐標值.

表2 各控制截面半幅橋面板有效寬度和有效寬度系數(shù)

從表1，2可以看出，結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度分布不均勻，應(yīng)力分布圖4也說明了這一點；橋面板上的應(yīng)力沿橫向分布不均勻，在鋼主梁處應(yīng)力值較大，橋梁中心線附近應(yīng)力分布較均勻.有效寬度系數(shù)η取值在0.748～0.916之間.中塔塔根和邊塔塔根處橋面板的有效寬度和有效寬度系數(shù)最小，說明塔根處橋面板有效寬度分布最不均勻.

2）正常運營狀態(tài)下主跨跨中橋面板正應(yīng)力分布情況，計算結(jié)果見圖5.由圖5可見，斜拉索在鋼主梁上的水平力是造成結(jié)合梁斜拉橋橋面板應(yīng)力突變的最主要原因，在靠近斜拉索錨固點附近混凝土橋面板上的局部應(yīng)力值較大，遠離斜拉索橋面板上應(yīng)力值趨于均勻.

3 抗剪連接程度對橋面板有效寬度的影響

結(jié)合梁在設(shè)計時，正彎矩區(qū)為了方便施工和經(jīng)濟效益，鋼和混凝土板之間往往采用部分抗剪連接，抗剪連接程度對混凝土板中的應(yīng)力分布有較大影響，如不考慮該因素會造成混凝土板的有效寬度計算不準確［13－15］.結(jié)合梁斜拉橋主跨跨中橋面板中有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，且其應(yīng)力較其他位置更容易出現(xiàn)重分布現(xiàn)象.因此，本文選擇結(jié)合梁斜拉橋主跨跨中處節(jié)段，改變抗剪連接程度數(shù)值，比較分析混凝土橋面板中應(yīng)力分布情況，明確抗剪連接程度對橋面板有效寬度的影響，確定最佳的抗剪連接程度數(shù)值，計算結(jié)果見圖6.

圖5 正常運營狀態(tài)下主跨跨中橋面板正應(yīng)力分布z－為距主跨跨中的距離，在z＝5.4m處有一根斜拉索.

圖6 不同抗剪連接程度下主跨跨中附近橋面板有效寬度系數(shù)分布

由圖6可見，抗剪連接程度對橋面板中應(yīng)力分布有較大影響，在計算有效寬度時，考慮鋼主梁與混凝土橋面板間的滑移可使計算結(jié)果更加準確.采用部分抗剪連接可以滿足結(jié)合梁受力的要求，但如抗剪連接程度過低，鋼與混凝土間滑移較大，嚴重影響結(jié)合梁的極限承載力，分析圖6，結(jié)合梁的最佳抗剪連接程度控制在0.80～1.0之間.

4 結(jié) 論

1）結(jié)合梁斜拉橋橋面板有效寬度分布不均勻，中塔塔根和邊塔塔根處橋面板的有效寬度和有效寬度系數(shù)最小.

2）斜拉索的水平分力是造成結(jié)合梁斜拉橋橋面板應(yīng)力突變的主要原因，在拉索集中作用點附近，橋面板中應(yīng)力分布較不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力局部過大的現(xiàn)象，靠近橋面中心線處橋面板中的應(yīng)力趨于均勻.

3）由表2計算的各控制截面的有效寬度分布值可知，結(jié)合梁斜拉橋在恒載作用下，橋面板有效寬度可取全截面寬度的0.748～0.916倍計算.

4）鋼主梁與混凝土橋面板間的抗剪連接程度對橋面板中應(yīng)力分布造成較大影響，考慮鋼與混凝土的滑移，可提高橋面板有效寬度計算的準確度.采用部分抗剪連接可以滿足結(jié)合梁受力的要求，其最佳抗剪連接程度在0.80～1.0之間.

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