寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋剪力滯效應分析及試驗研究

劉 傲，林文強，宋 軍

（1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510101；2.同濟大學，上海市 200092）

寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋剪力滯效應分析及試驗研究

劉 傲1，林文強1，宋 軍2

（1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510101；2.同濟大學，上海市 200092）

以江肇高速公路西江特大橋為背景，研究寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋截面正應力分布規律。通過理論計算并結合實橋試驗驗證，得出了各關鍵斷面應力不均勻系數，為優化預應力鋼束設計及改善寬幅截面受力性能提供了依據。

矮塔斜拉橋；剪力滯；效應分析

1 工程簡介

江肇高速公路是珠江三角洲經濟區外環公路的西環段，位于珠江三角洲西部地區。路線起于江門市杜阮鎮，終于肇慶市四會市東城區。西江特大橋是江肇高速公路建設難度最大的控制性工程，也是江肇高速公路的標志性工程。大橋位于永安鎮與沙浦鎮之間，橋位跨越西江主干流，主橋為四塔五跨單索面脊骨梁預應力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑布置為128 m+3×210 m+128 m=886 m，采用墩、塔、梁固結剛構體系，見圖1。

圖1 西江特大橋主橋

大橋主梁為預應力混凝土結構，采用變高度斜腹板單箱三室寬幅脊梁斷面。頂板寬38.3 m，懸臂長8.15 m，兩側設5.15 m寬后澆帶，在同類型橋梁中，橋面寬度和挑臂長度均較大，故剪力滯效應明顯，應對其頂底板縱向剪力滯效應進行研究。

2 研究意義

箱梁縱向受力不均勻性主要受剪力滯效應以及偏載效應影響。關于剪力滯理論以及翼緣板有效工作寬度的研究，早在20世紀20年代就開始了，雖然對剪力滯問題提出了較多的理論，如彈性理論解法、比擬桿法、能量變分法、數值分析法等進行分析和求解，但這些方法大多依賴于假定位移函數，計算結果偏理想化，新結構以及分節段受力特性使得傳統算法存在較多的不足之處[1-4]，在西江特大橋中，主梁體系具有如下特點：

（1）主梁為寬幅脊梁，頂底板普遍較薄，懸臂較長，首先會會加劇剪力滯效應，其次邊載偏心距增大，也會加劇扭轉和偏載效應；

（2）主梁懸臂分次澆筑，后澆段受力時機及縱向受力特征與一次澆筑構件存在本質區別；

（3）單索面矮塔斜拉橋體系，索力傳遞不均勻，成為縱向受力不均勻原因之一；

（4）懸臂施工，各截面剪力滯效應隨各階段荷載及邊界的變化產生變化，不加以驗算配筋，可能導致施工階段主梁局部開裂或破壞，目前剪力滯研究中較少涉及。

脊骨梁截面相較于普通箱梁，在施工或成橋階段應力不均勻分布可能更加顯著，將導致局部效應過大，因此需要通過理論研究的方法，明確應力不均勻分布及變化特征，提取最不利不均勻性系數，指導配束或配筋設計工作，以保障結構受力安全。

3 縱向受力不均性有限元分析

研究中分別對初等梁理論剪力滯效應、空間有限元方法得到平均應力后的剪力滯系數進行分析。當利用剪力滯系數描述應力分布不均勻特性時，僅考慮了斷面中最大應力和平均應力的關系。隨著斷面形式的變化，以及關心工況的增多，單一的剪力滯不能全面描述斷面應力分布不均勻的問題，因此研究中進一步引入了斷面位置的不均勻系數，全面描述斷面應力不均特性。

3.1 計算模型簡介

本文采用通用有限元程序ANSYS建立三維實體單元模型。主梁實體部分采用SOLID45單元，斜拉索采用LINK10單元，預應力鋼束采用LINK8單元，橋塔采用BEAM4單元。考慮到結構的對稱性，本文建立了全橋半結構模型，共劃分單元367 104個，節點538 356個，見圖2、圖3。斜拉索索力按設計初張索力施加。模型中考慮所有預應力效應，并扣除了相應預應力損失。約束條件為邊跨處約束豎向位移，中跨設置對稱邊界，主墩墩底固結。

圖2 有限元模型立面圖

圖3 有限元模型局部

3.2 計算工況及關鍵斷面選擇

為了充分研究施工階段體系及荷載變化對主梁剪力滯效應的影響，課題研究中設定了如下十個工況，并選取了主梁五個關鍵截面進行分析。計算分析中的主要工況見表1。

表1 關鍵計算工況及工況說明

關鍵截面選取包括無索區典型節段（無索區最大懸臂節段）、S1（近塔側）拉索區節段截面、S16（遠塔側，最大懸臂節段）拉索區節段截面，見圖4。

圖4 關鍵截面位置示意圖（單位：m）

3.3 截面應力不均勻系數

對各關鍵截面，取其在各自工況荷載作用下截面節點沿橋梁縱向應力，定義應力不均勻系數為截面各點應力與平均應力的比值，應力不均勻系數綜合考慮自重、預應力、索力效應，取代剪力滯系數，更能真實反映截面應力分布規律，研究對應力不均勻系數以及剪力滯系數均進行計算分析。以工況十為例，關鍵截面應力不均勻系數見圖5。

圖5 工況十各關鍵斷面應力不均勻系數

有限元分析表明，施工過程中，部分工況下的剪力滯系數較高，但隨著預應力以及斜拉索的張拉，在大橋合龍、成橋狀態下，除主塔根部截面外，大部分截面的剪力滯系數均處于合理狀態。對于箱梁頂板，基于初等梁理論的剪力滯系數為1.23（4#截面），基于空間分析得到的剪力滯系數為1.46（3#截面）；對于箱梁底板，基于初等梁理論的剪力滯系數相對較大，最大剪力滯系數為2.25（3#截面），這主要與桿系計算得到的底板應力較小有關；基于空間分析得到的剪力滯系數總體均較小，最大剪力滯系數為1.14（4#截面）。

據應力不均勻性分析可以看出，脊骨箱梁斷面的頂底板空間應力狀態基本上處于合理狀態，未出現局部應力過大的情況，滿足結構安全性要求。分段澆筑的脊骨箱梁斷面的頂底板縱向受力不均勻性主要通過預應力鋼束以及斜拉索的合理布束進行改善。脊梁設計時布束應參照縱向應力分布趨勢進行優化。

4 縱向受力不均勻性試驗研究

在有限元分析的基礎上，針對寬幅脊骨梁縱向受力不均勻性以及后澆翼板連接性能及其與脊骨受力性能關系進行試驗監測研究，對頂底板縱向剪力滯效應進行進一步分析和完善，并就本橋主梁配束方案、斜拉索索力對結構主梁縱向受力不均勻性改善的有效性進行驗證。

4.1 關鍵斷面與測點布置

試驗選擇的關鍵斷面與有限元模型相同。應力測點布置見圖6，為反映斷面剪力滯和橫向應力分布特點，測點應覆蓋腹板與頂底板交接、后澆翼板等典型位置，并應同時測試橫向和縱向應力。其中每個典型斷面共50個測點，包括38個縱向應力測點和12個橫向應力測點。基本覆蓋了主要的應力變化區域，反映了斷面應力分布不均勻特性，能夠比較全面的反映斷面應力分布和變化過程。

圖6 關鍵斷面測點布置圖

4.2 實測數據與有限元計算對比分析

實橋試驗中，懸臂翼緣板為后期拼裝而成，拼裝施工落后主梁脊骨施工5個階段。根據實驗進展，提取實驗中觀測斷面的實驗數據進行分析。本節提取以下兩個工況進行實測數據與有限元理論計算的對比，見圖7。

圖7 主梁截面頂底板應力分布對比圖

經試驗測試得到各截面實測應力值，通過有有限元計算結果進行對比，得出以下結論：

（1）從已有的實測數據表明，張拉主梁脊骨預應力在主梁脊骨部分產生壓應力，并存在一定的剪力滯效應，后拼翼緣板上分配到的壓應力較小，部分工況下出現階段性的較小拉應力。

（2）張拉斜拉索工況下，拉索附近截面在頂板位置受壓，遠離截面中心位置應力減小，這也一定程度上反映了斜拉索索力在主梁截面上的傳遞路徑：索力在截面上傳遞時，主梁脊骨承受較大應力，自脊骨梁中腹板至翼緣板端部，頂板應力呈線性遞減。

（3）現場實測分析得到的剪力滯與理論計算的剪力滯分布基本吻合。其中，頂板應力分布實測值和理論值偏差較小，實際拼裝后，底板實測應力值略大。同時，實測值和理論計算值均說明索力在截面上傳遞時，主梁脊骨承受較大應力，翼緣板應力較小，翼緣板平均應力約為主梁脊骨應力水平的1/3。

（4）從不同施工工況實測結果對比分析可見，本橋主梁配束方案、斜拉索索力對結構主梁縱向受力不均勻性起到了一定的改善作用。在大橋長期運營狀態下仍需繼續采集實測數據，對脊骨梁斷面頂底板的長期受力性能進行跟蹤分析。

5 結論

本文以江肇西江大橋為背景，研究了寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋主梁截面縱向受力不均勻的特性，通過理論分析與實橋試驗驗證可以得到以下主要結論：

（1）施工過程部分工況下的截面剪力滯效應明顯，但隨著預應力以及斜拉索的張拉，在大橋合龍、成橋狀態下，大部分截面的剪力滯系數均處于合理狀態；

（2）對于寬幅脊骨梁，基于初等梁理論計算得出的剪力滯系數略偏小；

（3）分段澆筑的脊骨箱梁斷面的頂底板縱向受力不均勻性主要通過預應力鋼束以及斜拉索的合理布束進行改善。脊梁設計時布束應參照縱向應力分布趨勢進行優化。

[1]嚴國敏.試談部分斜拉橋-日本屋代南橋屋代北橋和小田原港橋梁[J].國外橋梁,1996(1)：47-50.

[2]張元海,白昕,林麗霞.箱形梁剪力滯效應的改進分析方法研究[J].土木工程學報,2012(11)：153-158.

[3]李興民.施工過程對箱梁剪力滯效應影響分析 [J].橋梁建設, 2013,43(1)：30-34.

[4]牛斌.楊夢蛟.馬林.預應力混凝土寬箱梁剪力滯效應試驗研究[J].中國鐵道科學,2004(2)：25-30.

U448.27

B

1009-7716（2016）05-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.021

2016-01-20

劉傲（1983-），男，廣東大鋪人，工程師，從事高速公路建設工作。