寬幅分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋剪力滯效應(yīng)研究

于祥敏,劉 進(jìn),杜曉慶,2,倪 錚

(1.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院, 上海 200444; 2.上海大學(xué) 風(fēng)工程和氣動(dòng)控制研究中心, 上海 200444;3. 中國(guó)建筑基礎(chǔ)設(shè)施有限公司, 北京 100000)

0 引 言

鋼-混組合梁斜拉橋充分利用鋼材抗拉強(qiáng)度高和混凝土抗壓能力強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì),具有自重輕、跨越能力大、施工便利、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1-2],在300～700 m的大跨度橋梁中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。組合梁斜拉橋常用鋼主梁形式為雙邊工字梁、雙邊小箱梁和單箱多室箱梁,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通量快速增長(zhǎng),近年來(lái)開(kāi)始采用新型的分離式雙邊鋼箱組合梁以適應(yīng)更寬的6～8車道需求,例如望東長(zhǎng)江大橋和椒江二橋。分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋的橋面寬度大、橫向剛度大、抗風(fēng)性能好,兼具槽型單箱組合梁與矩形雙箱組合梁的優(yōu)點(diǎn),在寬幅大跨徑斜拉橋中應(yīng)用前景廣闊[3]。

分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的剪力滯現(xiàn)象,在實(shí)際的設(shè)計(jì)分析中如未考慮剪力滯,會(huì)高估主梁承載能力,容易導(dǎo)致橋面板開(kāi)裂等安全隱患[4-7],所以有必要對(duì)其進(jìn)行剪力滯效應(yīng)的分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究,劉洋等[8]基于能量變分法及矩陣分析法研究了П形工字鋼-混凝土組合梁斜拉橋施工過(guò)程中的剪力滯效應(yīng);朱力等[9]通過(guò)虛功原理和有限差分法提出了鋼-混凝土組合箱型梁考慮滑移和剪力滯效應(yīng)的理論模型;WANG Chunsheng等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了組合梁斜拉橋在不同荷載作用下的剪力滯效應(yīng),并建立了考慮滑移效應(yīng)的有限梁段模型;ZHU Li等[11]通過(guò)試驗(yàn)分析了組合梁橋面板的剪力滯效應(yīng),確定了其有效寬度的縱向分布特性,并提出有效寬度的預(yù)測(cè)公式。

綜上可知,現(xiàn)有組合梁剪力滯效應(yīng)研究多針對(duì)雙邊工字梁組合梁及雙邊小箱梁組合梁,鮮有對(duì)分離式雙邊鋼箱組合梁剪力滯效應(yīng)的研究。基于此,筆者通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算法,建立分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋的桿系模型及節(jié)段精細(xì)化模型,研究其成橋狀態(tài)及施工過(guò)程中的剪力滯效應(yīng),并通過(guò)參數(shù)敏感性分析研究鋼主梁的板厚對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響,為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程背景

文中的背景工程為一座雙塔雙索面半漂浮體系的分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋,跨徑布置為(95+220+95)m=410 m,如圖1。該橋采用單層橋面布置,雙向八車道城市公路,設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。車輛荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。全橋主梁共劃分為49個(gè)梁段,標(biāo)準(zhǔn)梁段采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝,包括邊跨B2～B7和中跨Z2～Z11節(jié)段。每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度為9 m,最大起吊重量約為290 t。索塔區(qū)梁段0#塊(B0-1/B0-2/Z0-1/Z0-2)和1#塊(B1/Z1)采用浮吊架設(shè),邊跨現(xiàn)澆梁段(B8/B9)采用支架安裝。

圖1 橋型布置 (單位:cm)

標(biāo)準(zhǔn)梁段由混凝土板、分離式雙邊鋼箱、橫隔板、小縱梁等組成。主梁中心線處梁高3.5 m,全寬45.9 m(含風(fēng)嘴),建成后將成為國(guó)內(nèi)最寬的分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋。其中,鋼箱梁中心線處梁高3.1 m,由雙邊箱、橫隔板及加勁肋等組成。混凝土板標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.28 m,在鋼梁腹板附近變厚至0.40 m,標(biāo)準(zhǔn)梁段的具體構(gòu)造與詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)圖2。主塔為H形,塔高110 m,索塔頂寬40.7 m,設(shè)置上下兩道橫梁。全橋共2×4×11=88根平行鋼絲斜拉索,最長(zhǎng)索長(zhǎng)為122.75 m,重約9.4 t,梁上標(biāo)準(zhǔn)索距為9 m。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)造 (單位:mm)

2 有限元方法

2.1 模型驗(yàn)證

有限元分析的結(jié)果受模型材料、網(wǎng)格尺寸、邊界條件等影響。筆者為了驗(yàn)證有限元方法的可靠性,針對(duì)文獻(xiàn) [12] 和文獻(xiàn) [13] 中的工字形(模型1)和雙邊工字形組合梁(模型2)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。圖3為所選模型的關(guān)鍵信息,包括模型的材料特性(E為彈性模量,γ為泊松比,ρ為密度)、模型的跨徑、施加的荷載、邊界條件及橫截面的具體尺寸。模型中的混凝土板都采用SOLID45實(shí)體單元模擬,鋼主梁采用SHELL43殼單元模擬,鋼主梁與混凝土板之間采用完全抗剪連接。

圖3 驗(yàn)證模型幾何參數(shù)和材料特性 (單位:mm)

圖4給出了有限元分析結(jié)果,包括模型1混凝土板的豎向撓度和模型2跨中截面混凝土板的應(yīng)力。對(duì)于兩端固結(jié)的工字形組合梁,在均布力荷載作用下,跨中位置處的豎向撓度最大,兩端位移幾乎為0,如圖4(a)。文中結(jié)果與文獻(xiàn)[12]計(jì)算結(jié)果的平均比率為97%,標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.1%。對(duì)于兩端簡(jiǎn)支的雙邊工字形組合梁,均布力荷載作用下混凝土板處于受壓狀態(tài),工字形鋼梁頂壓應(yīng)力最大,跨中和兩端壓應(yīng)力最小,如圖4(b)。文中結(jié)果與文獻(xiàn)[13]計(jì)算結(jié)果的最大誤差為7.85%,標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.04%。綜上可知,文中結(jié)果與所選模型的結(jié)果吻合良好,證明了有限元方法的可靠性。

圖4 驗(yàn)證模型結(jié)果對(duì)比

2.2 有限元分析

筆者首先采用MIDAS CIVIL建立背景工程的全橋桿系模型,進(jìn)行整體計(jì)算分析,得到成橋狀態(tài)和施工過(guò)程中按初等梁理論計(jì)算的鋼箱梁及混凝土板應(yīng)力,考慮結(jié)構(gòu)自重、斜拉索索力、預(yù)應(yīng)力、汽車荷載、人群荷載、溫度和基礎(chǔ)沉降等作用。其中,主梁、主塔和橋墩均采用梁?jiǎn)卧M,斜拉索采用桁架單元模擬,全橋模型共581節(jié)點(diǎn),488單元,如圖5(a)。在整體計(jì)算分析時(shí),首先通過(guò)索力優(yōu)化得到理想成橋狀態(tài),再進(jìn)行施工全過(guò)程仿真分析,并按GB 50917—2013《鋼—混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行荷載組合,取最不利基本組合進(jìn)行計(jì)算分析[14-15]。模型采用的主要材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖5 有限元模型

進(jìn)一步,采用ANSYS建立背景工程的三維節(jié)段精細(xì)化模型,進(jìn)行主跨梁段的局部分析,以得到鋼箱梁及混凝土板的應(yīng)力分布情況。考慮到結(jié)構(gòu)及荷載都對(duì)稱,建立一半的結(jié)構(gòu)模型以提高計(jì)算效率。為了降低邊界效應(yīng)的影響,建立了中跨的5個(gè)主梁節(jié)段,模型全長(zhǎng)45 m,寬度為18.7 m,如圖5(b) 。其中,鋼主梁和錨拉板采用殼單元SHELL63模擬,混凝土橋面板用實(shí)體單元SOLID95模擬,預(yù)應(yīng)力采用LINK8。鋼主梁的網(wǎng)格尺寸為250 mm,混凝土橋面板的網(wǎng)格尺寸為300 mm,模型共359 052節(jié)點(diǎn),190 495單元。鋼主梁與混凝土橋面板之間面面綁定約束來(lái)進(jìn)行傳力,斜拉索索力采用節(jié)點(diǎn)力形式施加到錨拉板上,二期恒載通過(guò)面荷載的形式施加到混凝土板上,縱向和橫向預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)升降溫的形式施加到混凝土板上。模型的邊界條件為:橫向?qū)ΨQ面上施加對(duì)稱約束,主梁一端施加固定約束,另一端施加邊界荷載,邊界荷載提取自MIDAS CIVIL中相應(yīng)工況及截面的軸力、彎矩和剪力。

3 成橋狀態(tài)剪力滯效應(yīng)

圖6給出了成橋狀態(tài)不同節(jié)段主梁混凝土板的應(yīng)力分布。可以看出:荷載組合下,混凝土板處于受壓狀態(tài),且越靠近塔根的節(jié)段,壓應(yīng)力越大;混凝土板承受的最大壓應(yīng)力為-14 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求;混凝土板頂?shù)膽?yīng)力分布受主梁節(jié)段位置影響較大,板底受影響較小。

圖6 成橋狀態(tài)混凝土板的應(yīng)力分布 (單位:MPa)

圖7給出了成橋狀態(tài)不同節(jié)段混凝土板的應(yīng)力比和剪力滯系數(shù)結(jié)果,可以看出:混凝土板底和板頂?shù)募袅禂?shù)變化范圍分別為2.152～2.762和1.262～2.024,混凝土板底的剪力滯效應(yīng)更為顯著;從順橋向來(lái)看,越靠近跨中節(jié)段,混凝土板的剪力滯系數(shù)越大,最大剪力滯系數(shù)為Z11節(jié)段。從橫斷面來(lái)看,在邊腹板、中腹板和小縱梁位置處,混凝土板正剪力滯效應(yīng)顯著,橫隔板頂?shù)幕炷涟鍎t主要呈現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)。

圖7 成橋狀態(tài)混凝土板應(yīng)力比和剪力滯系數(shù)

混凝土板頂、底部的應(yīng)力比分別在0.234～2.762和0.531～2.024范圍內(nèi)變化;混凝土板底的應(yīng)力比在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處會(huì)增大,而混凝土板頂在這些位置處會(huì)減小。受斜拉索水平分力影響,混凝土板在主梁兩端的應(yīng)力比最突出。

4 施工過(guò)程剪力滯效應(yīng)

在施工過(guò)程中,主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段的施工步驟為:橋面吊機(jī)前移→鋼梁節(jié)段吊裝→斜拉索一張→預(yù)制橋面板安裝→濕接縫澆筑養(yǎng)護(hù)→斜拉索二張→循環(huán)進(jìn)行下一節(jié)段施工。

圖8給出了最大懸臂梁端梁段Z11施工時(shí),Z10梁段混凝土橋面板的應(yīng)力比和剪力滯系數(shù)結(jié)果。可以看出:施工過(guò)程中,混凝土板底和板頂?shù)募袅禂?shù)范圍分別為3.978～4.188和1.186～1.301;施工步驟對(duì)組合梁剪力滯效應(yīng)影響顯著,其中鋼主梁吊裝影響最大,混凝土板鋪裝影響最小;隨著施工的進(jìn)行,組合梁各部位的應(yīng)力比分布規(guī)律相似,在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處的混凝土板的應(yīng)力比都會(huì)產(chǎn)生較大的變化,這一點(diǎn)與成橋狀態(tài)的規(guī)律相似;Z11梁段施工時(shí),Z10梁段混凝土板底在邊腹板、中腹板、小縱梁位置處主要為正剪力滯,其余位置為負(fù)剪力滯。混凝土板頂在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處則為負(fù)剪力滯,其余位置為正剪力滯;混凝土板底的剪力滯效應(yīng)比板頂明顯,這是因?yàn)榘宓着c鋼主梁連接,共同作用的影響。

圖8 施工過(guò)程中混凝土板應(yīng)力比和剪力滯系數(shù)

5 板厚對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響

為了研究鋼主梁板厚對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響,以最大懸臂梁段Z11為對(duì)象,鋼主梁頂、底板各選取6種不同板厚進(jìn)行對(duì)比分析,板厚分別為10、15、20、25、30、35 mm。

由于應(yīng)力比能很好地反映橫截面的剪力滯效應(yīng),圖9和圖10給出鋼主梁頂板和底板分別變厚時(shí)混凝土板的應(yīng)力比。可以看出:板厚變化時(shí),剪力滯系數(shù)變化規(guī)律相似,不改變剪力滯特征。頂、底板厚度分別為25 mm和15 mm時(shí),組合梁的剪力滯效應(yīng)最小;綜合考慮板厚及剪力滯效應(yīng)的影響,鋼主梁頂、底板合理厚度范圍分別為20～30 mm和15～20 mm。

圖9 底板變厚時(shí)對(duì)混凝土板應(yīng)力比影響

圖10 頂板變厚時(shí)對(duì)混凝土板應(yīng)力比影響

6 結(jié) 論

以梁寬為45.9 m的超寬分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象,研究其成橋狀態(tài)和施工過(guò)程中的剪力滯效應(yīng)及板厚影響,得到的主要結(jié)論如下:

1)荷載組合作用下,組合梁的混凝土板承受的最大壓應(yīng)力為-14 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求;越靠近塔根的節(jié)段,混凝土板的壓應(yīng)力越大。

2)成橋狀態(tài)下,混凝土板底和板頂?shù)募袅禂?shù)變化范圍分別為2.152～2.762和1.262～2.024。從縱橋向來(lái)看,越靠近跨中節(jié)段,混凝土板的剪力滯系數(shù)越大,最大剪力滯系數(shù)為Z11節(jié)段;從橫斷面來(lái)看,在邊腹板、中腹板和小縱梁位置處,混凝土板正剪力滯效應(yīng)顯著,橫隔板頂?shù)幕炷涟鍎t主要呈現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)。受到斜拉索水平分力的影響,混凝土板兩端的剪力滯效應(yīng)最突出。

3)施工過(guò)程對(duì)組合梁剪力滯效應(yīng)影響顯著,混凝土板底和板頂?shù)募袅禂?shù)范圍分別為3.978～4.188和1.186～1.301。混凝土板底的剪力滯效應(yīng)比板頂明顯,需要重點(diǎn)關(guān)注。

4)鋼主梁板厚變化時(shí),剪力滯系數(shù)變化規(guī)律相似,不改變剪力滯分布特征。建議鋼主梁頂板厚度和底板厚度取值范圍分別為20～30 mm和15～20 mm。