大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中橫向應力分布規律研究

危媛丞，李周，鄭熒光，褚東升，閔世超

（1.深圳市龍華新區大浪辦事處建設工程事務中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學，湖南長沙 410082；4.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學，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力分布規律研究

危媛丞1，李周2，3，鄭熒光2，褚東升4，閔世超5

（1.深圳市龍華新區大浪辦事處建設工程事務中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學，湖南長沙 410082；4.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學，江西南昌 330013）

以鄭州潮河大橋為工程依托，對正交異性板鋼箱梁施工過程中的空間應力狀況進行現場實測和有限元模擬，對比分析其橫向應力分布特點。結果表明，現場實測與有限元計算所得分布規律基本吻合，施工過程中鋼箱梁橫向應力具有較大的安全儲備；沿橋跨方向，主塔截面位置頂、底板橫向應力值較大；沿橫截面方向，橫截面中心位置橫向應力較大；鋼箱梁橫向處于下撓狀態；完成橋面鋪裝時鋼箱梁頂、底板橫向應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；橫向應力

在各種橋梁結構體系中，懸索橋是跨越能力最強的橋型，也是景觀效果較好的橋型之一。無論是大跨度公路橋，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用，而這些橋梁大多采用正交異性橋面板鋼箱梁結構形式。

正交異性板鋼箱梁具有高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造等優點，但其制造要求較高、結構受力復雜。國內已開展很多相關研究，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算方法，郁春松、張陜鋒研究了正交異性板鋼箱梁的計算與結構優化問題，楊燦、段政、孔祥福研究了正交異性板鋼箱梁的空間應力、局部應力分布規律和受力性能；劉信斌、衣龍泉分析了鋼箱梁剪力滯系數的橫向變化規律。但對正交異性板鋼箱梁施工過程中橫向應力的研究較少。該文以鄭州潮河大橋為工程依托，對正交異性板鋼箱梁的空間應力狀況進行現場實測和有限元模擬，研究大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中的應力特點。

1 工程概況

鄭州潮河大橋為鄭州經濟開發區濱河國際新城經南八路跨越潮河的一個節點工程，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構，頂寬45 m，中線處梁高2 m，懸臂板長5.808 m。全橋鋼箱梁分為四類（見圖1）：Z1為標準段，長6 m；Z2為

合龍段，長3.7 m；Z3為中塔、邊塔段，長12.3 m；Z4為端橫梁位置，長3.69 m。鋼箱梁節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造，縱向加勁肋為U形肋，頂板U形肋間距600 mm；底板機動車道范圍加勁肋采用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設一道標準橫隔板。鋼箱梁截面構造見圖2。

圖1 半橋鋼箱梁節段劃分示意圖（單位：mm）

圖2 鋼箱梁截面構造示意圖（單位：mm）

2 現場測試方案

2.1 測點布置

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）作為應變測點布置控制斷面（見圖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 鋼箱梁應變測點布置斷面（單位：cm）

每個控制斷面頂、底板各布置3個橫向應變計、6個測點，全橋共36個測點，橫向具體位置為兩吊索及梁截面中心處，采用XHX-21x型振弦式表面應變計（見圖4）。

圖4 鋼箱梁橫向應變計布置（單位：mm）

2.2 測試工況

該橋吊索共進行三輪張拉，前兩輪張拉過程中胎架未拆除，鋼箱梁應力較小，可不予考慮。第三輪張拉開始后，尤其是在胎架拆除后，鋼箱梁各測點應力較大，應力測試主要針對這一情況。設置兩種測試工況：工況1為拆除胎架；工況2為施工第二層瀝青砼鋪裝，成橋。吊索編號見圖5，測試工況下鋼箱梁吊索張拉力見表1。

圖5 吊索布置及編號

表1 各測試工況下吊索張拉力

3 測試結果分析

3.1 有限元計算模型

為分析現場實測結果的合理性，采用ANSYS軟件建立鋼箱梁三維有限元模型進行比較分析。

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應支座約束；因分析對象是鋼箱梁，不建立纜索系統而在相應節點處施加豎向拉力來模擬吊索張拉力；考慮到結構和荷載的對稱性，僅建立全橋鋼箱梁的1／4模型（見圖6）。

模型共劃分為149 349個單元，鋼箱梁結構均采用三維四節點單元Shell181模擬。計算工況與測試工況一致，工況1時在鋼箱梁吊點處施加豎向力來模擬吊索張拉力，工況2時機動車道二期恒載取4.13 k N／m2，索區、人行道、非機動車道二期恒載取3.00 k N／m2。

圖6 鋼箱梁1／4有限元模型

3.2 橫向應力沿橋跨方向的分布規律

橫向應力沿橋跨方向的分布見圖7、圖8。

圖7 工況1鋼箱梁橫向應力沿橋跨的分布

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

各測點橫向應力實測結果與計算結果對比見表2。從表2可看出：1）各測點實測橫向應力沿橋跨的分布與計算結果基本吻合，但存在一定誤差，部分測點相對誤差超過100%，甚至達到數倍。考慮到天氣條件、安裝和測試人員的操作規范與否、施工人員及施工機具的直接或間接作用、吊索張拉力是否精確等大量隨機因素的影響，部分測點出現較大誤差是正常的。相對誤差較大的測點一般橫向應力較小，而橫向應力較大的測點其實測值與計算值較接近，實測結果與計算結果所得出的分布規律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應力特征，說明實測方法及結果可靠，有限元計算模型合理。

2）S2、S6截面處鋼箱梁頂、底板的橫向應力相對較大，實測和計算橫向應力最大值分別為59.34、71.93 MPa，均發生在工況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、底板的橫向應力均較小，兩種工況下實測和計算橫向應力最大值均不超過40 MPa，大部分測點橫向應力在20MPa以內，具有很大的安全儲備。

圖8 工況2鋼箱梁橫向應力沿橋跨的分布

表2 各測點橫向應力實測結果與計算結果對比

3.3 橫向應力沿橫截面方向的分布規律

受測點數量的限制，不能同時沿橋縱向和橫向布置較多的橫向應變計。在鋼箱梁頂、底板橫向應變計布置過程中側重考慮鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橋跨方向的分布，在測點布置上沿橋跨選擇較多的測試截面（S1～S6）。在每個橫截面上僅在預設的關鍵位置（梁截面中心及兩側吊索位置附近）布置測點，對于1／4模型的鋼箱梁頂、底板橫向應力來說，S1～S6每個斷面都分別僅有2個測點，僅根據實測數據并不能得出鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橫截面方向的分布規律，無法確定在橫截面的哪個位置橫向應力最不利。

在實測與計算所得出的橫向應力沿橋跨分布規律基本吻合、有限元計算結果合理性得到實測結果驗證的前提下，可僅通過有限元計算結果來分析鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橫截面方向的分布規律（見圖9、圖10）。

從圖9、圖10可以看出：鋼箱梁頂、底板橫向應力在橫坐標為零處達到最大，即橫截面中心處鋼箱梁橫向應力值最大，但最大值不超過80 MPa，相對于Q345qD的容許彎曲應力210 MPa而言，具有很大的安全儲備。

圖9 鋼箱梁頂板橫向應力沿橫斷面的分布

圖10 鋼箱梁底板橫向應力沿橫斷面的分布規律

4 結論

（1）現場實測結果與有限元計算結果所得出的橫向應力沿橋跨分布規律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應力特征，實測方法及實測結果可靠，有限元計算模型合理。

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

（3）鋼箱梁頂板主要受橫向壓應力、底板主要受橫向拉應力，鋼箱梁橫向處于下撓狀態。

（4）與拆除胎架時相比，完成橋面鋪裝成橋時的鋼箱梁頂、底板橫向應力峰值大幅減小，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，施工過程中頂、底板橫向應力均較小，遠小于設計所用鋼材的容許應力，具有較大的安全儲備。

［1］ 程建華，熊健民，周金枝.鋼箱梁正交異性板受力性能分析［J］.鋼結構，2014（2）.

［2］ 邢中凱.鋼箱梁正交異性橋面板受力特性及計算方法分析研究［D］.上海：同濟大學，2003.

［3］ 郁春松.正交異性鋼箱梁橋面板的優化設計［D］.長沙：湖南大學，2011.

［4］ 張陜鋒.正交異性板扁平鋼箱梁若干問題研究［D］.南京：東南大學，2016.

［5］ 段政，吳臻旺.鋼箱梁正交異性板橋面局部應力影響因素分析［J］.城市道橋與防洪，2015（9）.

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1671-2668（2016）06-0187-06

2016-04-29