玉新華

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)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(yīng)顯著且橋面板應(yīng)力分布規(guī)律難以分析，不少研究學(xué)者對(duì)疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究分析。聶建國(guó)[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(xiàn)象，結(jié)合大跨疊合梁斜拉橋工程實(shí)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(yīng)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(duì)壓彎作用下雙工字鋼疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)及軸向力作用下橋面板有效寬度進(jìn)行研究，得到軸向力作用下橋面板有效寬度系數(shù)實(shí)用計(jì)算方法；武芳文[3]以簡(jiǎn)支和懸臂鋼主梁體系為研究對(duì)象，采用數(shù)值分析方法對(duì)不同寬跨比下的雙邊箱鋼主梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算。在以上學(xué)者研究分析的基礎(chǔ)上，本文以雙塔雙索面疊合梁斜拉橋工程實(shí)例為依托，采用有限元法對(duì)雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)參數(shù)敏感性進(jìn)行研究分析，考慮雙邊箱疊合梁參數(shù)變化對(duì)疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)的影響，選取疊合梁混凝土橋面板剪力滯效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵影響因素——橋面寬度和橋面單向橫坡進(jìn)行剪力滯效應(yīng)參數(shù)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(zhǎng)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(jié)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(jié)構(gòu)形式，設(shè)置單向1.5%橫坡；預(yù)制橋面板厚度為25cm，橫截面中部位置設(shè)有一道小縱梁；斜拉索標(biāo)準(zhǔn)索距12m；橋面寬15m，縱向標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)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(duì)該雙邊箱疊合梁斜拉橋，選取工程中跨S1～S6節(jié)段最大雙懸臂施工這個(gè)具有代表性的施工階段進(jìn)行剪力滯效應(yīng)參數(shù)敏感性研究。建立局部計(jì)算模型研究濕接縫滯后澆筑疊合梁斜拉橋剪力滯效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 疊合梁斜拉橋局部模型

為真實(shí)模擬疊合梁混凝土橋面板與鋼梁頂?shù)装宓膽?yīng)力分布規(guī)律，采用實(shí)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(jìn)行模擬。研究分析時(shí)，假定疊合梁混凝土橋面板與鋼箱梁緊密結(jié)合，不發(fā)生相對(duì)滑移；在鋼箱梁頂、底板對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置TARGE 170目標(biāo)單元，然后于腹板頂、底部設(shè)置CONTA 175 接觸單元，利用SHSD 命令建立接觸對(duì)，以此實(shí)現(xiàn)具有不同節(jié)點(diǎn)自由度的2 種單元的連接，保證了局部模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)進(jìn)行如下近似處理：

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

（2）將疊合梁鋼梁與混凝土橋面板連接的剪力釘進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，對(duì)雙邊鋼箱梁頂板與混凝土橋面板共用節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(duì)模擬；

（3）實(shí)際施工過程中，疊合梁斜拉橋雙懸臂施工基本處于對(duì)稱狀態(tài)，所以僅建立跨中1/2跨模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)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(duì)應(yīng)腹板位置處。

3 混凝土橋面寬度對(duì)橋面板剪力滯效應(yīng)的影響

為研究疊合梁混凝土橋面板寬度變化對(duì)雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)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(yīng)會(huì)受到疊合梁寬度的影響，而改變雙邊箱梁間距的同時(shí)，也改變了疊合梁的寬度。疊合梁橋面寬度變化時(shí)斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)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(shí)斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)

橋面寬度變化時(shí)，對(duì)疊合梁橋面板的S1至S3號(hào)斜拉索錨固截面進(jìn)行剪力滯效應(yīng)研究，依據(jù)剪力滯系數(shù)的計(jì)算式[4]可計(jì)算得到斜拉索錨固截面的剪力滯系數(shù)：

由圖4（a）、（b）、（c）可知，疊合梁橋面板寬度變化時(shí)，斜拉索錨固截面混凝土橋面板的正應(yīng)力分布十分不均勻，具體表現(xiàn)為S1 號(hào)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(chǎn)生負(fù)剪力滯效應(yīng)，剪力滯系數(shù)＜1；因?yàn)檫@兩處為斜拉索錨固位置，斜拉索豎向分力產(chǎn)生局部效應(yīng)使得該處產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土橋面板壓應(yīng)力減小。橋面寬度變化時(shí)，截面中心位置（x=5000mm、x=7500mm 與x=10000mm）呈現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)，但由于截面中心位置設(shè)置有小縱梁，使負(fù)剪力滯效應(yīng)有小幅度減緩。

橋面寬度變化時(shí)，S2 號(hào)斜拉索錨固截面的剪力滯系數(shù)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(shí)的1.36。橋面寬度減小時(shí)，截面中心位置由于布設(shè)了小縱梁，使得該處截面的正應(yīng)力發(fā)生變化，呈現(xiàn)正剪力滯效應(yīng)。

同樣地，橋面寬度增大至b=15000mm時(shí)，小縱梁布設(shè)位置剪力滯系數(shù)提高，但其變化幅度較橋面寬度減小時(shí)小。對(duì)S2 號(hào)斜拉索中間截面x=0 與截面終止位置，與S1 號(hào)斜拉索錨固截面剪力滯效應(yīng)規(guī)律一致；由于拉索錨固點(diǎn)局部效應(yīng)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，使得該處混凝土橋面板出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)。因?yàn)镾2、S3 號(hào)斜拉索錨固截面并未受到臨時(shí)約束，所以在內(nèi)側(cè)腹板位置未出現(xiàn)與S1號(hào)斜拉索錨固截面類似的反對(duì)稱剪力滯效應(yīng)。

S3 號(hào)斜拉索錨固截面總體規(guī)律與S2 號(hào)斜拉索錨固截面一致，但其在橋面寬度增大時(shí)，小縱梁的設(shè)置由S2號(hào)斜拉索錨固截面的有利作用變化為加劇負(fù)剪力滯效應(yīng)的不利作用，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考量橋面寬度變化時(shí)小縱梁的布設(shè)位置；橋面寬度減小，小縱梁的設(shè)置可以較大幅度減緩剪力滯效應(yīng)，截面中心的剪力滯系數(shù)由橋面寬度為b=15000mm時(shí)的0.55增大至橋面寬度為b=10000mm 時(shí)的1.14，提高約0.6，對(duì)改善截面負(fù)剪力滯效應(yīng)較為有利。

4 疊合梁橋面單向橫坡對(duì)橋面板剪力滯效應(yīng)的影響

疊合梁的橋面橫坡對(duì)疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的剪力滯效應(yīng)必然會(huì)產(chǎn)生影響[5]，就此對(duì)橋面設(shè)置單向1.5%橫坡、不設(shè)置橫坡的雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究。疊合梁橋面橫坡變化時(shí)疊合梁橫截面如圖5所示，橋面橫坡變化時(shí)，疊合梁斜拉橋S1至S3號(hào)斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)變化情況如圖6 所示。

圖5 疊合梁橋面橫坡變化時(shí)橫截面（單位：mm）

由圖6（a）可知，截面在無橫坡設(shè)置時(shí)S1 號(hào)斜拉索截面的剪力滯系數(shù)沿截面中心位置x=7500mm對(duì)稱，呈現(xiàn)出截面邊緣因?yàn)槭艿叫崩骶植啃?yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力進(jìn)而出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng)的規(guī)律。受臨時(shí)約束的S1 號(hào)斜拉索錨固截面，橫坡的設(shè)置使得該截面的剪力滯系數(shù)分布沿截面中心呈反對(duì)稱趨勢(shì)；而無橫坡設(shè)置時(shí)，剪力滯系數(shù)沿截面中心呈正對(duì)稱趨勢(shì)分布；具體表現(xiàn)為設(shè)置橫坡后，疊合梁混凝土橋面板對(duì)應(yīng)于雙邊箱梁內(nèi)側(cè)腹板位置處產(chǎn)生反對(duì)稱的剪力滯效應(yīng)，而無橫坡設(shè)置時(shí)，該位置處產(chǎn)生輕微的負(fù)剪力滯效應(yīng)，剪力滯系數(shù)在0.75～1.25范圍內(nèi)。對(duì)疊合梁斜拉橋塔根附近的截面，即通常設(shè)置有豎向臨時(shí)約束的斜拉索錨固截面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該處截面在橫坡變化時(shí)的剪力滯效應(yīng)。

由圖6（b）、（c）可知，S2 與S3 號(hào)斜拉索錨固截面的剪力滯系數(shù)分布規(guī)律較為一致。對(duì)這兩處截面進(jìn)行分析：斜拉索局部效應(yīng)會(huì)使得斜拉索錨固截面邊緣產(chǎn)生負(fù)剪力滯效應(yīng)，且在無橫坡設(shè)置時(shí)截面邊緣的負(fù)剪力滯效應(yīng)有所加劇。S1號(hào)斜拉索截面中心設(shè)置的小縱梁可以小幅度減緩該處的負(fù)剪力滯效應(yīng)；但在設(shè)置1.5%橫坡時(shí)，S2 與S3 號(hào)斜拉索錨固截面的小縱梁設(shè)置，使截面的負(fù)剪力滯效應(yīng)略微加劇；且S1至S3號(hào)斜拉索錨固截面中心位置設(shè)置的小縱梁均減緩了負(fù)剪力滯效應(yīng)，但程度有限。

圖6 疊合梁橋面橫坡變化時(shí)斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)

5 結(jié)束語

本文以雙邊箱疊合梁斜拉橋橋面板為研究對(duì)象，采用有限元法對(duì)疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)的參數(shù)敏感性進(jìn)行研究分析，結(jié)論如下：

（1）研究分析雙邊箱疊合梁的設(shè)計(jì)參數(shù)——疊合梁混凝土橋面寬度、橋面單向橫坡對(duì)橋面板剪力滯效應(yīng)影響，可知雙邊箱疊合梁的設(shè)計(jì)參數(shù)使疊合梁混凝土橋面板斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)產(chǎn)生變化。

（2）疊合梁橋面寬度變化時(shí)，斜拉索錨固截面在接近塔根位置處截面雙邊箱梁內(nèi)側(cè)腹板對(duì)應(yīng)位置混凝土橋面板產(chǎn)生反對(duì)稱的剪力滯效應(yīng)，但橋面寬度對(duì)塔根斜拉索錨固截面剪力滯效應(yīng)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(yīng)使得橋面板壓應(yīng)力儲(chǔ)備降低，橋面寬度的減小使截面中心位置剪力滯系數(shù)降低約0.6，斜拉索中間截面呈現(xiàn)出相對(duì)一致的剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律。

（3）疊合梁的橋面橫坡變化時(shí)，荷載作用下設(shè)置有豎向臨時(shí)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(shù)沿截面中心呈現(xiàn)反對(duì)稱趨勢(shì)；在不設(shè)置橫坡時(shí)沿截面中心位置對(duì)稱，剪力滯系數(shù)分布更為均勻，剪力滯系數(shù)在0.75～1.25 范圍內(nèi)。塔根以外斜拉索錨固截面出現(xiàn)較為一致的規(guī)律，斜拉索錨固截面邊緣產(chǎn)生負(fù)剪力滯效應(yīng)，且在無橫坡時(shí)截面邊緣的負(fù)剪力滯效應(yīng)有所加劇。而斜拉索中間截面剪力滯系數(shù)分布沿截面中心呈對(duì)稱趨勢(shì)。