寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋剪力滯效應(yīng)分析及試驗(yàn)研究

劉 傲，林文強(qiáng)，宋 軍

（1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋剪力滯效應(yīng)分析及試驗(yàn)研究

劉 傲1，林文強(qiáng)1，宋 軍2

（1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

以江肇高速公路西江特大橋?yàn)楸尘?，研究寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋截面正?yīng)力分布規(guī)律。通過理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)橋試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了各關(guān)鍵斷面應(yīng)力不均勻系數(shù)，為優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)及改善寬幅截面受力性能提供了依據(jù)。

矮塔斜拉橋；剪力滯；效應(yīng)分析

1 工程簡(jiǎn)介

江肇高速公路是珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)公路的西環(huán)段，位于珠江三角洲西部地區(qū)。路線起于江門市杜阮鎮(zhèn)，終于肇慶市四會(huì)市東城區(qū)。西江特大橋是江肇高速公路建設(shè)難度最大的控制性工程，也是江肇高速公路的標(biāo)志性工程。大橋位于永安鎮(zhèn)與沙浦鎮(zhèn)之間，橋位跨越西江主干流，主橋?yàn)樗乃蹇鐔嗡髅婕构橇侯A(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑布置為128 m+3×210 m+128 m=886 m，采用墩、塔、梁固結(jié)剛構(gòu)體系，見圖1。

圖1 西江特大橋主橋

大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用變高度斜腹板單箱三室寬幅脊梁斷面。頂板寬38.3 m，懸臂長8.15 m，兩側(cè)設(shè)5.15 m寬后澆帶，在同類型橋梁中，橋面寬度和挑臂長度均較大，故剪力滯效應(yīng)明顯，應(yīng)對(duì)其頂?shù)装蹇v向剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究。

2 研究意義

箱梁縱向受力不均勻性主要受剪力滯效應(yīng)以及偏載效應(yīng)影響。關(guān)于剪力滯理論以及翼緣板有效工作寬度的研究，早在20世紀(jì)20年代就開始了，雖然對(duì)剪力滯問題提出了較多的理論，如彈性理論解法、比擬桿法、能量變分法、數(shù)值分析法等進(jìn)行分析和求解，但這些方法大多依賴于假定位移函數(shù)，計(jì)算結(jié)果偏理想化，新結(jié)構(gòu)以及分節(jié)段受力特性使得傳統(tǒng)算法存在較多的不足之處[1-4]，在西江特大橋中，主梁體系具有如下特點(diǎn)：

（1）主梁為寬幅脊梁，頂?shù)装迤毡檩^薄，懸臂較長，首先會(huì)會(huì)加劇剪力滯效應(yīng)，其次邊載偏心距增大，也會(huì)加劇扭轉(zhuǎn)和偏載效應(yīng)；

（2）主梁懸臂分次澆筑，后澆段受力時(shí)機(jī)及縱向受力特征與一次澆筑構(gòu)件存在本質(zhì)區(qū)別；

（3）單索面矮塔斜拉橋體系，索力傳遞不均勻，成為縱向受力不均勻原因之一；

（4）懸臂施工，各截面剪力滯效應(yīng)隨各階段荷載及邊界的變化產(chǎn)生變化，不加以驗(yàn)算配筋，可能導(dǎo)致施工階段主梁局部開裂或破壞，目前剪力滯研究中較少涉及。

脊骨梁截面相較于普通箱梁，在施工或成橋階段應(yīng)力不均勻分布可能更加顯著，將導(dǎo)致局部效應(yīng)過大，因此需要通過理論研究的方法，明確應(yīng)力不均勻分布及變化特征，提取最不利不均勻性系數(shù)，指導(dǎo)配束或配筋設(shè)計(jì)工作，以保障結(jié)構(gòu)受力安全。

3 縱向受力不均性有限元分析

研究中分別對(duì)初等梁理論剪力滯效應(yīng)、空間有限元方法得到平均應(yīng)力后的剪力滯系數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)利用剪力滯系數(shù)描述應(yīng)力分布不均勻特性時(shí)，僅考慮了斷面中最大應(yīng)力和平均應(yīng)力的關(guān)系。隨著斷面形式的變化，以及關(guān)心工況的增多，單一的剪力滯不能全面描述斷面應(yīng)力分布不均勻的問題，因此研究中進(jìn)一步引入了斷面位置的不均勻系數(shù)，全面描述斷面應(yīng)力不均特性。

3.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

本文采用通用有限元程序ANSYS建立三維實(shí)體單元模型。主梁實(shí)體部分采用SOLID45單元，斜拉索采用LINK10單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用LINK8單元，橋塔采用BEAM4單元。考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本文建立了全橋半結(jié)構(gòu)模型，共劃分單元367 104個(gè)，節(jié)點(diǎn)538 356個(gè)，見圖2、圖3。斜拉索索力按設(shè)計(jì)初張索力施加。模型中考慮所有預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，并扣除了相應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失。約束條件為邊跨處約束豎向位移，中跨設(shè)置對(duì)稱邊界，主墩墩底固結(jié)。

圖2 有限元模型立面圖

圖3 有限元模型局部

3.2 計(jì)算工況及關(guān)鍵斷面選擇

為了充分研究施工階段體系及荷載變化對(duì)主梁剪力滯效應(yīng)的影響，課題研究中設(shè)定了如下十個(gè)工況，并選取了主梁五個(gè)關(guān)鍵截面進(jìn)行分析。計(jì)算分析中的主要工況見表1。

表1 關(guān)鍵計(jì)算工況及工況說明

關(guān)鍵截面選取包括無索區(qū)典型節(jié)段（無索區(qū)最大懸臂節(jié)段）、S1（近塔側(cè)）拉索區(qū)節(jié)段截面、S16（遠(yuǎn)塔側(cè)，最大懸臂節(jié)段）拉索區(qū)節(jié)段截面，見圖4。

圖4 關(guān)鍵截面位置示意圖（單位：m）

3.3 截面應(yīng)力不均勻系數(shù)

對(duì)各關(guān)鍵截面，取其在各自工況荷載作用下截面節(jié)點(diǎn)沿橋梁縱向應(yīng)力，定義應(yīng)力不均勻系數(shù)為截面各點(diǎn)應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值，應(yīng)力不均勻系數(shù)綜合考慮自重、預(yù)應(yīng)力、索力效應(yīng)，取代剪力滯系數(shù)，更能真實(shí)反映截面應(yīng)力分布規(guī)律，研究對(duì)應(yīng)力不均勻系數(shù)以及剪力滯系數(shù)均進(jìn)行計(jì)算分析。以工況十為例，關(guān)鍵截面應(yīng)力不均勻系數(shù)見圖5。

圖5 工況十各關(guān)鍵斷面應(yīng)力不均勻系數(shù)

有限元分析表明，施工過程中，部分工況下的剪力滯系數(shù)較高，但隨著預(yù)應(yīng)力以及斜拉索的張拉，在大橋合龍、成橋狀態(tài)下，除主塔根部截面外，大部分截面的剪力滯系數(shù)均處于合理狀態(tài)。對(duì)于箱梁頂板，基于初等梁理論的剪力滯系數(shù)為1.23（4#截面），基于空間分析得到的剪力滯系數(shù)為1.46（3#截面）；對(duì)于箱梁底板，基于初等梁理論的剪力滯系數(shù)相對(duì)較大，最大剪力滯系數(shù)為2.25（3#截面），這主要與桿系計(jì)算得到的底板應(yīng)力較小有關(guān)；基于空間分析得到的剪力滯系數(shù)總體均較小，最大剪力滯系數(shù)為1.14（4#截面）。

據(jù)應(yīng)力不均勻性分析可以看出，脊骨箱梁斷面的頂?shù)装蹇臻g應(yīng)力狀態(tài)基本上處于合理狀態(tài)，未出現(xiàn)局部應(yīng)力過大的情況，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。分段澆筑的脊骨箱梁斷面的頂?shù)装蹇v向受力不均勻性主要通過預(yù)應(yīng)力鋼束以及斜拉索的合理布束進(jìn)行改善。脊梁設(shè)計(jì)時(shí)布束應(yīng)參照縱向應(yīng)力分布趨勢(shì)進(jìn)行優(yōu)化。

4 縱向受力不均勻性試驗(yàn)研究

在有限元分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)寬幅脊骨梁縱向受力不均勻性以及后澆翼板連接性能及其與脊骨受力性能關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)研究，對(duì)頂?shù)装蹇v向剪力滯效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步分析和完善，并就本橋主梁配束方案、斜拉索索力對(duì)結(jié)構(gòu)主梁縱向受力不均勻性改善的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 關(guān)鍵斷面與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選擇的關(guān)鍵斷面與有限元模型相同。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖6，為反映斷面剪力滯和橫向應(yīng)力分布特點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)覆蓋腹板與頂?shù)装褰唤?、后澆翼板等典型位置，并?yīng)同時(shí)測(cè)試橫向和縱向應(yīng)力。其中每個(gè)典型斷面共50個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括38個(gè)縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和12個(gè)橫向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)?；靖采w了主要的應(yīng)力變化區(qū)域，反映了斷面應(yīng)力分布不均勻特性，能夠比較全面的反映斷面應(yīng)力分布和變化過程。

圖6 關(guān)鍵斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算對(duì)比分析

實(shí)橋試驗(yàn)中，懸臂翼緣板為后期拼裝而成，拼裝施工落后主梁脊骨施工5個(gè)階段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，提取實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)斷面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本節(jié)提取以下兩個(gè)工況進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元理論計(jì)算的對(duì)比，見圖7。

圖7 主梁截面頂?shù)装鍛?yīng)力分布對(duì)比圖

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試得到各截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值，通過有有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）從已有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，張拉主梁脊骨預(yù)應(yīng)力在主梁脊骨部分產(chǎn)生壓應(yīng)力，并存在一定的剪力滯效應(yīng)，后拼翼緣板上分配到的壓應(yīng)力較小，部分工況下出現(xiàn)階段性的較小拉應(yīng)力。

（2）張拉斜拉索工況下，拉索附近截面在頂板位置受壓，遠(yuǎn)離截面中心位置應(yīng)力減小，這也一定程度上反映了斜拉索索力在主梁截面上的傳遞路徑：索力在截面上傳遞時(shí)，主梁脊骨承受較大應(yīng)力，自脊骨梁中腹板至翼緣板端部，頂板應(yīng)力呈線性遞減。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析得到的剪力滯與理論計(jì)算的剪力滯分布基本吻合。其中，頂板應(yīng)力分布實(shí)測(cè)值和理論值偏差較小，實(shí)際拼裝后，底板實(shí)測(cè)應(yīng)力值略大。同時(shí)，實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值均說明索力在截面上傳遞時(shí)，主梁脊骨承受較大應(yīng)力，翼緣板應(yīng)力較小，翼緣板平均應(yīng)力約為主梁脊骨應(yīng)力水平的1/3。

（4）從不同施工工況實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可見，本橋主梁配束方案、斜拉索索力對(duì)結(jié)構(gòu)主梁縱向受力不均勻性起到了一定的改善作用。在大橋長期運(yùn)營狀態(tài)下仍需繼續(xù)采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)脊骨梁斷面頂?shù)装宓拈L期受力性能進(jìn)行跟蹤分析。

5 結(jié)論

本文以江肇西江大橋?yàn)楸尘?，研究了寬幅脊骨梁矮塔斜拉橋主梁截面縱向受力不均勻的特性，通過理論分析與實(shí)橋試驗(yàn)驗(yàn)證可以得到以下主要結(jié)論：

（1）施工過程部分工況下的截面剪力滯效應(yīng)明顯，但隨著預(yù)應(yīng)力以及斜拉索的張拉，在大橋合龍、成橋狀態(tài)下，大部分截面的剪力滯系數(shù)均處于合理狀態(tài)；

（2）對(duì)于寬幅脊骨梁，基于初等梁理論計(jì)算得出的剪力滯系數(shù)略偏小；

（3）分段澆筑的脊骨箱梁斷面的頂?shù)装蹇v向受力不均勻性主要通過預(yù)應(yīng)力鋼束以及斜拉索的合理布束進(jìn)行改善。脊梁設(shè)計(jì)時(shí)布束應(yīng)參照縱向應(yīng)力分布趨勢(shì)進(jìn)行優(yōu)化。

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U448.27

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1009-7716（2016）05-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.021

2016-01-20

劉傲（1983-），男，廣東大鋪人，工程師，從事高速公路建設(shè)工作。