寬幅單索面斜拉橋鋼箱梁剪力滯效應分析

李新春　李永波

【摘? ? 要】： 為了解斜拉索索力在主梁中的傳遞規律及主梁的剪力滯效應情況，以清遠市某大橋主橋為研究背景，通過建立有限元模型，研究單索面寬幅斜拉橋主梁在成橋階段的受力特性及剪力滯效應，分析結果顯示，該橋主梁有合理的受力且剪力滯效應處于可接受范圍。

【關鍵詞】： 寬幅單索面斜拉橋；鋼箱梁；剪力滯

【中圖分類號】：U441【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）05-23-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.006

Study on Shear Lag Effect of Cable-stayed Bridge with Single Cable Plane Wide

Support System

LI XinchunLI Yong bo

（1. Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd. ， Guangzhou 510060， China;

2. Jiangsu College of Engineering and Technology， Nantong 226007， China）

【Abstract】：In order to understand the transmission law of cable force in the main girder and the shear lag effect of the main girder， taking a bridge in Qingyuan City as the research background， this paper studies the mechanical characteristics and shear lag effect of a wide cable-stayed bridge with single cable plane in the bridge forming stage by establishing a finite element model. The analysis results show that the stress of the main girder is reasonable and the shear lag effect is acceptable.

【Key words】：cable-stayed bridge with single cable plane; steel box girder; shear lag

斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成，造型特點鮮明且單索面斜拉橋拉索設置在橋梁中間，對車輛及行人的視覺影響很小，在景觀要求較高的地區已成為首選橋型；然而實際工程設計中發現單索面寬幅斜拉橋主梁的剪力滯效應十分嚴重。

普通梁式橋剪力滯系數是指翼緣上的彎曲應力與初等梁單元理論計算出來的彎曲應力的比值。但斜拉橋主梁除了要承擔部分豎向荷載外，還要承擔由斜拉索傳來的巨大軸向力；斜拉索通過主梁拉索錨固部位將拉索巨大的集中荷載傳遞于主梁，有較大的局部應力出現在錨固點周圍并逐步擴散到整個截面 [1～3]。在靠近錨固點附近的一段區域范圍內，軸向荷載在主梁上傳遞過程中存在嚴重的剪力滯效應，空間應力的不均勻現象十分嚴重。文獻[4]探討了軸向力作用下組合梁橋面板在橫梁間距不同時的正應力分布情況和有效寬度，得出其傳遞角度為27°；文獻[5]研究了雙π形主梁斜拉橋在軸向力作用下混凝土橋面板的應力分布及傳遞角度，建議取值26.8°。

目前針對單索面寬幅鋼箱梁主梁斜拉橋的剪力滯效應分布較少，為了解斜拉索索力在主梁中的傳遞規律及主梁的剪力滯效應情況，本文以實際工程為例進行研究。

1 工程概況

清遠市北江某大橋主橋為100 m+218 m+100 m的單索面雙塔斜拉橋，主梁標準段梁寬42 m，0#塊處兩側各增設2 m寬的景觀平臺，橋寬達46 m。

主梁0#塊為一段長度為22.1 m的預應力混凝土箱梁結構，該箱梁截面為單箱六室，其外形與鋼箱梁外形一致。鋼箱梁車行道及中央分割帶截面頂板和底板的厚度均為50 cm，兩邊人行道范圍的箱梁頂底板厚度為30 cm，梁中腹板和邊腹板的厚度分別為80、60 cm，采用99.4 m+197.8 m+99.4 m的跨度組合，高4.0 m，標準節段長為8 m。

從景觀方面考慮，橋塔最終選用異形索塔。主橋采用塔梁固結，墩-梁間設置支座的支撐體系。見圖1和圖2。

2 有限元模型

通過有限元法分析模擬箱梁空間薄壁結構，可以取得全面且精確的應力分布圖像，也能在一定程度上避開人為假設的不足，使所得結果更為準確。

2.1 計算參數的選取

橋塔與0#塊所用混凝土等級為C55、重度26 kN/m³、彈性模量3.55×10⁴MPa、泊松比0.166 7；斜拉索鋼絲重度83 kN/m³、彈性模量1.95×10⁵ MPa、泊松比0.3；鋼箱梁梁段所用鋼材為Q345、重度90 kN/m³、彈性模量2.05×10⁵MPa。

2.2 有限元模型

通過Midas/FEA有限元分析軟件進行橋梁建模。以實體單元模擬0#塊主梁和橋塔，以桁架單元模擬拉索，以板單元模擬鋼箱梁。見圖3。

主要考慮成橋狀態下鋼箱梁的應力分布情況，荷載包括自重、二期恒載及斜拉索張拉力及壓重。

3 剪力滯情況分析

為減小斜拉索張拉力對剪力滯研究的影響，所取斷面均為斜拉索吊點斷面間的中點斷面。成橋狀態下鋼箱梁頂板均處于受壓狀態。箱梁中室上頂板有較大的正應力變化，其他區域的縱橋向正應力沿橫橋向變化不大且有較為均勻的整體分布，應力均處于-10～-20 MPa之間。鋼箱梁頂板沿順橋向的縱橋向正應力僅有較小變化，也有較為均勻的分布。鋼箱梁中箱、次中箱范圍內頂板（橫向坐標-9.8～9.8 m范圍），依次為跨中至鋼混結合段斷面，縱橋向應力逐漸增大；但鋼箱梁除中箱、次中箱的其余部分縱橋向應力變化趨勢剛好相反，即由跨中至鋼混結合段處斷面，縱橋向應力依次減小。見圖4。

這一現象可歸結斜拉索橋主梁剪力滯的獨特性，對于中箱、次中箱而言，斜拉索提供的的軸向壓力對頂板縱橋向應力的貢獻占主導地位，從而出現由跨中至根部頂板縱向應力依次增大的現象；而對于除中箱、次中箱的其余部分，主梁縱向彎矩對頂板縱橋向應力的貢獻占主導地位，從而出現上述相反的趨勢。

研究斷面除跨中4個斷面部分區域呈現受拉狀態，其余均處于受壓狀態。主梁沿橋的縱向正應力變化不大，整體分布也較均勻。箱梁的下底板縱向受壓從跨中至根部斷面不斷增大。沿著橋梁橫向，鋼箱梁的縱向正應力僅有較小變化，有較為均勻的整體分布。在斜腹板與底板交接處存在應力突變的情況，設計上應采取相應的構造措施。見圖5。

相對鋼結構而言，無論是沿著橋梁的縱向還是橫向，鋼箱梁的頂底板正應力變化均較小，頂底板受力均在合理范圍內。

對計算斷面積分，可得到該斷面的平均應力值，主梁的上頂面和下底面剪力滯系數分布。箱梁頂板剪力滯系數基本處于0.6～1.6的范圍，各梁段截面剪力滯系數沿順橋的分布規律相似。主梁翼緣板和中室上頂板有較大的剪力滯系數變化，其中變化最大的是頂板的中心點、中箱腹板處及翼緣的邊點，其他區域的剪力滯系數沿橫橋向僅有較小的變化，有較為均勻的分布情況，主要在0.8～1.2。除跨中4個斷面外，其他斷面沿順橋向主梁下底面的剪力滯系數有類似的變化趨勢。沿橋梁的橫向，各斷面主梁剪力滯系數僅有較小變化，有較為均勻的整體分布，剪力滯系數均在1.3以下。中跨4個斷面縱橋向應力較小，基本位于零應力狀態線附近，故計算所得的剪力滯系數變化較大。見圖6。

該鋼箱梁計算剪力滯系數取值1.6，鋼箱梁計算安全可靠。

4 拉索軸向力傳遞角

靠近錨固點附近的一段區域范圍內，軸向荷載在主梁上傳遞過程中存在嚴重的剪力滯效應，空間應力分布嚴重不均。當主梁截面和集中力作用點有足夠遠的距離時，可基本認為該集中力所形成的應力均勻分布在整個橋面上，因此可認為在上頂板內，索力所形成的應力有一定的傳遞角度。

為了研究鋼箱梁內軸向力順橋向傳遞角，采用FEA有限元軟件建立有限元模型，箱梁一端固結，在遠離固結端的錨箱上作用一1 000 kN的水平荷載?？拷胶奢d作用點附近處的應力很大，隨著距離的增大，整個斷面上的應力趨于均衡。見圖7。

經計算，上述各斷面在水平荷載作用下的最大剪力滯系數依次為1.8、1.42、1.21、1.05、1.03。距作用點59.91 m處斷面最大應力與最小應力的差值約占斷面均值應力的5%，可認為水平軸向力傳遞至該斷面已趨于均衡，則可得該鋼箱梁水平軸向荷載作用下的傳遞角約為38.6°。

5 結論

1）通過對成橋狀態下鋼箱梁的應力分析可知，除斜拉索錨固點附近應力變化較大外，其余截面應力分布較為均勻；頂板剪力滯系數位于0.6～1.3之間，底板剪力滯系數位于0.6～1.3之間，斜拉索附近點剪力滯系數可按1.6計算；鋼箱梁計算時，鋼箱梁剪力滯系數取1.6結構計算應偏于安全。

2）各個梁段截面沿縱橋向剪力滯系數有相似的變化趨勢，無論是沿橋的縱向還是橫向，主梁的頂底板剪力滯系數變化均較小。

3）靠近荷載作用點附近斷面的應力分布很不均勻，隨著距離的增大，整個斷面上的應力趨于均衡，經計算水平軸向荷載大約按38.6°的傳遞角沿縱橋向擴散。

參考文獻：

[1]喬朋，周緒紅，狄謹.扁平鋼箱梁剪力滯效應分析[J].交通運輸工程學報，2014，14（4）：36-44.

[2]聶建國，李法雄，樊健生. 組合梁斜拉橋橋面有效寬度分析[C].中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構分會.中國鋼協鋼-混凝土組合結構分會第十一次年會論文集.《哈爾濱工業大學學報》編輯部，2007：739-745.

[3]周緒紅，狄謹，戴公連.大跨徑預應力混凝土斜拉橋主梁節段模型的研究[J].土木工程學報，2005，38（3）：59-63.

[4]張安林.單索面斜拉橋鋼箱梁剪力滯效應研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[5]鐘明，秦偉.寬幅混凝土斜拉橋箱梁剪力滯效應研究[J].市政技術，2015，33（3）：52-55+60.

[6]萬臻.斜拉橋常用截面形式主梁的剪力滯效應研究.[D].成都：西南交通大學，2002.

[7]劉沐宇，袁衛國，孫文會，等.單索面寬幅矮塔斜拉橋拉索作用下主梁剪力滯效應分析[J].武漢：武漢理工大學學報，2010，34（6）：1162-1166.