單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁空間效應參數(shù)分析

王巍

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

0 引言

傳統(tǒng)的纜索支撐體系扁平鋼箱梁典型橫斷面設(shè)計為少腹板形式：雙索面布置時，僅在兩側(cè)設(shè)置邊腹板；單索面布置時，除邊腹板外尚需在中央錨索區(qū)設(shè)置拉索錨固傳力腹板。當橋面寬度很大時，橫向受力及縱向剪力滯效應往往會比較突出，梁橋中的鋼箱梁往往可以通過增設(shè)中腹板控制腹板間距或增設(shè)小縱梁的構(gòu)造措施來提高縱向受力的有效寬度及橫向受力的擴散范圍。以上構(gòu)造措施對于纜索支撐的扁平鋼箱梁是否也同樣有效尚待研究。

1 工程概況

上海泖港大橋老橋因航道等級提升通航凈空不足及與規(guī)劃接線道路交通規(guī)模匹配等因素需要拆除重建，受紅線寬度及施工期間老橋保通等因素制約，泖港新橋擬采用單索面兩塔三跨豎琴形鋼箱斜拉橋方案，其跨徑布置L=110+225+110（m）。傳承老橋的建筑立面風格，斜拉索采用豎琴形布置，梁上索距7 m，塔上索距3.5 m，立面布置如圖1所示。

圖1 泖港新橋立面布置圖(單位：m)

新橋橋面承載兩側(cè)人非通道及雙向6車道交通功能，橋面寬度達38.2 m。由于橋?qū)捿^大，單索面布置時，加勁梁僅在橫斷面中部有斜拉索彈性支撐，橫向懸挑超過18 m。考慮到加勁梁的橫向受力及抗扭剛度需要，加勁梁擬采用梁高3.5 m的扁平鋼箱梁形式。寬幅單索面支撐的扁平鋼箱梁在車輛重軸作用下橫橋向應力分布及變形特征、活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形、縱向剪力滯效應[1]成為鋼箱梁設(shè)計時較為關(guān)心的問題。

針對以上問題，采用通用有限元程序ANSYS對主跨鋼箱梁及斜拉索進行空間有限元模擬[2]，著重比較了主梁兩側(cè)扁平箱室中部(即邊斜腹板與拉索錨固腹板間)設(shè)置或不設(shè)腹板、設(shè)置小縱梁（縱梁梁高1.1 m）三種情況下鋼箱梁的空間受力特性。三種鋼箱梁橫截面構(gòu)造形式如圖2～圖4所示。

圖2 1/2鋼箱梁標準斷面構(gòu)造圖（設(shè)中腹板）

圖3 1/2鋼箱梁標準斷面構(gòu)造圖（不設(shè)中腹板）

圖4 1/2鋼箱梁標準斷面構(gòu)造圖（設(shè)小縱梁）

2 車輛重軸作用下鋼箱梁橫橋向應力分布及變形特征

建立主跨半模型如圖5所示，跨中鋼箱梁邊界采用對稱約束；塔根處鋼箱梁下方設(shè)有抗扭支座。加載工況：相距1.2 m雙140 kN車輛重軸作用于自主塔向跨中方向第6根拉索對應的橫隔板兩側(cè)（距離主塔中心56 m），3車道偏載布置。

圖5 鋼箱梁空間有限元模型

計算結(jié)果見圖6～圖11所示。

圖6 車輛重軸作用下頂板豎向位移云圖(單位：m)

圖7 車輛重軸作用下頂板橫橋向正應力云圖(單位：kPa)

圖8 錨索腹板位置處頂板橫橋向正應力沿縱向分布圖(單位：MPa)

圖9 車輛重軸作用處頂板豎向位移沿橫橋向分布圖(單位：mm)

圖10 車輛重軸作用下挑臂邊緣位置處頂板豎向位移沿縱向分布圖（單位：mm）

由圖6及圖7所示計算結(jié)果表明，車輛重軸作用下設(shè)置中腹板對錨索腹板位置處頂板橫橋向正應力減少較為明顯（峰值應力2.78 MPa），且可以顯著提升頂板橫向受力時沿縱向有效寬度（見表1），但設(shè)置小縱梁與不設(shè)中腹板的情形受力特性接近，說明小縱梁對橫向荷載沿縱向分配的作用較小。

圖11 車輛重軸作用下近荷載側(cè)斜拉索索力分布圖（單位：kN）

表1 車輛重軸作用時不同構(gòu)造情形下鋼箱梁橫向受力性能對比表

由圖8、圖9及圖10所示計算結(jié)果表明，三種構(gòu)造情形下箱梁豎向變形及扭轉(zhuǎn)變形的特征接近，設(shè)置中腹板時，箱梁偏載布置側(cè)邊緣最大豎向位移25.87 mm，較其他兩種情形減小2.9%（不設(shè)中腹板：26.62 mm；設(shè)置小縱梁26.61 mm）。

扭轉(zhuǎn)角方面（見圖9），在荷載作用截面，設(shè)置中腹板時，箱梁偏載布置側(cè)邊緣扭轉(zhuǎn)角0.00 067 rad，較其他兩種情形減小5.1%（不設(shè)中腹板：0.00 071 rad；設(shè)置小縱梁0.00 071 rad）。可見，設(shè)置中腹板對鋼箱梁在偏載作用下的豎向位移及扭轉(zhuǎn)角控制方面的作用有限，設(shè)置小縱梁的作用更微。

車輛重軸作用下索力分布方面，由圖11所示計算結(jié)果可見，三種構(gòu)造情形下近荷載布置側(cè)拉索索力分布規(guī)律接近，設(shè)置中腹板時，荷載布置位置附近拉索索力較小于其他兩種情形，說明設(shè)置中腹板對提高橫向荷載的縱向分布范圍有一定作用。索力總和方面，設(shè)置中腹板時，索力總和最小，說明在設(shè)置中腹板的情況下荷載更多由梁體縱向傳遞，拉索承擔的索力較小。

3 活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形

單索面斜拉橋在活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形往往也是設(shè)計關(guān)心的指標。過大的扭轉(zhuǎn)變形會影響行車舒適度，有人行通行需要時，亦會造成行人的心理恐慌。經(jīng)對活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形情況進行空間有限元分析，加載工況為：相距1.2 m雙140 kN重軸作用于主跨跨中截面兩側(cè)，3車道偏載布置；同時主跨偏載縱向滿布3個車道的城A車道荷載及人行及非機動車道荷載（3 kN/m2），發(fā)現(xiàn)在此工況作用下主跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角最大。

考慮到小縱梁設(shè)置對鋼箱梁抗扭剛度影響很小，僅對上述工況下主梁兩側(cè)扁平箱室中部設(shè)置或不設(shè)腹板兩種情況下箱梁扭轉(zhuǎn)進行分析。主跨跨中截面頂板豎向位移沿橫橋向的分布情況如圖12所示。增設(shè)中腹板時，鋼箱梁中跨跨中扭轉(zhuǎn)角為0.00 745 rad，對橫坡影響2±0.745%；不設(shè)中腹板時，鋼箱梁中跨跨中扭轉(zhuǎn)角為0.00 777 rad，對橫坡影響2±0.777%。二者扭轉(zhuǎn)角相差4.3%。說明增設(shè)中腹板對中跨跨中截面控制扭轉(zhuǎn)角作用效果有限，這是由于薄壁閉口斷面抗扭剛度主要由截面圍成面積決定[3]。

圖12 跨中截面頂板豎向位移沿橫橋向分布圖（單位：m）

4 鋼箱梁縱向剪力滯效應

考察3車道活載及人行及非機動車道荷載偏載布置下，以上三種構(gòu)造形式鋼箱梁頂板的剪力滯效應，其空間計算結(jié)果如圖13、圖14所示及表2所列。

由圖13可見，增設(shè)中腹板相對于不設(shè)中腹板及設(shè)置小縱梁的情況下主梁頂板應力擴散更快、應力分布更均勻，但效果不顯著。圖14所示及表2所列的計算結(jié)果表明，三種構(gòu)造情形下箱梁主跨四分點處的剪力滯系數(shù)接近（差別均不足0.5%），設(shè)置中腹板時在腹板對應位置出現(xiàn)小的應力峰值，但設(shè)置小縱梁的情形與不設(shè)中腹板的情形基本一致。

圖13 主跨鋼箱梁頂板縱橋向應力云圖（單位：kPa）

圖14 主跨鋼箱梁中跨四分點位置頂板縱橋向應力沿橫向分布圖（單位：MPa）

5 結(jié)語

本文對單索面寬幅鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置中腹板、不設(shè)中腹板、設(shè)置小縱梁三種構(gòu)造參數(shù)情況，分析了活載作用下鋼箱梁橫向應力分布、箱梁空間扭轉(zhuǎn)變形、縱橋向剪力滯效應等空間受力特性，得到以下兩點結(jié)論：

表2 不同構(gòu)造形式下主跨鋼箱梁中跨四分點位置剪力滯效應對比表

（1）單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置中腹板可顯著提高鋼箱梁橫橋向有效寬度；但其設(shè)置對箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響較小。

（2）單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置小縱梁對鋼箱梁橫向有效寬度、箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響甚微。

鑒于增設(shè)中腹板對鋼箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響較小，且車輛重軸作用下鋼箱梁挑臂根部截面頂板橫向應力水平較低，為提高鋼箱梁橫橋向有效寬度而增設(shè)中腹板的方案經(jīng)濟性不佳。因此，建議在單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁橫斷面構(gòu)造設(shè)計時，在邊斜腹板及錨索腹板間不擬增設(shè)中腹板或小縱梁。

[1]顧民杰，吳關(guān)良，葛競輝，孫洋.重載交通下特大型單索面帆形混合塔斜拉橋設(shè)計技術(shù)[J].公路,2013,（9）：301-305.

[2]蘇慶田，吳沖，董冰.斜拉橋扁平鋼箱梁的有限混合單元法分析[J].同濟大學學報,2005,33(6)：742-746.

[3]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.