混合式疊合梁斜拉橋施工及成橋階段橋面板剪力滯效應研究

胡　俊，莫太東，賈俊峰（1.山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶　400074；.重慶交通大學土木工程學院，重慶　400074；.北京工業大學建筑工程學院，北京　10014）

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混合式疊合梁斜拉橋施工及成橋階段橋面板剪力滯效應研究

胡俊1，2，莫太東2，賈俊峰3
（1.山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶400074；3.北京工業大學建筑工程學院，北京100124）

摘要以一大跨徑疊合梁斜拉橋為對象，采用梁、板單元建立斜拉橋的空間有限元模型，研究上字形鋼主梁的疊合梁斜拉橋在施工過程及成橋階段橋面板剪力滯效應。根據實際施工工序，模擬分析了恒載作用下疊合梁斜拉橋在懸臂施工階段、成橋階段以及混凝土收縮徐變10年后橋面板應力的變化情況。計算結果表明:施工階段橋面板剪力滯效應比成橋階段更明顯，施工階段橋面板正應力逐漸趨于均勻；由于拉索產生的應力集中，斜拉索錨固處剪力滯效應比拉索中間更加明顯；混凝土收縮徐變使橋面板產生了拉應力，雖然降低了壓應力儲備，但使得橋面板應力分布更均勻。

關鍵詞斜拉橋；疊合梁；橋面板；剪力滯效應

為適應現代道路交通運輸的要求，以大跨徑為標志的疊合梁斜拉橋越來越多，疊合梁斜拉橋具有跨越能力大、梁高小、外觀輕巧，自重輕、造價合理、施工進度快、能充分發揮材料性能的優點，在20世紀80年代得到快速發展［1］。

剪力滯效應是梁在彎曲過程中由于剪力在翼緣板中傳遞滯后而引起的截面正應力在橫向分布不均勻的現象［2］。李海峰［3］分析了鋼-混凝土工字梁在各個荷載工況下不同寬跨比的剪力滯系數分布規律，結果表明鋼-混凝土工字梁的寬跨比對剪力滯效應影響最大；申宇長等［4］以一雙工字鋼結合梁斜拉橋為例，研究了關鍵部位的剪力滯效應；王應良等［5］利用空間有限元法分析了蕪湖長江大橋鋼筋混凝土橋面板的剪力滯效應；劉沐宇等［6］以武漢二七長江大橋為研究背景，考慮鋼主梁與橋面板之間的滑移，計算分析了多種荷載工況下橋面板剪力滯效應；喬朋等［7］利用有限元法研究了扁平鋼箱梁在集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應，分析了不同截面特性對剪力滯效應的影響。雖然有眾多學者對剪力滯進行了深層次的研究，但其分析對象多集中于比較熟悉的雙工字鋼結合梁、扁平箱梁、T梁，對一些特殊截面的大跨徑組合梁（比如上字形雙鋼主梁）斜拉橋研究還比較少。

本文以一大跨度疊合梁斜拉橋為對象，建立空間有限元模型分析疊合梁斜拉橋在懸臂施工階段、成橋階段以及混凝土收縮徐變10年后橋面板的應力變化情況，探討橋面板的剪力滯效應。

1　工程概況

一大跨疊合梁斜拉橋全長（54 + 71 + 360 + 71 + 54）m，為雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋。斜拉索呈扇形布置，中跨索距12 m，邊跨8 m，塔上索距3. 5～2. 5 m，橋梁立面見圖1。邊跨主梁采用混凝土結構，中跨主梁采用雙邊上字形鋼主梁與混凝土橋面板的疊合梁形式，二者之間通過剪力釘實現共同受力。主梁橫向中心距26 m，橋梁全寬28 m，橋面板厚28 cm，路線中心線處梁高3. 16 m，邊主梁中心線處梁高2. 9 m，中跨疊合梁斷面見圖2。

圖1　大跨疊合梁斜拉橋立面（單位：m）

圖2　中跨標準段鋼-混疊合梁斷面（單位：cm）

2　全橋有限元模型

采用有限元方法建立結構空間模型，根據斜拉橋的實際結構特征，將斜拉索簡化為具有初始張拉力的桁架單元；邊跨主梁、中跨雙鋼主梁、中跨鋼橫梁、橋塔均采用梁單元模擬；中跨橋面板采用四節點板單元進行模擬。輔助墩以及橋墩處采用定義節點的邊界條件進行模擬，在邊跨支架現澆施工過程中采用受壓彈性支撐的方式模擬支架，橋面板與鋼主梁、鋼橫梁采用共節點形式模擬剪力釘的作用。考慮到分析結果的準確性，對梁和橋面板都進行了一定程度的單元劃分，特別是橋面板，在應力復雜區域進行了較為精確的劃分。

在有限元模型建立中作了如下處理：①采用Ernst公式對拉索彈性模量進行修正，考慮柔性索非線性效應，但不考慮主梁及索塔非線性效應［8］；②忽略材料非線性的影響，鋼梁、拉索及混凝土均采用理想線彈性材料；③邊跨混凝土梁的預應力鋼束等效于梁中心布置，為了能更好地模擬中跨橋面板預應力，橋面板鋼束預應力采用梁單元預應力荷載等效施加于板實際位置處；④忽略溫度作用對疊合梁的影響，濕接縫按照節點荷載和梁單元荷載施加，鋼主梁與橫梁附屬荷載按梁單元均布荷載施加于雙鋼主梁。

3　橋面板剪力滯效應分析

3. 1施工過程中橋面板剪力滯效應分析

斜拉橋施工是一個動態過程，每個懸臂階段是由節段鋼梁吊裝、斜拉索初張拉、橋面板吊裝及濕接縫澆筑、斜拉索二次張拉這4部分組成［9］。不同工序、不同梁段，橋面板應力是不同的，本文根據實際施工工序對其進行模擬。橋面板剪力滯計算公式為［10］

式中：λ為剪力滯系數；σ為鋼梁位置橋面板正應力；σ—為計算橋面板截面處的縱向平均應力；n為計算橋面板截面單元數；σi為橋面板第i個節點上部（頂板）應力；σi + 1為橋面板第i + 1個節點上部（頂板）應力；bi為計算橋面板截面第i個單元橫向寬度；b為計算截面橋面板寬度。

為分析施工過程中的橋面板剪力滯效應，選取L/8和L/4（L為中跨的一半）典型橋面板斷面。不同施工階段橋面板正截面應力分布曲線見圖3，不同施工階段橋面板正截面剪力滯系數見圖4。圖中板跨位置即橋面板橫斷面位置，橫坐標“0”代表板跨中心，“±13. 0”代表橋面板邊緣。

圖3　不同施工階段橋面板正截面應力分布曲線

圖4　不同施工階段橋面板正截面剪力滯系數

由圖3可知，同一截面在不同施工階段其正應力明顯不同，隨著施工懸臂段不斷加長，截面產生的壓應力不斷增大。主要原因是隨著施工懸臂段的伸長，斜拉索張拉力不斷累積。

由圖4可知，隨著施工階段的不斷進行，橋面板橫向正應力逐漸趨于均勻，剪力滯效應有一定的弱化。

3. 2成橋階段拉索錨固對橋面板剪力滯效應的影響

由于斜拉索的索力斜向集中作用于斜拉橋主梁的拉索錨固點，其軸力的傳遞亦會對橋面板的正應力分布造成影響。為便于分析拉索錨固效應對橋面板剪力滯的影響，對中跨主梁進行節段劃分，如圖5所示。每個節段計算2個拉索錨固處及其1 /4截面、1 /2截面、3 /4截面共5個橫斷面的剪力滯系數，取B1，B5，B8及B11共4個梁段橋面板進行分析，結果見圖6。

圖5　中跨主梁節段劃分

圖6　各個梁段橋面板不同截面處剪力滯系數

由圖6可知，在恒載作用下中跨疊合梁橋面板出現“正剪力滯”效應，并且橋面板在斜拉索錨固處剪力滯效應比拉索中間更加明顯。這主要是由于錨固在兩側鋼主梁上的斜拉索首先在錨固點產生應力集中，而鋼主梁與橋面板之間又有比較可靠的傳力機制。因此，鋼主梁的應力通過剪力連接件傳遞給橋面板導致錨固點附近橋面板產生應力集中現象，隨著應力的擴散，遠離錨固點的橋面板應力則相對均勻。

3. 3混凝土收縮徐變對橋面板應力的影響

本橋梁混凝土板采用C55混凝土，通過對成橋階段與混凝土收縮徐變10年后橋面板的應力分析，探討混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應的影響。成橋階段與收縮徐變10年后應力曲線見圖7，剪力滯系數見圖8。

由圖7可知，橋面板沿板跨方向應力值在成橋階段與收縮徐變10年后有比較明顯的差異，恒載作用下收縮徐變10年后橋面板的壓應力減小。這是因為混凝土收縮徐變對橋面板產生了部分拉應力，從而抵消了一部分恒載作用下產生的壓應力，這對橋面板壓應力儲備是不利的。

由圖8可知，在混凝土收縮徐變的影響下，橋面板剪力滯效應也發生了變化。混凝土收縮徐變后橋面板剪力滯系數略小于成橋階段，說明混凝土收縮徐變在一定程度上可以使得橋面板應力分布更加均勻。

圖7　成橋階段與收縮徐變10年后應力曲線

圖8　成橋階段與收縮徐變10年后控制截面剪力滯系數

4　結論

1）橋面板的剪力滯效應與施工階段有很大關系，施工階段橋面板剪力滯效應比成橋階段更為明顯。施工階段橋面板正應力逐漸趨于均勻。

2）橋面板在斜拉索錨固處剪力滯效應比拉索中間更加明顯。這主要是由于錨固在兩側鋼主梁上的斜拉索首先在錨固點產生應力集中，隨著應力的擴散，遠離錨固點的橋面板應力則相對均勻。

3）混凝土收縮徐變會產生拉應力從而抵消一部分壓應力，雖然降低了混凝土橋面板的應力儲備，但使得橋面板橫向應力分布更均勻。

參考文獻

［1］杜振華.大跨度斜拉橋鋼-混結合梁組合效應研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［2］陶海，肖汝誠.混凝土斜拉橋主梁剪力滯研究［J］.結構工程師，2008，24（5）：49-53.

［3］李海峰.鋼-混凝土工字梁橋剪力滯效應研究［J］.山西交通科技，2013（3）：56-58.

［4］申宇長，夏培華，朱浩.結合梁斜拉橋剪力滯效應研究［J］.施工技術，2014，43（增）：277-280.

［5］王應良，強士中，赫超.蕪湖長江大橋橋面板的有效寬度分析［J］.橋梁建設，1998（3）：13-15.

［6］劉沐宇，劉洋，袁衛國.考慮滑移效應的三塔結合梁斜拉橋橋面板有效寬度分析［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2012，36（5）：877-880.

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［9］謝澤福.結合梁斜拉橋懸臂施工階段剪力滯效應分析［J］.橋梁建設，2013，43（4）：14-19.

［10］羅許國，戴公連.三主桁斜拉橋橋面板剪力滯效應研究［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2008，40（3）：297-301，367.

（責任審編鄭冰）

Study on the Shear Lag Effect of Deck Slab of Hybrid Composite Girder Cable-stayed Bridge in Construction and Completed Bridge Stage

HU Jun1，2，MO Taidong2，JIA Junfeng3
（1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing 400074，China；2. College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

AbstractT aking the large-span composite girder cable-stayed bridge as subject，the shear lag effect of deck slab of composite girder cable-stayed bridge in construction and completed bridge stage was studied by establishing the spatial finite element model with beam and plate element. T he stress changes of deck slab were analyzed during the cantilever construction，completed bridge stage and after 10 years of shrinkage and creep of concrete. T he results indicate that the shear lag effect of deck slab in construction stage is more obvious than that in completed bridge stage，and the stress in construction stage is gradually uniform. T he shear lag effect is more obvious at the anchor position of the cable because of the stress concentration effect. T he shrinkage and creep effect will bring stress reduction of the bridge deck，but also the stress distribution will be more uniform.

Key wordsCable-stayed bridge；Composite Beam；Deck slab；Shear lag

中圖分類號U441+. 5；U448. 27

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 10

文章編號：1003-1995（2016）06-0036-04

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2016-01-22

基金項目：山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地（重慶交通大學）開放基金（CQSLBF-Y13-7）

作者簡介：胡俊（1984—），男，副教授，博士。