鉆石形三塔斜拉橋主梁受力特性研究

張 斌

上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

鋼箱梁因其自重輕、抗彎抗扭剛度大、施工便捷等優(yōu)點，常被用于各種大跨度橋梁結構中[1]，如已建成的江陰長江大橋、蘇通大橋等都采用了這種結構形式。由于鋼箱梁板件多，縱、橫向剛度差異大，故鋼箱梁橋的受力狀態(tài)十分復雜，箱梁頂底板的剪力滯效應嚴重[1-3]。國內學者已經進行了大量研究，熊禮鵬等[4]采用空間板殼有限單元法分析了扁平鋼箱梁的剪力滯分布規(guī)律，張慧等[5]采用模型試驗的方法研究了大懸臂魚腹式薄壁鋼箱梁的剪力滯效應。本文采用空間桿系與空間板單元相結合的混合有限元方法，模擬了實際的施工工況，對鋼箱梁在施工過程中的受力性能及剪力滯效應進行了分析。

1 工程背景

宜興市范蠡大橋為三塔單索面鋼箱梁斜拉橋（圖1），主橋跨徑為（82＋168＋168＋82） m。橋塔采用鉆石形空間四塔柱鋼結構框架，橋梁采用塔墩固接、塔梁分離的連續(xù)梁支撐體系。斜拉索按扇形布置，邊塔兩側共7對索，中塔兩側共9對索，每對斜拉索之間布置1對水平索。主梁為單箱多室扁平鋼箱梁，中心線處梁高2.8 m，標準斷面梁寬39 m（圖2）。

圖1 橋梁總體布置

圖2 主梁標準橫斷面

橋跨結構采用廠內分段制作，現場分段吊裝的方式，先安裝橋塔結構至下橫梁，再安裝邊跨鋼箱梁至邊塔，鋼箱梁現場采用分段拼裝滑移就位，然后同步安裝中跨鋼箱梁和橋塔，鋼梁合龍后掛索、張拉水平索和斜拉索[6]。先張拉水平索，從ZS1/BS1到ZS9/BS7依次張拉，再張拉斜拉索，斜拉索三塔同時張拉，從ZZ9/BB7/BZ7到ZZ3/BB1/BZ1、ZZ2、ZZ1依次張拉。

2 計算模型

采用有限元軟件建立全橋梁單元模型〔圖3（a）〕，拉索用桁架單元模擬，并考慮了索的垂度效應。塔底為固定約束，塔梁用剛臂連接。為了研究主梁橫向應力分布及剪力滯效應，對梁段A和梁段A'采用板單元建立精細化模型〔圖3（b）〕。

模型包括鋼箱梁的頂板、底板、腹板、加勁肋、橫隔板以及鋼錨箱，其中，頂板、底板厚16～24 mm，腹板厚16～30 mm，U肋厚6～8 mm，開口肋厚16 mm。空間精細模型節(jié)點數共計13 892個，單元數共計15 973個。其中，只受拉單元（拉索）共計138個，空間梁單元647個，板單元15 188個。

圖3 結構空間精細有限元模型

為了研究施工工況對鋼箱梁頂、底板應力分布和剪力滯效應的影響，模型中模擬了實際的施工過程，按照下塔柱、主梁、上塔柱、斜拉索的施工順序進行。

3 結構受力分析

本文對影響主梁受力較大的斜拉索BB1/BZ1/ZZ3、ZZ2、ZZ1張拉和二期恒載4個工況展開分析（圖4），其中截面1-1和截面3-3分別位于斜拉索ZZ1和BZ1的鋼錨箱中心位置。

圖4 主梁應力分析截面示意

3.1 應力分析

由梁段A頂板和底板在各施工工況下的截面縱向應力分布（圖5、圖6）可知：主梁結構橫向對稱，縱向應力在橫向分布對稱但不均勻。位于鋼錨箱附近的1-1截面和3-3截面尤為明顯，在斜拉索張拉時錨箱與腹板處縱向應力有15 MPa的最大突變；離鋼錨箱較遠的2-2截面，縱向應力無突變，但在中腹板處有應力集中的現象。

圖5 梁段A頂板施工過程截面縱向應力分布

圖6 梁段A底板施工過程截面縱向應力分布

由梁段A各截面頂、底板在各施工工況下的縱向應力計算值（圖7、圖8）可知：各截面在不同施工工況下縱向應力的橫向分布規(guī)律相似，斜拉索張拉與二期恒載僅對其應力值產生影響。縱向應力在橫向分布很不均勻，梁段A頂板各截面應力在－10～22 MPa之間變化，底板各截面應力在－20～ 10 MPa之間變化。

3.2 剪力滯分析

圖7 梁段A頂板截面各施工階段應力

圖8 梁段A底板截面各施工階段應力

圖9 梁段A頂板各截面剪力滯系數

圖10 梁段A底板各截面剪力滯系數

分析圖9、圖10可知：在主梁施工過程中，頂、底板的縱向正應力橫向分布不均勻，頂板剪力滯系數在0.4～3.5之間變化，底板剪力滯系數在0.4～1.9之間變化；不同工況對剪力滯系數的影響較大，斜拉索BZ1和ZZ1在張拉時，梁段A各截面剪力滯系數出現較大的起伏，位于鋼錨箱附近的1-1截面和3-3截面表現最顯著。二期鋪裝加載后，剪力滯系數變得較為均勻，說明二期鋪裝對主梁截面縱向正應力沿橫橋向分布的不均勻性有較大改善，但對于剪力滯系數的大小并無明顯改善，部分截面的剪力滯系數有所增加。

4 結語

本文通過空間有限元精細化模型，對鋼箱梁頂板和底板在施工過程中的應力分布和剪力滯效應進行了分析，得到以下結論：

1）斜拉橋主梁頂、底板縱向應力在橫向分布很不均勻，與初等梁理論的計算結果有較大差異。

2）同一施工工況下，不同截面的縱向應力橫向分布差異較大，鋼錨箱附近的截面比遠離鋼錨箱的截面更不均勻。

3）施工工況對截面剪力滯系數影響較大，頂板剪力滯系數在0.4～3.5之間變化，底板剪力滯系數在0.4～1.9之間變化。