單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁空間效應(yīng)參數(shù)分析

王巍

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092）

0 引言

傳統(tǒng)的纜索支撐體系扁平鋼箱梁典型橫斷面設(shè)計為少腹板形式：雙索面布置時，僅在兩側(cè)設(shè)置邊腹板；單索面布置時，除邊腹板外尚需在中央錨索區(qū)設(shè)置拉索錨固傳力腹板。當(dāng)橋面寬度很大時，橫向受力及縱向剪力滯效應(yīng)往往會比較突出，梁橋中的鋼箱梁往往可以通過增設(shè)中腹板控制腹板間距或增設(shè)小縱梁的構(gòu)造措施來提高縱向受力的有效寬度及橫向受力的擴(kuò)散范圍。以上構(gòu)造措施對于纜索支撐的扁平鋼箱梁是否也同樣有效尚待研究。

1 工程概況

上海泖港大橋老橋因航道等級提升通航凈空不足及與規(guī)劃接線道路交通規(guī)模匹配等因素需要拆除重建，受紅線寬度及施工期間老橋保通等因素制約，泖港新橋擬采用單索面兩塔三跨豎琴形鋼箱斜拉橋方案，其跨徑布置L=110+225+110（m）。傳承老橋的建筑立面風(fēng)格，斜拉索采用豎琴形布置，梁上索距7 m，塔上索距3.5 m，立面布置如圖1所示。

圖1 泖港新橋立面布置圖(單位：m)

新橋橋面承載兩側(cè)人非通道及雙向6車道交通功能，橋面寬度達(dá)38.2 m。由于橋?qū)捿^大，單索面布置時，加勁梁僅在橫斷面中部有斜拉索彈性支撐，橫向懸挑超過18 m。考慮到加勁梁的橫向受力及抗扭剛度需要，加勁梁擬采用梁高3.5 m的扁平鋼箱梁形式。寬幅單索面支撐的扁平鋼箱梁在車輛重軸作用下橫橋向應(yīng)力分布及變形特征、活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形、縱向剪力滯效應(yīng)[1]成為鋼箱梁設(shè)計時較為關(guān)心的問題。

針對以上問題，采用通用有限元程序ANSYS對主跨鋼箱梁及斜拉索進(jìn)行空間有限元模擬[2]，著重比較了主梁兩側(cè)扁平箱室中部(即邊斜腹板與拉索錨固腹板間)設(shè)置或不設(shè)腹板、設(shè)置小縱梁（縱梁梁高1.1 m）三種情況下鋼箱梁的空間受力特性。三種鋼箱梁橫截面構(gòu)造形式如圖2～圖4所示。

圖2 1/2鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)造圖（設(shè)中腹板）

圖3 1/2鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)造圖（不設(shè)中腹板）

圖4 1/2鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)造圖（設(shè)小縱梁）

2 車輛重軸作用下鋼箱梁橫橋向應(yīng)力分布及變形特征

建立主跨半模型如圖5所示，跨中鋼箱梁邊界采用對稱約束；塔根處鋼箱梁下方設(shè)有抗扭支座。加載工況：相距1.2 m雙140 kN車輛重軸作用于自主塔向跨中方向第6根拉索對應(yīng)的橫隔板兩側(cè)（距離主塔中心56 m），3車道偏載布置。

圖5 鋼箱梁空間有限元模型

計算結(jié)果見圖6～圖11所示。

圖6 車輛重軸作用下頂板豎向位移云圖(單位：m)

圖7 車輛重軸作用下頂板橫橋向正應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖8 錨索腹板位置處頂板橫橋向正應(yīng)力沿縱向分布圖(單位：MPa)

圖9 車輛重軸作用處頂板豎向位移沿橫橋向分布圖(單位：mm)

圖10 車輛重軸作用下挑臂邊緣位置處頂板豎向位移沿縱向分布圖（單位：mm）

由圖6及圖7所示計算結(jié)果表明，車輛重軸作用下設(shè)置中腹板對錨索腹板位置處頂板橫橋向正應(yīng)力減少較為明顯（峰值應(yīng)力2.78 MPa），且可以顯著提升頂板橫向受力時沿縱向有效寬度（見表1），但設(shè)置小縱梁與不設(shè)中腹板的情形受力特性接近，說明小縱梁對橫向荷載沿縱向分配的作用較小。

圖11 車輛重軸作用下近荷載側(cè)斜拉索索力分布圖（單位：kN）

表1 車輛重軸作用時不同構(gòu)造情形下鋼箱梁橫向受力性能對比表

由圖8、圖9及圖10所示計算結(jié)果表明，三種構(gòu)造情形下箱梁豎向變形及扭轉(zhuǎn)變形的特征接近，設(shè)置中腹板時，箱梁偏載布置側(cè)邊緣最大豎向位移25.87 mm，較其他兩種情形減小2.9%（不設(shè)中腹板：26.62 mm；設(shè)置小縱梁26.61 mm）。

扭轉(zhuǎn)角方面（見圖9），在荷載作用截面，設(shè)置中腹板時，箱梁偏載布置側(cè)邊緣扭轉(zhuǎn)角0.00 067 rad，較其他兩種情形減小5.1%（不設(shè)中腹板：0.00 071 rad；設(shè)置小縱梁0.00 071 rad）。可見，設(shè)置中腹板對鋼箱梁在偏載作用下的豎向位移及扭轉(zhuǎn)角控制方面的作用有限，設(shè)置小縱梁的作用更微。

車輛重軸作用下索力分布方面，由圖11所示計算結(jié)果可見，三種構(gòu)造情形下近荷載布置側(cè)拉索索力分布規(guī)律接近，設(shè)置中腹板時，荷載布置位置附近拉索索力較小于其他兩種情形，說明設(shè)置中腹板對提高橫向荷載的縱向分布范圍有一定作用。索力總和方面，設(shè)置中腹板時，索力總和最小，說明在設(shè)置中腹板的情況下荷載更多由梁體縱向傳遞，拉索承擔(dān)的索力較小。

3 活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形

單索面斜拉橋在活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形往往也是設(shè)計關(guān)心的指標(biāo)。過大的扭轉(zhuǎn)變形會影響行車舒適度，有人行通行需要時，亦會造成行人的心理恐慌。經(jīng)對活載偏載作用下箱梁的扭轉(zhuǎn)變形情況進(jìn)行空間有限元分析，加載工況為：相距1.2 m雙140 kN重軸作用于主跨跨中截面兩側(cè)，3車道偏載布置；同時主跨偏載縱向滿布3個車道的城A車道荷載及人行及非機(jī)動車道荷載（3 kN/m2），發(fā)現(xiàn)在此工況作用下主跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角最大。

考慮到小縱梁設(shè)置對鋼箱梁抗扭剛度影響很小，僅對上述工況下主梁兩側(cè)扁平箱室中部設(shè)置或不設(shè)腹板兩種情況下箱梁扭轉(zhuǎn)進(jìn)行分析。主跨跨中截面頂板豎向位移沿橫橋向的分布情況如圖12所示。增設(shè)中腹板時，鋼箱梁中跨跨中扭轉(zhuǎn)角為0.00 745 rad，對橫坡影響2±0.745%；不設(shè)中腹板時，鋼箱梁中跨跨中扭轉(zhuǎn)角為0.00 777 rad，對橫坡影響2±0.777%。二者扭轉(zhuǎn)角相差4.3%。說明增設(shè)中腹板對中跨跨中截面控制扭轉(zhuǎn)角作用效果有限，這是由于薄壁閉口斷面抗扭剛度主要由截面圍成面積決定[3]。

圖12 跨中截面頂板豎向位移沿橫橋向分布圖（單位：m）

4 鋼箱梁縱向剪力滯效應(yīng)

考察3車道活載及人行及非機(jī)動車道荷載偏載布置下，以上三種構(gòu)造形式鋼箱梁頂板的剪力滯效應(yīng)，其空間計算結(jié)果如圖13、圖14所示及表2所列。

由圖13可見，增設(shè)中腹板相對于不設(shè)中腹板及設(shè)置小縱梁的情況下主梁頂板應(yīng)力擴(kuò)散更快、應(yīng)力分布更均勻，但效果不顯著。圖14所示及表2所列的計算結(jié)果表明，三種構(gòu)造情形下箱梁主跨四分點處的剪力滯系數(shù)接近（差別均不足0.5%），設(shè)置中腹板時在腹板對應(yīng)位置出現(xiàn)小的應(yīng)力峰值，但設(shè)置小縱梁的情形與不設(shè)中腹板的情形基本一致。

圖13 主跨鋼箱梁頂板縱橋向應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖14 主跨鋼箱梁中跨四分點位置頂板縱橋向應(yīng)力沿橫向分布圖（單位：MPa）

5 結(jié)語

本文對單索面寬幅鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置中腹板、不設(shè)中腹板、設(shè)置小縱梁三種構(gòu)造參數(shù)情況，分析了活載作用下鋼箱梁橫向應(yīng)力分布、箱梁空間扭轉(zhuǎn)變形、縱橋向剪力滯效應(yīng)等空間受力特性，得到以下兩點結(jié)論：

表2 不同構(gòu)造形式下主跨鋼箱梁中跨四分點位置剪力滯效應(yīng)對比表

（1）單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置中腹板可顯著提高鋼箱梁橫橋向有效寬度；但其設(shè)置對箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響較小。

（2）單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁在邊斜腹板及錨索腹板間設(shè)置小縱梁對鋼箱梁橫向有效寬度、箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響甚微。

鑒于增設(shè)中腹板對鋼箱梁扭轉(zhuǎn)變形控制及縱向受力有效寬度影響較小，且車輛重軸作用下鋼箱梁挑臂根部截面頂板橫向應(yīng)力水平較低，為提高鋼箱梁橫橋向有效寬度而增設(shè)中腹板的方案經(jīng)濟(jì)性不佳。因此，建議在單索面寬幅斜拉橋鋼箱梁橫斷面構(gòu)造設(shè)計時，在邊斜腹板及錨索腹板間不擬增設(shè)中腹板或小縱梁。

[1]顧民杰，吳關(guān)良，葛競輝，孫洋.重載交通下特大型單索面帆形混合塔斜拉橋設(shè)計技術(shù)[J].公路,2013,（9）：301-305.

[2]蘇慶田，吳沖，董冰.斜拉橋扁平鋼箱梁的有限混合單元法分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2005,33(6)：742-746.

[3]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.