考慮滑移效應的三塔結合梁斜拉橋橋面板有效寬度分析＊

劉沐宇 劉 洋 袁衛國

（武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室 武漢 430070）

0 引 言

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

目前學者們對結合梁斜拉橋橋面板有效寬度的研究主要基于受彎狀態下，而結合梁斜拉橋處于壓彎狀態，僅在受彎狀態下進行分析尚不足以準確反映其力學特性［1］.同時，現有文獻中，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］；部分橋梁根據規范要求，除負彎矩區需采用完全抗剪連接外，正彎矩區可根據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生滑移，而這種滑移效應對橋面板中的應力分布影響較大，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，在壓彎狀態下，考慮鋼主梁與橋面板間的滑移影響，對結合梁斜拉橋橋面板有效寬度進行空間有限元分析，分析結合梁斜拉橋在恒載、正常運營狀態下橋面板的應力分布情況，研究抗剪連接程度對橋面板有效寬度的影響，為結合梁斜拉橋設計和施工提供參考.

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，每個索距設三道橫梁，橫梁間距為4.5m.在橋中心線處設置小縱梁，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.因此，根據結合梁斜拉橋的特點，選取典型節段模擬分析［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.為細致研究結合梁斜拉橋主梁在壓彎狀態下的工作狀況，沿橋縱向截取5段索距長度，分別建立節段有限元模型.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，即耦合對應節點的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，通過表面效應單元將力施加在對應輪載位置處.在節段模型的邊界處找出形心點作為主節點，形成剛域，從全橋ANSYS模型中提取各節段邊界上節點的位移，然后施加在對應主節點上.

圖3 主跨跨中節段有限元模型

2 典型節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，對上述節段模型在恒載、正常運營狀態下（恒＋活＋溫度）2種工況進行計算，明確橋面板上應力的分布情況，進而根據公式計算出橋面板的有效寬度和有效寬度系數［10－11］.由于橋面板厚度較薄，應力沿厚度方向視為均勻分布，取上表面應力分析［12］.

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

表1 恒載作用下各控制截面半幅橋面板正應力值 MPa

圖4 恒載作用下各控制截面半幅橋面板正應力分布圖

根據“無限細分”和“無限求和”的思想和有限元的計算結果，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為橋面板中正應力；σmax為橋面板中最大正應力；η為橋面板有效寬度滯系數；σn－1和σn分別為第（n－1）個單元計算截面上2個節點的正應力；xn－1和xn為第（n－1）個單元計算截面位置上2個節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

從表1，2可以看出，結合梁斜拉橋橋面板有效寬度分布不均勻，應力分布圖4也說明了這一點；橋面板上的應力沿橫向分布不均勻，在鋼主梁處應力值較大，橋梁中心線附近應力分布較均勻.有效寬度系數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）正常運營狀態下主跨跨中橋面板正應力分布情況，計算結果見圖5.由圖5可見，斜拉索在鋼主梁上的水平力是造成結合梁斜拉橋橋面板應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力值較大，遠離斜拉索橋面板上應力值趨于均勻.

3 抗剪連接程度對橋面板有效寬度的影響

結合梁在設計時，正彎矩區為了方便施工和經濟效益，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］.結合梁斜拉橋主跨跨中橋面板中有可能出現拉應力，且其應力較其他位置更容易出現重分布現象.因此，本文選擇結合梁斜拉橋主跨跨中處節段，改變抗剪連接程度數值，比較分析混凝土橋面板中應力分布情況，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值，計算結果見圖6.

圖5 正常運營狀態下主跨跨中橋面板正應力分布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分布

由圖6可見，抗剪連接程度對橋面板中應力分布有較大影響，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果更加準確.采用部分抗剪連接可以滿足結合梁受力的要求，但如抗剪連接程度過低，鋼與混凝土間滑移較大，嚴重影響結合梁的極限承載力，分析圖6，結合梁的最佳抗剪連接程度控制在0.80～1.0之間.

4 結 論

1）結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最小.

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

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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