寬幅分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋剪力滯效應研究

于祥敏,劉 進,杜曉慶,2,倪 錚

(1.上海大學 力學與工程科學學院, 上海 200444; 2.上海大學 風工程和氣動控制研究中心, 上海 200444;3. 中國建筑基礎設施有限公司, 北京 100000)

0 引 言

鋼-混組合梁斜拉橋充分利用鋼材抗拉強度高和混凝土抗壓能力強的性能優勢,具有自重輕、跨越能力大、施工便利、造價低等優點[1-2],在300～700 m的大跨度橋梁中具有很強的競爭力。組合梁斜拉橋常用鋼主梁形式為雙邊工字梁、雙邊小箱梁和單箱多室箱梁,隨著我國經濟發展和交通量快速增長,近年來開始采用新型的分離式雙邊鋼箱組合梁以適應更寬的6～8車道需求,例如望東長江大橋和椒江二橋。分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋的橋面寬度大、橫向剛度大、抗風性能好,兼具槽型單箱組合梁與矩形雙箱組合梁的優點,在寬幅大跨徑斜拉橋中應用前景廣闊[3]。

分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋在荷載作用下會產生明顯的剪力滯現象,在實際的設計分析中如未考慮剪力滯,會高估主梁承載能力,容易導致橋面板開裂等安全隱患[4-7],所以有必要對其進行剪力滯效應的分析。國內外學者對此做了大量的研究,劉洋等[8]基于能量變分法及矩陣分析法研究了П形工字鋼-混凝土組合梁斜拉橋施工過程中的剪力滯效應;朱力等[9]通過虛功原理和有限差分法提出了鋼-混凝土組合箱型梁考慮滑移和剪力滯效應的理論模型;WANG Chunsheng等[10]通過試驗研究了組合梁斜拉橋在不同荷載作用下的剪力滯效應,并建立了考慮滑移效應的有限梁段模型;ZHU Li等[11]通過試驗分析了組合梁橋面板的剪力滯效應,確定了其有效寬度的縱向分布特性,并提出有效寬度的預測公式。

綜上可知,現有組合梁剪力滯效應研究多針對雙邊工字梁組合梁及雙邊小箱梁組合梁,鮮有對分離式雙邊鋼箱組合梁剪力滯效應的研究。基于此,筆者通過有限元數值計算法,建立分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋的桿系模型及節段精細化模型,研究其成橋狀態及施工過程中的剪力滯效應,并通過參數敏感性分析研究鋼主梁的板厚對剪力滯效應的影響,為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程背景

文中的背景工程為一座雙塔雙索面半漂浮體系的分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋,跨徑布置為(95+220+95)m=410 m,如圖1。該橋采用單層橋面布置,雙向八車道城市公路,設計行車速度為80 km/h。車輛荷載等級為公路—Ⅰ級,結構設計安全等級為一級。全橋主梁共劃分為49個梁段,標準梁段采用橋面吊機懸臂拼裝,包括邊跨B2～B7和中跨Z2～Z11節段。每節標準梁段長度為9 m,最大起吊重量約為290 t。索塔區梁段0#塊(B0-1/B0-2/Z0-1/Z0-2)和1#塊(B1/Z1)采用浮吊架設,邊跨現澆梁段(B8/B9)采用支架安裝。

圖1 橋型布置 (單位:cm)

標準梁段由混凝土板、分離式雙邊鋼箱、橫隔板、小縱梁等組成。主梁中心線處梁高3.5 m,全寬45.9 m(含風嘴),建成后將成為國內最寬的分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋。其中,鋼箱梁中心線處梁高3.1 m,由雙邊箱、橫隔板及加勁肋等組成。混凝土板標準厚度為0.28 m,在鋼梁腹板附近變厚至0.40 m,標準梁段的具體構造與詳細參數見圖2。主塔為H形,塔高110 m,索塔頂寬40.7 m,設置上下兩道橫梁。全橋共2×4×11=88根平行鋼絲斜拉索,最長索長為122.75 m,重約9.4 t,梁上標準索距為9 m。

圖2 標準梁段構造 (單位:mm)

2 有限元方法

2.1 模型驗證

有限元分析的結果受模型材料、網格尺寸、邊界條件等影響。筆者為了驗證有限元方法的可靠性,針對文獻 [12] 和文獻 [13] 中的工字形(模型1)和雙邊工字形組合梁(模型2)進行了模擬驗證。圖3為所選模型的關鍵信息,包括模型的材料特性(E為彈性模量,γ為泊松比,ρ為密度)、模型的跨徑、施加的荷載、邊界條件及橫截面的具體尺寸。模型中的混凝土板都采用SOLID45實體單元模擬,鋼主梁采用SHELL43殼單元模擬,鋼主梁與混凝土板之間采用完全抗剪連接。

圖3 驗證模型幾何參數和材料特性 (單位:mm)

圖4給出了有限元分析結果,包括模型1混凝土板的豎向撓度和模型2跨中截面混凝土板的應力。對于兩端固結的工字形組合梁,在均布力荷載作用下,跨中位置處的豎向撓度最大,兩端位移幾乎為0,如圖4(a)。文中結果與文獻[12]計算結果的平均比率為97%,標準偏差為4.1%。對于兩端簡支的雙邊工字形組合梁,均布力荷載作用下混凝土板處于受壓狀態,工字形鋼梁頂壓應力最大,跨中和兩端壓應力最小,如圖4(b)。文中結果與文獻[13]計算結果的最大誤差為7.85%,標準偏差為5.04%。綜上可知,文中結果與所選模型的結果吻合良好,證明了有限元方法的可靠性。

圖4 驗證模型結果對比

2.2 有限元分析

筆者首先采用MIDAS CIVIL建立背景工程的全橋桿系模型,進行整體計算分析,得到成橋狀態和施工過程中按初等梁理論計算的鋼箱梁及混凝土板應力,考慮結構自重、斜拉索索力、預應力、汽車荷載、人群荷載、溫度和基礎沉降等作用。其中,主梁、主塔和橋墩均采用梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬,全橋模型共581節點,488單元,如圖5(a)。在整體計算分析時,首先通過索力優化得到理想成橋狀態,再進行施工全過程仿真分析,并按GB 50917—2013《鋼—混凝土組合橋梁設計規范》進行荷載組合,取最不利基本組合進行計算分析[14-15]。模型采用的主要材料參數詳見表1。

圖5 有限元模型

進一步,采用ANSYS建立背景工程的三維節段精細化模型,進行主跨梁段的局部分析,以得到鋼箱梁及混凝土板的應力分布情況。考慮到結構及荷載都對稱,建立一半的結構模型以提高計算效率。為了降低邊界效應的影響,建立了中跨的5個主梁節段,模型全長45 m,寬度為18.7 m,如圖5(b) 。其中,鋼主梁和錨拉板采用殼單元SHELL63模擬,混凝土橋面板用實體單元SOLID95模擬,預應力采用LINK8。鋼主梁的網格尺寸為250 mm,混凝土橋面板的網格尺寸為300 mm,模型共359 052節點,190 495單元。鋼主梁與混凝土橋面板之間面面綁定約束來進行傳力,斜拉索索力采用節點力形式施加到錨拉板上,二期恒載通過面荷載的形式施加到混凝土板上,縱向和橫向預應力荷載通過升降溫的形式施加到混凝土板上。模型的邊界條件為:橫向對稱面上施加對稱約束,主梁一端施加固定約束,另一端施加邊界荷載,邊界荷載提取自MIDAS CIVIL中相應工況及截面的軸力、彎矩和剪力。

3 成橋狀態剪力滯效應

圖6給出了成橋狀態不同節段主梁混凝土板的應力分布。可以看出:荷載組合下,混凝土板處于受壓狀態,且越靠近塔根的節段,壓應力越大;混凝土板承受的最大壓應力為-14 MPa,未出現拉應力,滿足規范要求;混凝土板頂的應力分布受主梁節段位置影響較大,板底受影響較小。

圖6 成橋狀態混凝土板的應力分布 (單位:MPa)

圖7給出了成橋狀態不同節段混凝土板的應力比和剪力滯系數結果,可以看出:混凝土板底和板頂的剪力滯系數變化范圍分別為2.152～2.762和1.262～2.024,混凝土板底的剪力滯效應更為顯著;從順橋向來看,越靠近跨中節段,混凝土板的剪力滯系數越大,最大剪力滯系數為Z11節段。從橫斷面來看,在邊腹板、中腹板和小縱梁位置處,混凝土板正剪力滯效應顯著,橫隔板頂的混凝土板則主要呈現負剪力滯效應。

圖7 成橋狀態混凝土板應力比和剪力滯系數

混凝土板頂、底部的應力比分別在0.234～2.762和0.531～2.024范圍內變化;混凝土板底的應力比在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處會增大,而混凝土板頂在這些位置處會減小。受斜拉索水平分力影響,混凝土板在主梁兩端的應力比最突出。

4 施工過程剪力滯效應

在施工過程中,主梁標準梁段的施工步驟為:橋面吊機前移→鋼梁節段吊裝→斜拉索一張→預制橋面板安裝→濕接縫澆筑養護→斜拉索二張→循環進行下一節段施工。

圖8給出了最大懸臂梁端梁段Z11施工時,Z10梁段混凝土橋面板的應力比和剪力滯系數結果。可以看出:施工過程中,混凝土板底和板頂的剪力滯系數范圍分別為3.978～4.188和1.186～1.301;施工步驟對組合梁剪力滯效應影響顯著,其中鋼主梁吊裝影響最大,混凝土板鋪裝影響最小;隨著施工的進行,組合梁各部位的應力比分布規律相似,在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處的混凝土板的應力比都會產生較大的變化,這一點與成橋狀態的規律相似;Z11梁段施工時,Z10梁段混凝土板底在邊腹板、中腹板、小縱梁位置處主要為正剪力滯,其余位置為負剪力滯。混凝土板頂在邊腹板、中腹板及小縱梁位置處則為負剪力滯,其余位置為正剪力滯;混凝土板底的剪力滯效應比板頂明顯,這是因為板底與鋼主梁連接,共同作用的影響。

圖8 施工過程中混凝土板應力比和剪力滯系數

5 板厚對剪力滯效應的影響

為了研究鋼主梁板厚對剪力滯效應的影響,以最大懸臂梁段Z11為對象,鋼主梁頂、底板各選取6種不同板厚進行對比分析,板厚分別為10、15、20、25、30、35 mm。

由于應力比能很好地反映橫截面的剪力滯效應,圖9和圖10給出鋼主梁頂板和底板分別變厚時混凝土板的應力比。可以看出:板厚變化時,剪力滯系數變化規律相似,不改變剪力滯特征。頂、底板厚度分別為25 mm和15 mm時,組合梁的剪力滯效應最小;綜合考慮板厚及剪力滯效應的影響,鋼主梁頂、底板合理厚度范圍分別為20～30 mm和15～20 mm。

圖9 底板變厚時對混凝土板應力比影響

圖10 頂板變厚時對混凝土板應力比影響

6 結 論

以梁寬為45.9 m的超寬分離式雙邊鋼箱組合梁斜拉橋為研究對象,研究其成橋狀態和施工過程中的剪力滯效應及板厚影響,得到的主要結論如下:

1)荷載組合作用下,組合梁的混凝土板承受的最大壓應力為-14 MPa,未出現拉應力,滿足規范要求;越靠近塔根的節段,混凝土板的壓應力越大。

2)成橋狀態下,混凝土板底和板頂的剪力滯系數變化范圍分別為2.152～2.762和1.262～2.024。從縱橋向來看,越靠近跨中節段,混凝土板的剪力滯系數越大,最大剪力滯系數為Z11節段;從橫斷面來看,在邊腹板、中腹板和小縱梁位置處,混凝土板正剪力滯效應顯著,橫隔板頂的混凝土板則主要呈現負剪力滯效應。受到斜拉索水平分力的影響,混凝土板兩端的剪力滯效應最突出。

3)施工過程對組合梁剪力滯效應影響顯著,混凝土板底和板頂的剪力滯系數范圍分別為3.978～4.188和1.186～1.301。混凝土板底的剪力滯效應比板頂明顯,需要重點關注。

4)鋼主梁板厚變化時,剪力滯系數變化規律相似,不改變剪力滯分布特征。建議鋼主梁頂板厚度和底板厚度取值范圍分別為20～30 mm和15～20 mm。