雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應參數敏感性研究

玉新華

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

疊合梁斜拉橋橋面板處于壓彎共同作用下，混凝土橋面板寬而薄，剪力滯效應顯著且橋面板應力分布規律難以分析，不少研究學者對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應進行了研究分析。聶建國[1]的研究分析指出雙主梁形式的疊合梁斜拉橋橋面板，在壓彎荷載共同作用下具有明顯剪力滯后現象，結合大跨疊合梁斜拉橋工程實例分析，得到斜拉索軸向荷載作用下疊合梁斜拉橋混凝土橋面板正應力沿截面橫向分布情況與軸向力在橋面板中的傳遞角度；孫寒陽[2]對壓彎作用下雙工字鋼疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應及軸向力作用下橋面板有效寬度進行研究，得到軸向力作用下橋面板有效寬度系數實用計算方法；武芳文[3]以簡支和懸臂鋼主梁體系為研究對象，采用數值分析方法對不同寬跨比下的雙邊箱鋼主梁剪力滯效應進行了分析計算。在以上學者研究分析的基礎上，本文以雙塔雙索面疊合梁斜拉橋工程實例為依托，采用有限元法對雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應參數敏感性進行研究分析，考慮雙邊箱疊合梁參數變化對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應的影響，選取疊合梁混凝土橋面板剪力滯效應的兩個關鍵影響因素——橋面寬度和橋面單向橫坡進行剪力滯效應參數敏感性的研究。

1 工程概況

洛溪大橋拓寬工程兩幅新橋均為橋梁全長570m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨徑布置為(30+95+305+110+30)m。斜拉橋主梁采用剪力釘與混凝土橋面板結合而成的雙邊箱疊合梁，其組合為：0.5m防撞墻+11.5m車行道（0.5m 路緣帶+3×3.5m 車行道+0.5m 路緣帶）+2.5m 人行道=14.5m。主梁采用雙邊箱型鋼-混凝土疊合梁結構形式，設置單向1.5%橫坡；預制橋面板厚度為25cm，橫截面中部位置設有一道小縱梁；斜拉索標準索距12m；橋面寬15m，縱向標準梁段長12m。疊合梁橫斷面如圖1所示。

圖1 疊合梁橫斷面圖（單位：cm）

2 雙邊箱疊合梁有限元模型建立

針對該雙邊箱疊合梁斜拉橋，選取工程中跨S1～S6節段最大雙懸臂施工這個具有代表性的施工階段進行剪力滯效應參數敏感性研究。建立局部計算模型研究濕接縫滯后澆筑疊合梁斜拉橋剪力滯效應，如圖2所示。

圖2 疊合梁斜拉橋局部模型

為真實模擬疊合梁混凝土橋面板與鋼梁頂底板的應力分布規律，采用實體單元SOLID 45 模擬混凝土橋面板、鋼箱梁頂、底板。疊合梁鋼箱梁腹板采用SHELL 181 殼體單元進行模擬。研究分析時，假定疊合梁混凝土橋面板與鋼箱梁緊密結合，不發生相對滑移；在鋼箱梁頂、底板對應的節點上設置TARGE 170目標單元，然后于腹板頂、底部設置CONTA 175 接觸單元，利用SHSD 命令建立接觸對，以此實現具有不同節點自由度的2 種單元的連接，保證了局部模型的準確性。同時進行如下近似處理：

（1）不考慮疊合梁疊合面的滑移效應，即疊合梁雙邊箱梁、橫梁及小縱梁與混凝土橋面板不發生相對滑移效應；

（2）將疊合梁鋼梁與混凝土橋面板連接的剪力釘進行模型簡化，對雙邊鋼箱梁頂板與混凝土橋面板共用節點進行方式模擬處理，而橫梁及小縱梁與混凝土橋面板建立接觸對模擬；

（3）實際施工過程中，疊合梁斜拉橋雙懸臂施工基本處于對稱狀態，所以僅建立跨中1/2跨模型進行簡化計算，并在局部模型施加力、位移邊界條件；

（4）由于斜拉索空間位置的局限，將拉索力以水平軸向分力與豎向分力施加于鋼錨箱對應腹板位置處。

3 混凝土橋面寬度對橋面板剪力滯效應的影響

為研究疊合梁混凝土橋面板寬度變化對雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應的影響，選取圖3 所示疊合梁橋面板寬度，其中雙邊鋼箱梁間距b分別取值為10000mm、15000mm、20000mm。疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應會受到疊合梁寬度的影響，而改變雙邊箱梁間距的同時，也改變了疊合梁的寬度。疊合梁橋面寬度變化時斜拉索錨固截面剪力滯系數如圖4 所示。

圖3 疊合梁橫截面寬度(單位：mm)

圖4 疊合梁橋面寬度變化時斜拉索錨固截面剪力滯系數

橋面寬度變化時，對疊合梁橋面板的S1至S3號斜拉索錨固截面進行剪力滯效應研究，依據剪力滯系數的計算式[4]可計算得到斜拉索錨固截面的剪力滯系數：

由圖4（a）、（b）、（c）可知，疊合梁橋面板寬度變化時，斜拉索錨固截面混凝土橋面板的正應力分布十分不均勻，具體表現為S1 號斜拉索錨固截面在斜拉索錨固位置x=0 與截面終止位置均產生負剪力滯效應，剪力滯系數＜1；因為這兩處為斜拉索錨固位置，斜拉索豎向分力產生局部效應使得該處產生拉應力，進而導致混凝土橋面板壓應力減小。橋面寬度變化時，截面中心位置（x=5000mm、x=7500mm 與x=10000mm）呈現負剪力滯效應，但由于截面中心位置設置有小縱梁，使負剪力滯效應有小幅度減緩。

橋面寬度變化時，S2 號斜拉索錨固截面的剪力滯系數在截面中心位置變化較大，由橋面寬底b=15000mm 的0.72 變化至截面寬度最小時的1.36。橋面寬度減小時，截面中心位置由于布設了小縱梁，使得該處截面的正應力發生變化，呈現正剪力滯效應。

同樣地，橋面寬度增大至b=15000mm時，小縱梁布設位置剪力滯系數提高，但其變化幅度較橋面寬度減小時小。對S2 號斜拉索中間截面x=0 與截面終止位置，與S1 號斜拉索錨固截面剪力滯效應規律一致；由于拉索錨固點局部效應出現了拉應力，使得該處混凝土橋面板出現負剪力滯效應。因為S2、S3 號斜拉索錨固截面并未受到臨時約束，所以在內側腹板位置未出現與S1號斜拉索錨固截面類似的反對稱剪力滯效應。

S3 號斜拉索錨固截面總體規律與S2 號斜拉索錨固截面一致，但其在橋面寬度增大時，小縱梁的設置由S2號斜拉索錨固截面的有利作用變化為加劇負剪力滯效應的不利作用，在設計時應重點考量橋面寬度變化時小縱梁的布設位置；橋面寬度減小，小縱梁的設置可以較大幅度減緩剪力滯效應，截面中心的剪力滯系數由橋面寬度為b=15000mm時的0.55增大至橋面寬度為b=10000mm 時的1.14，提高約0.6，對改善截面負剪力滯效應較為有利。

4 疊合梁橋面單向橫坡對橋面板剪力滯效應的影響

疊合梁的橋面橫坡對疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的剪力滯效應必然會產生影響[5]，就此對橋面設置單向1.5%橫坡、不設置橫坡的雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應進行研究。疊合梁橋面橫坡變化時疊合梁橫截面如圖5所示，橋面橫坡變化時，疊合梁斜拉橋S1至S3號斜拉索錨固截面剪力滯系數變化情況如圖6 所示。

圖5 疊合梁橋面橫坡變化時橫截面（單位：mm）

由圖6（a）可知，截面在無橫坡設置時S1 號斜拉索截面的剪力滯系數沿截面中心位置x=7500mm對稱，呈現出截面邊緣因為受到斜拉索局部效應產生拉應力進而出現負剪力滯效應的規律。受臨時約束的S1 號斜拉索錨固截面，橫坡的設置使得該截面的剪力滯系數分布沿截面中心呈反對稱趨勢；而無橫坡設置時，剪力滯系數沿截面中心呈正對稱趨勢分布；具體表現為設置橫坡后，疊合梁混凝土橋面板對應于雙邊箱梁內側腹板位置處產生反對稱的剪力滯效應，而無橫坡設置時，該位置處產生輕微的負剪力滯效應，剪力滯系數在0.75～1.25范圍內。對疊合梁斜拉橋塔根附近的截面，即通常設置有豎向臨時約束的斜拉索錨固截面，應重點關注該處截面在橫坡變化時的剪力滯效應。

由圖6（b）、（c）可知，S2 與S3 號斜拉索錨固截面的剪力滯系數分布規律較為一致。對這兩處截面進行分析：斜拉索局部效應會使得斜拉索錨固截面邊緣產生負剪力滯效應，且在無橫坡設置時截面邊緣的負剪力滯效應有所加劇。S1號斜拉索截面中心設置的小縱梁可以小幅度減緩該處的負剪力滯效應；但在設置1.5%橫坡時，S2 與S3 號斜拉索錨固截面的小縱梁設置，使截面的負剪力滯效應略微加劇；且S1至S3號斜拉索錨固截面中心位置設置的小縱梁均減緩了負剪力滯效應，但程度有限。

圖6 疊合梁橋面橫坡變化時斜拉索錨固截面剪力滯系數

5 結束語

本文以雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板為研究對象，采用有限元法對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應的參數敏感性進行研究分析，結論如下：

（1）研究分析雙邊箱疊合梁的設計參數——疊合梁混凝土橋面寬度、橋面單向橫坡對橋面板剪力滯效應影響，可知雙邊箱疊合梁的設計參數使疊合梁混凝土橋面板斜拉索錨固截面剪力滯系數產生變化。

（2）疊合梁橋面寬度變化時，斜拉索錨固截面在接近塔根位置處截面雙邊箱梁內側腹板對應位置混凝土橋面板產生反對稱的剪力滯效應，但橋面寬度對塔根斜拉索錨固截面剪力滯效應影響不大；而塔根以外截面拉索錨固位置由于斜拉索的局部效應使得橋面板壓應力儲備降低，橋面寬度的減小使截面中心位置剪力滯系數降低約0.6，斜拉索中間截面呈現出相對一致的剪力滯效應分布規律。

（3）疊合梁的橋面橫坡變化時，荷載作用下設置有豎向臨時約束的塔根附近斜拉索錨固截面受到橫坡影響，剪力滯系數沿截面中心呈現反對稱趨勢；在不設置橫坡時沿截面中心位置對稱，剪力滯系數分布更為均勻，剪力滯系數在0.75～1.25 范圍內。塔根以外斜拉索錨固截面出現較為一致的規律，斜拉索錨固截面邊緣產生負剪力滯效應，且在無橫坡時截面邊緣的負剪力滯效應有所加劇。而斜拉索中間截面剪力滯系數分布沿截面中心呈對稱趨勢。