大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中橫向應(yīng)力分布規(guī)律研究

危媛丞，李周，鄭熒光，褚東升，閔世超

（1.深圳市龍華新區(qū)大浪辦事處建設(shè)工程事務(wù)中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410082；4.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學(xué)，江西南昌 330013）

大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中橫向應(yīng)力分布規(guī)律研究

危媛丞1，李周2，3，鄭熒光2，褚東升4，閔世超5

（1.深圳市龍華新區(qū)大浪辦事處建設(shè)工程事務(wù)中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410082；4.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學(xué)，江西南昌 330013）

以鄭州潮河大橋?yàn)楣こ桃劳?，?duì)正交異性板鋼箱梁施工過(guò)程中的空間應(yīng)力狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和有限元模擬，對(duì)比分析其橫向應(yīng)力分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算所得分布規(guī)律基本吻合，施工過(guò)程中鋼箱梁橫向應(yīng)力具有較大的安全儲(chǔ)備；沿橋跨方向，主塔截面位置頂、底板橫向應(yīng)力值較大；沿橫截面方向，橫截面中心位置橫向應(yīng)力較大；鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)；完成橋面鋪裝時(shí)鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力沿橋跨方向分布更均勻。

橋梁；大跨度懸索橋；正交異性板鋼箱梁；橫向應(yīng)力

在各種橋梁結(jié)構(gòu)體系中，懸索橋是跨越能力最強(qiáng)的橋型，也是景觀效果較好的橋型之一。無(wú)論是大跨度公路橋，還是景觀要求較高的城市道路橋梁，懸索橋都得到了廣泛運(yùn)用，而這些橋梁大多采用正交異性橋面板鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式。

正交異性板鋼箱梁具有高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造等優(yōu)點(diǎn)，但其制造要求較高、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。國(guó)內(nèi)已開(kāi)展很多相關(guān)研究，如程建華、邢中凱分析了鋼箱梁正交異性橋面板的受力特性和計(jì)算方法，郁春松、張陜鋒研究了正交異性板鋼箱梁的計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，楊燦、段政、孔祥福研究了正交異性板鋼箱梁的空間應(yīng)力、局部應(yīng)力分布規(guī)律和受力性能；劉信斌、衣龍泉分析了鋼箱梁剪力滯系數(shù)的橫向變化規(guī)律。但對(duì)正交異性板鋼箱梁施工過(guò)程中橫向應(yīng)力的研究較少。該文以鄭州潮河大橋?yàn)楣こ桃劳校瑢?duì)正交異性板鋼箱梁的空間應(yīng)力狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和有限元模擬，研究大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中的應(yīng)力特點(diǎn)。

1 工程概況

鄭州潮河大橋?yàn)猷嵵萁?jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)濱河國(guó)際新城經(jīng)南八路跨越潮河的一個(gè)節(jié)點(diǎn)工程，為三塔四跨地錨式懸索橋，跨徑布置為（64+136+136+64）m= 400 m。懸索橋加勁梁采用全焊鋼箱梁結(jié)構(gòu)，頂寬45 m，中線(xiàn)處梁高2 m，懸臂板長(zhǎng)5.808 m。全橋鋼箱梁分為四類(lèi)（見(jiàn)圖1）：Z1為標(biāo)準(zhǔn)段，長(zhǎng)6 m；Z2為

合龍段，長(zhǎng)3.7 m；Z3為中塔、邊塔段，長(zhǎng)12.3 m；Z4為端橫梁位置，長(zhǎng)3.69 m。鋼箱梁節(jié)段之間采用焊接連接。鋼箱梁鋼材采用Q345qD，橋面板采用正交異性板構(gòu)造，縱向加勁肋為U形肋，頂板U形肋間距600 mm；底板機(jī)動(dòng)車(chē)道范圍加勁肋采用U形肋，間距800mm，其余部分采用板肋，間距420 mm。鋼箱梁每隔3 m設(shè)一道標(biāo)準(zhǔn)橫隔板。鋼箱梁截面構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖1 半橋鋼箱梁節(jié)段劃分示意圖（單位：mm）

圖2 鋼箱梁截面構(gòu)造示意圖（單位：mm）

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

選取邊跨跨中、邊主塔、中跨1／4跨、中跨1／2跨、中跨3／4跨和中主塔（分別為S1～S6）作為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置控制斷面（見(jiàn)圖3），其中：S1截面距邊跨梁端32 m；S2截面距邊跨梁端64 m；S3截面距邊跨梁端98 m；S4截面距邊跨梁端132 m；S5截面距邊跨梁端166 m；S6截面距邊跨梁端200 m。

圖3 鋼箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置斷面（單位：cm）

每個(gè)控制斷面頂、底板各布置3個(gè)橫向應(yīng)變計(jì)、6個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋共36個(gè)測(cè)點(diǎn)，橫向具體位置為兩吊索及梁截面中心處，采用XHX-21x型振弦式表面應(yīng)變計(jì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 鋼箱梁橫向應(yīng)變計(jì)布置（單位：mm）

2.2 測(cè)試工況

該橋吊索共進(jìn)行三輪張拉，前兩輪張拉過(guò)程中胎架未拆除，鋼箱梁應(yīng)力較小，可不予考慮。第三輪張拉開(kāi)始后，尤其是在胎架拆除后，鋼箱梁各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較大，應(yīng)力測(cè)試主要針對(duì)這一情況。設(shè)置兩種測(cè)試工況：工況1為拆除胎架；工況2為施工第二層瀝青砼鋪裝，成橋。吊索編號(hào)見(jiàn)圖5，測(cè)試工況下鋼箱梁吊索張拉力見(jiàn)表1。

圖5 吊索布置及編號(hào)

表1 各測(cè)試工況下吊索張拉力

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 有限元計(jì)算模型

為分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的合理性，采用ANSYS軟件建立鋼箱梁三維有限元模型進(jìn)行比較分析。

考慮到橋塔高度較小而剛度較大，不建立橋塔模型而僅在塔梁相交處施加對(duì)應(yīng)支座約束；因分析對(duì)象是鋼箱梁，不建立纜索系統(tǒng)而在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處施加豎向拉力來(lái)模擬吊索張拉力；考慮到結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱(chēng)性，僅建立全橋鋼箱梁的1／4模型（見(jiàn)圖6）。

模型共劃分為149 349個(gè)單元，鋼箱梁結(jié)構(gòu)均采用三維四節(jié)點(diǎn)單元Shell181模擬。計(jì)算工況與測(cè)試工況一致，工況1時(shí)在鋼箱梁吊點(diǎn)處施加豎向力來(lái)模擬吊索張拉力，工況2時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)道二期恒載取4.13 k N／m2，索區(qū)、人行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道二期恒載取3.00 k N／m2。

圖6 鋼箱梁1／4有限元模型

3.2 橫向應(yīng)力沿橋跨方向的分布規(guī)律

橫向應(yīng)力沿橋跨方向的分布見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 工況1鋼箱梁橫向應(yīng)力沿橋跨的分布

由圖7、圖8可知：工況1時(shí)S2、S6截面位置鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力較大，最大值約70 MPa，其余截面位置橫向應(yīng)力相對(duì)較小。S2、S6截面位置鋼箱梁頂板受橫向壓應(yīng)力、底板受橫向拉應(yīng)力，說(shuō)明鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)。與工況1相比，工況2時(shí)鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力沿橋跨方向的分布更均勻，沿橋跨方向頂板橫向應(yīng)力基本為負(fù)值（即頂板橫向受壓），底板橫向應(yīng)力基本為正值（即底板橫向受拉），鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)，但橫向應(yīng)力都很小，最大值不超過(guò)40 MPa，比工況1時(shí)的橫向應(yīng)力峰值大幅減小。

各測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可看出：1）各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)橫向應(yīng)力沿橋跨的分布與計(jì)算結(jié)果基本吻合，但存在一定誤差，部分測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差超過(guò)100%，甚至達(dá)到數(shù)倍?？紤]到天氣條件、安裝和測(cè)試人員的操作規(guī)范與否、施工人員及施工機(jī)具的直接或間接作用、吊索張拉力是否精確等大量隨機(jī)因素的影響，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大誤差是正常的。相對(duì)誤差較大的測(cè)點(diǎn)一般橫向應(yīng)力較小，而橫向應(yīng)力較大的測(cè)點(diǎn)其實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較接近，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果所得出的分布規(guī)律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力特征，說(shuō)明實(shí)測(cè)方法及結(jié)果可靠，有限元計(jì)算模型合理。

2）S2、S6截面處鋼箱梁頂、底板的橫向應(yīng)力相對(duì)較大，實(shí)測(cè)和計(jì)算橫向應(yīng)力最大值分別為59.34、71.93 MPa，均發(fā)生在工況1中跨主塔截面的頂板中心處，具有較大的安全儲(chǔ)備。而非主塔位置的S1、S3、S4、S5截面處鋼箱梁頂、底板的橫向應(yīng)力均較小，兩種工況下實(shí)測(cè)和計(jì)算橫向應(yīng)力最大值均不超過(guò)40 MPa，大部分測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)力在20MPa以?xún)?nèi)，具有很大的安全儲(chǔ)備。

圖8 工況2鋼箱梁橫向應(yīng)力沿橋跨的分布

表2 各測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.3 橫向應(yīng)力沿橫截面方向的分布規(guī)律

受測(cè)點(diǎn)數(shù)量的限制，不能同時(shí)沿橋縱向和橫向布置較多的橫向應(yīng)變計(jì)。在鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)變計(jì)布置過(guò)程中側(cè)重考慮鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力沿橋跨方向的分布，在測(cè)點(diǎn)布置上沿橋跨選擇較多的測(cè)試截面（S1～S6）。在每個(gè)橫截面上僅在預(yù)設(shè)的關(guān)鍵位置（梁截面中心及兩側(cè)吊索位置附近）布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)于1／4模型的鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力來(lái)說(shuō)，S1～S6每個(gè)斷面都分別僅有2個(gè)測(cè)點(diǎn)，僅根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不能得出鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力沿橫截面方向的分布規(guī)律，無(wú)法確定在橫截面的哪個(gè)位置橫向應(yīng)力最不利。

在實(shí)測(cè)與計(jì)算所得出的橫向應(yīng)力沿橋跨分布規(guī)律基本吻合、有限元計(jì)算結(jié)果合理性得到實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證的前提下，可僅通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)分析鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力沿橫截面方向的分布規(guī)律（見(jiàn)圖9、圖10）。

從圖9、圖10可以看出：鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力在橫坐標(biāo)為零處達(dá)到最大，即橫截面中心處鋼箱梁橫向應(yīng)力值最大，但最大值不超過(guò)80 MPa，相對(duì)于Q345qD的容許彎曲應(yīng)力210 MPa而言，具有很大的安全儲(chǔ)備。

圖9 鋼箱梁頂板橫向應(yīng)力沿橫斷面的分布

圖10 鋼箱梁底板橫向應(yīng)力沿橫斷面的分布規(guī)律

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果所得出的橫向應(yīng)力沿橋跨分布規(guī)律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力特征，實(shí)測(cè)方法及實(shí)測(cè)結(jié)果可靠，有限元計(jì)算模型合理。

（2）沿橋跨方向，邊跨主塔、中跨主塔截面位置鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力值較大；沿橫截面方向，鋼箱梁橫截面中心位置橫向應(yīng)力較大。

（3）鋼箱梁頂板主要受橫向壓應(yīng)力、底板主要受橫向拉應(yīng)力，鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)。

（4）與拆除胎架時(shí)相比，完成橋面鋪裝成橋時(shí)的鋼箱梁頂、底板橫向應(yīng)力峰值大幅減小，沿橋跨方向的分布也更均勻。

（5）由于采用正交異性鋼橋面板，并布置了較多縱向U肋、板肋及橫隔板，鋼箱梁頂、底板橫向剛度較大，施工過(guò)程中頂、底板橫向應(yīng)力均較小，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)所用鋼材的容許應(yīng)力，具有較大的安全儲(chǔ)備。

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1671-2668（2016）06-0187-06

2016-04-29