鉆石形三塔斜拉橋主梁受力特性研究

張 斌

上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200065

鋼箱梁因其自重輕、抗彎抗扭剛度大、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，常被用于各種大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中[1]，如已建成的江陰長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋等都采用了這種結(jié)構(gòu)形式。由于鋼箱梁板件多，縱、橫向剛度差異大，故鋼箱梁橋的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，箱梁頂?shù)装宓募袅?yīng)嚴(yán)重[1-3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，熊禮鵬等[4]采用空間板殼有限單元法分析了扁平鋼箱梁的剪力滯分布規(guī)律，張慧等[5]采用模型試驗(yàn)的方法研究了大懸臂魚腹式薄壁鋼箱梁的剪力滯效應(yīng)。本文采用空間桿系與空間板單元相結(jié)合的混合有限元方法，模擬了實(shí)際的施工工況，對(duì)鋼箱梁在施工過程中的受力性能及剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 工程背景

宜興市范蠡大橋?yàn)槿嗡髅驿撓淞盒崩瓨颍▓D1），主橋跨徑為（82＋168＋168＋82） m。橋塔采用鉆石形空間四塔柱鋼結(jié)構(gòu)框架，橋梁采用塔墩固接、塔梁分離的連續(xù)梁支撐體系。斜拉索按扇形布置，邊塔兩側(cè)共7對(duì)索，中塔兩側(cè)共9對(duì)索，每對(duì)斜拉索之間布置1對(duì)水平索。主梁為單箱多室扁平鋼箱梁，中心線處梁高2.8 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面梁寬39 m（圖2）。

圖1 橋梁總體布置

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

橋跨結(jié)構(gòu)采用廠內(nèi)分段制作，現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝的方式，先安裝橋塔結(jié)構(gòu)至下橫梁，再安裝邊跨鋼箱梁至邊塔，鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)采用分段拼裝滑移就位，然后同步安裝中跨鋼箱梁和橋塔，鋼梁合龍后掛索、張拉水平索和斜拉索[6]。先張拉水平索，從ZS1/BS1到ZS9/BS7依次張拉，再?gòu)埨崩鳎崩魅瑫r(shí)張拉，從ZZ9/BB7/BZ7到ZZ3/BB1/BZ1、ZZ2、ZZ1依次張拉。

2 計(jì)算模型

采用有限元軟件建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ汀矆D3（a）〕，拉索用桁架單元模擬，并考慮了索的垂度效應(yīng)。塔底為固定約束，塔梁用剛臂連接。為了研究主梁橫向應(yīng)力分布及剪力滯效應(yīng)，對(duì)梁段A和梁段A'采用板單元建立精細(xì)化模型〔圖3（b）〕。

模型包括鋼箱梁的頂板、底板、腹板、加勁肋、橫隔板以及鋼錨箱，其中，頂板、底板厚16～24 mm，腹板厚16～30 mm，U肋厚6～8 mm，開口肋厚16 mm。空間精細(xì)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)13 892個(gè)，單元數(shù)共計(jì)15 973個(gè)。其中，只受拉單元（拉索）共計(jì)138個(gè)，空間梁?jiǎn)卧?47個(gè)，板單元15 188個(gè)。

圖3 結(jié)構(gòu)空間精細(xì)有限元模型

為了研究施工工況對(duì)鋼箱梁頂、底板應(yīng)力分布和剪力滯效應(yīng)的影響，模型中模擬了實(shí)際的施工過程，按照下塔柱、主梁、上塔柱、斜拉索的施工順序進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

本文對(duì)影響主梁受力較大的斜拉索BB1/BZ1/ZZ3、ZZ2、ZZ1張拉和二期恒載4個(gè)工況展開分析（圖4），其中截面1-1和截面3-3分別位于斜拉索ZZ1和BZ1的鋼錨箱中心位置。

圖4 主梁應(yīng)力分析截面示意

3.1 應(yīng)力分析

由梁段A頂板和底板在各施工工況下的截面縱向應(yīng)力分布（圖5、圖6）可知：主梁結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ，縱向應(yīng)力在橫向分布對(duì)稱但不均勻。位于鋼錨箱附近的1-1截面和3-3截面尤為明顯，在斜拉索張拉時(shí)錨箱與腹板處縱向應(yīng)力有15 MPa的最大突變；離鋼錨箱較遠(yuǎn)的2-2截面，縱向應(yīng)力無突變，但在中腹板處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖5 梁段A頂板施工過程截面縱向應(yīng)力分布

圖6 梁段A底板施工過程截面縱向應(yīng)力分布

由梁段A各截面頂、底板在各施工工況下的縱向應(yīng)力計(jì)算值（圖7、圖8）可知：各截面在不同施工工況下縱向應(yīng)力的橫向分布規(guī)律相似，斜拉索張拉與二期恒載僅對(duì)其應(yīng)力值產(chǎn)生影響。縱向應(yīng)力在橫向分布很不均勻，梁段A頂板各截面應(yīng)力在－10～22 MPa之間變化，底板各截面應(yīng)力在－20～ 10 MPa之間變化。

3.2 剪力滯分析

圖7 梁段A頂板截面各施工階段應(yīng)力

圖8 梁段A底板截面各施工階段應(yīng)力

圖9 梁段A頂板各截面剪力滯系數(shù)

圖10 梁段A底板各截面剪力滯系數(shù)

分析圖9、圖10可知：在主梁施工過程中，頂、底板的縱向正應(yīng)力橫向分布不均勻，頂板剪力滯系數(shù)在0.4～3.5之間變化，底板剪力滯系數(shù)在0.4～1.9之間變化；不同工況對(duì)剪力滯系數(shù)的影響較大，斜拉索BZ1和ZZ1在張拉時(shí)，梁段A各截面剪力滯系數(shù)出現(xiàn)較大的起伏，位于鋼錨箱附近的1-1截面和3-3截面表現(xiàn)最顯著。二期鋪裝加載后，剪力滯系數(shù)變得較為均勻，說明二期鋪裝對(duì)主梁截面縱向正應(yīng)力沿橫橋向分布的不均勻性有較大改善，但對(duì)于剪力滯系數(shù)的大小并無明顯改善，部分截面的剪力滯系數(shù)有所增加。

4 結(jié)語

本文通過空間有限元精細(xì)化模型，對(duì)鋼箱梁頂板和底板在施工過程中的應(yīng)力分布和剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）斜拉橋主梁頂、底板縱向應(yīng)力在橫向分布很不均勻，與初等梁理論的計(jì)算結(jié)果有較大差異。

2）同一施工工況下，不同截面的縱向應(yīng)力橫向分布差異較大，鋼錨箱附近的截面比遠(yuǎn)離鋼錨箱的截面更不均勻。

3）施工工況對(duì)截面剪力滯系數(shù)影響較大，頂板剪力滯系數(shù)在0.4～3.5之間變化，底板剪力滯系數(shù)在0.4～1.9之間變化。