斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁有效寬度的探討

張四國 張一卓 謝 斌

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

近年來的大跨斜拉橋主梁多采用扁平鋼箱梁，故本文針對斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁，研究其剪力滯效應產生的原因，通過計算某斜拉橋主梁翼緣的有效寬度，為斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁斷面的設計提供參考。

1 剪力滯的概念及有效寬度的定義

薄壁鋼箱梁在外荷載作用下，由于上下翼緣板存在剪切變形，從而導致其寬度范圍內彎曲應力分布不均勻的現象，稱之為“剪力滯效應”。剪力滯的概念一般僅適用于描述薄壁箱梁因受彎而引起的正應力不均勻分布。這種應力不均勻分布的程度通常用剪力滯系數λ來度量。此外，有效寬度也可以表示這種應力不均勻的程度。有效寬度的定義(見圖1):由剪力滯現象引起的梁體翼緣部分撓曲應力的不均勻表現在近腹板處最大(σmax)，中部逐漸減小一些。半梁(相當于一個腹板的梁體截面)的有效寬度為:

2 斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁剪力滯效應的原因

首先，斜拉橋的主梁是壓彎構件，其翼緣彎曲應力不均勻與腹板傳來的剪力有關。其次，斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁在受彎曲的同時，還承受強大的軸向力作用，軸力通過斜索的水平分力以集中力的方式不連續的作用于主梁，軸向力在擴散過程中會使應力分布不均勻。因此，斜拉橋主梁翼板應力不均勻分布是由彎曲應力不均勻，軸向應力不均勻和斜拉索集中索力共同引起的。

3 某斜拉橋翼緣有效寬度的計算

分析了斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁剪力滯效應產生原因，就有必要計算寬幅扁平鋼箱梁翼緣有效寬度用以指導設計。根據斜拉橋的受力特性，不能簡單套用國內或者國外相關規范進行有效寬度的計算。考慮有效寬度僅適用于受彎構件，僅計斜拉橋主梁彎曲應力產生的剪力滯后效應。

根據英國規范《鋼橋、混凝土橋及結合橋》[3]中附錄A有效寬度比的推算，采用等效簡支跨的概念，即在非簡支結構中，可把連續梁的每兩零彎矩點間的區段當作一等效的簡支跨，然后根據求解簡支梁有效寬度比的方法進行計算。確定兩個相鄰彎矩點的距離，零彎矩點的位置應當和考察的特殊荷載形式相對應。對于本文研究的斜拉橋而言，采用成橋階段的荷載作用下的主梁的彎矩零點作為等效簡支跨，索力作為集中力。

以某跨徑為310 m扁平鋼箱梁獨塔斜拉橋為例，該橋索距16 m，橋寬22 m，梁高3 m。分別采用兩種斷面即有兩條縱隔板和無縱隔板斷面的兩種結構，分別求出該橋部分索吊點處斷面的有效寬度。斷面如圖2，圖3所示。

從圖4中可以看到，兩種斷面的翼緣有效寬度有明顯的差別，有縱隔板的斷面的有效寬度總體比無縱隔板的要大。有效寬度在每個索吊點的截面都要大10%以上，最大有超過30%的。可見該橋在成橋階段的工況下，縱隔板對翼緣有效寬度的影響是斜拉橋扁平鋼箱梁斷面設計時需要重視的。

4 結語

1)斜拉橋寬幅扁平鋼箱梁作為壓彎構件，在設計時需要采用有效寬度的方法，對實際發生的非平截面情況做適當的修正和彌補。

2)由于斜拉橋的受力特性，彎矩零點的位置在各種工況下是不同的，因此，斜拉橋扁平鋼箱梁需要尋求多種工況下的翼緣有效寬度，按照最不利的工況進行有效寬度的選取。

3)在有條件的情況下，用三維的有限元程序對斜拉橋扁平鋼箱梁的受力情況進行驗算，考察其應力不均勻程度，結合規范對翼緣的剪力滯效應進行分析，指導斷面的設計。

[1]嚴國敏.現代斜拉橋[M].成都:西南交通大學出版社，1996.

[2]裴岷山，郝 超.寬幅扁平鋼箱梁中縱隔板的作用分析[A].中國公路學會橋梁和結構工程學會2001年橋梁學術討論會論文集[C].2001.

[3]BS 5400英國標準協會.鋼橋、混凝土橋及結合橋[S].