大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應

李立峰　周延

摘要：為了研究大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應，結(jié)合1座采用懸臂施工的大跨徑波形鋼腹板箱梁橋，分別建立平面桿系有限元模型和空間實體有限元模型，模擬施工過程，選取3個關鍵截面，研究了波形鋼腹板組合箱梁橋在不同施工階段的剪力滯效應分布規(guī)律。結(jié)果表明：大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應隨著施工階段的推移是一個動態(tài)變化過程，在懸臂施工階段，剪力滯效應變化較快，在施工階段后期，剪力滯效應變化緩慢；最大剪力滯效應發(fā)生在最大懸臂狀態(tài)時的端部截面。

關鍵詞：橋梁工程；剪力滯效應；大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋；施工階段

中圖分類號：TU311文獻標志碼：A

Abstract： In order to study the shear lag effect of large span composite box girder bridge with corrugated steel webs， a large span composite box girder bridge with corrugated steel webs using cantilever construction was adopted， and the plane frame model and finite element model were established respectively. The construction processes were simulated and three key sections were selected. The distribution rules of shear lag effect of large span composite box girder bridge with corrugated steel webs at different stages of construction were studied. The results show that the shear lag effect of large span box girder bridge with corrugated steel webs is a dynamic process with the construction stage. The shear lag effect changes rapidly during cantilever construction stage， and changes slowly at the late stage of construction. The maximum shear lag effect occurs on the end section at the maximum cantilever state.

Key words： bridge engineering； shear lag effect； large span composite box girder bridge with corrugated steel web； construction process

0引言

波形鋼腹板組合箱梁是20世紀80年代出現(xiàn)的一種新型橋梁，采用波紋鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，結(jié)構(gòu)自重大幅減輕，腹板抗剪屈曲強度提高，使結(jié)構(gòu)具有受力明確、截面效率高、橋型美觀等優(yōu)點，同時徹底解決了混凝土梁橋腹板開裂問題，預應力效率也大幅提高。近年來，該橋型在中國開始大力推廣，已建成多座，并且跨徑在逐步增大，較有代表性的有山東鄄城黃河大橋、新密溱水橋、桃花峪跨大堤橋、深圳南頭立交橋等[1]。各國對波形鋼腹板組合箱梁的研究較多[2]，中國很多科研單位對這種結(jié)構(gòu)從模型試驗、有限元分析和工程實踐等多方面也進行了很多研究，得到一些重要結(jié)論[27]。

近年來，中國大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的建設開始逐漸增多，但是對于該橋型的研究極少。與普通混凝土箱梁受力類似，在對稱垂直力作用時，其上、下翼緣板的正應力沿寬度方向分布是不均勻的，即存在剪力滯現(xiàn)象。吳文清等[89]建立了空間有限元模型，分析了波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應的分布規(guī)律以及影響因素[89]；李立峰等[10]通過理論分析和試驗研究并結(jié)合有限元計算，對中、小跨徑的波形鋼腹板箱頂板、底板的剪力滯效應進行了較為系統(tǒng)的研究[10]。

本文以1座大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋為依托，分別建立平面桿系有限元模型、空間實體有限元模型，研究大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋在不同施工階段剪力滯效應的分布規(guī)律。

1工程背景

1.1橋跨布置

巴江河大橋為一座波形鋼腹板預應力混凝土組合連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為78 m+130 m+78 m，橋長286 m，橋跨布置如圖1所示。箱梁頂寬19.25 m，底寬12.5 m，單箱雙室，箱梁頂板設置坡度為2%的單向橫坡，底板水平，腹板鉛直，主跨支點梁高7.5 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.5 m，梁高及底板厚度按二次拋物線變化，大橋典型橫斷面如圖2，3所示。主梁采用C55混凝土，波形鋼腹板采用Q345qC鋼，鋼腹板厚度在14～22 mm之間變化，圖4，5分別為波形鋼腹板的節(jié)段示意和單位波長標準構(gòu)造。

2分析方法

2.1剪力滯效應問題常用研究方法

眾多學者對剪力滯問題提出了許多研究理論與方法，綜合起來主要有以下幾種：①理論分析法，包括卡曼理論、彈性理論解法、能量變分法、比擬桿法；②數(shù)值計算法，主要包括有限元法、有限條法及有限段法；③模型試驗。

2.2研究技術(shù)路線

本文擬采用數(shù)值計算法，通過有限元計算，建立相應的空間實體有限元模型和平面桿系有限元模型，揭示大跨徑波形鋼腹板箱梁橋在施工階段的剪力滯效應變化規(guī)律，為該種組合箱梁的應用推廣提供依據(jù)。

為了描述剪力滯效應的變化規(guī)律，直觀地反映應力的增大程度，引入剪力滯系數(shù)λ的定義，即

λ=σ

式中：σ為考慮剪力滯效應所求得的截面實際正應力，可以通過ANSYS空間有限元模型求得；為按初等梁理論求得的正應力，可以按照MIDAS/Civil建立平面有限元模型求得。

通過桿系模型，可以從計算結(jié)果中提取關鍵截面隨著施工階段推移按照初等梁理論計算所得的正應力。同時結(jié)合ANSYS空間實體模型，提取關鍵截面上任意一點的正應力數(shù)值。結(jié)合兩者分析對比即可以判斷出關鍵截面剪力滯系數(shù)沿大橋縱向和橫向的分布情況。3有限元分析模型

3.1平面桿系模型

采用有限元軟件建立平面桿系模型，如圖6所示，全橋共劃分為89個節(jié)點、70個單元。建立38個施工階段對整個施工過程進行模擬。

3.2空間實體模型

巴江河大橋全橋采用ANSYS進行模擬，主梁頂板、底板采用3D實體單元，因波形鋼腹板厚度在14～22 mm之間變化，采用2D板單元模擬更為合理，預應力筋采用空間索單元模擬。板單元與實體單元之間通過MPC法（多點約束方程）實現(xiàn)耦合，空間實體有限元模型如圖7所示。全橋共劃分為38個施工階段進行模擬，并且各階段的結(jié)構(gòu)自重、掛籃荷載、邊界條件等均模擬一致[1112]。選取關鍵截面（圖8），研究大橋在施工階段頂板、底板正應力沿橋?qū)挿较虻淖兓?guī)律。

剪力滯效應分析結(jié)果

波形鋼腹板組合箱梁橋的施工階段作為一個連續(xù)動態(tài)的過程，其主梁截面內(nèi)力和應力是不斷變化的。為了探究施工過程中剪力滯效應的變化規(guī)律，在懸臂澆筑過程中選取6#塊澆筑完成后（短懸臂狀態(tài)）和12#塊澆筑完成后（最大懸臂狀態(tài)）以及大橋合龍后和橋面鋪裝完成后4個典型施工階段進行研究。沿橋?qū)挿较驗閄方向，以橫斷面中心點為X軸原點，分析計算截面剪力滯效應的變化情況，探究施工過程中計算截面剪力滯效應沿橋梁橫向和縱向的分布規(guī)律[13]。

4.16#塊澆筑完成后的剪力滯效應

6#塊施工完成后橋梁處于短懸臂狀態(tài)，關鍵截面頂板、底板應力峰值及剪力滯系數(shù)分布如表1和圖9所示。

計算求得3個關鍵截面的空間應力最大值均位于頂板、底板與梁肋交界處（表1）。由圖9可知，3個關鍵截面頂板、底板均出現(xiàn)了明顯的正剪力滯效應。由于巴江河大橋?qū)儆趩蜗潆p室截面，因而存在大橋中跨合龍之后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了很大變化，與懸臂施工階段相比，雖然計算截面的頂板、底板正應力均有所提高，但是3個關鍵截面的頂板、底板剪力滯效應均有所下降，同時中跨跨中截面處頂板的最大剪力滯系數(shù)達到了1.26。

4.4橋面鋪裝完成后的剪力滯效應

在全橋合龍之后將要進行橋面鋪裝，在有限元模型中二期恒載都以均布荷載的形式來進行模擬。由相關資料可以知道，荷載的布置形式是影響剪力滯效應的主要原因，因此，有必要對二期恒載作用下的剪力滯效應進行分析[15]。

作為施工階段的最后一個步驟，橋面鋪裝完成后的應力峰值及剪力滯系數(shù)如表4和圖12所示，對比合龍后大橋的剪力滯系數(shù)可以看出，二期恒載對于剪力滯效應有減弱作用。

4.5施工階段全過程剪力滯系數(shù)分布

通過提取關鍵截面在整個施工階段過程中的應力結(jié)果可以得到關鍵截面剪力滯系數(shù)隨施工階段推移的分布規(guī)律，如圖13所示，其中施中階段編號1～12代表1#～12#塊澆筑完成，13代表大橋合龍，14代表橋面鋪裝完成。

由圖13可知，關鍵截面在施工過程中其剪力滯系數(shù)逐漸增大，且在短懸臂施工階段初期剪力滯系數(shù)變化較為緩慢，隨著懸臂段的加長，剪力滯系數(shù)變化幅度開始變大，在最大懸臂狀態(tài)時達到最大。5結(jié)語

（1）隨著施工階段的推移，大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應是一個動態(tài)變化的過程，在懸臂施工階段初期，剪力滯系數(shù)增長較為緩慢，而后期變幅開始增大，在結(jié)構(gòu)達到最大懸臂狀態(tài)時剪力滯系數(shù)達到峰值，且大橋處于長懸臂狀態(tài)時剪力滯效應要遠大于短懸臂狀態(tài)。大橋從最大懸臂狀態(tài)到橋面鋪裝完成剪力滯效應開始逐漸減弱，但是下降幅度較小。

（2）在大橋施工過程中頂板剪力滯效應要遠大于底板，且隨著施工階段的推移，頂板剪力滯效應的變化幅度要強于底板。

（3）整個施工過程中端部截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)均出現(xiàn)在截面AA，分別為1.20和1.15；跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)分別為1.26和1.20。

參考文獻：

References：[1]萬水，李淑琴，馬磊.波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)在中國橋梁工程中的應用[J].建筑科學與工程學報，2009，26（2）：1520.

WAN Shui，LI Shuqin，MA Lei.Application of Prestressed Concrete Composite Boxgirder Structure with Corrugated Steel Webs in Bridge Engineering in China[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2009，26（2）：1520.

[2]JIANG R J，AU F T K，XIAO Y F.Prestressed Concrete Girder Bridges with Corrugated Steel Webs：Review[J].Journal of Structural Engineering，2015，141（2）：19.

[3]吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應問題研究[D].南京：東南大學，2002.

WU Wenqing.Research on Shearlag Effect in Combined Boxgirder with Corrugated Steel Webs[D].Nanjing：Southeast University，2002.

[4]彭鯤.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯的理論和試驗研究[D].長沙：湖南大學，2008.

PENG Kun.Theoretical and Experimental Study on the Shear Lag Effect of Boxbeam with Corrugated Steel Webs[D].Changsha：Hunan University，2008.

[5]項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].2版.北京：人民交通出版社，2013.

XIANG Haifan.Advanced Theory of Bridge Structures[M].2nd ed.Beijing：China Communications Press，2013.

[6]賀君，劉玉擎，陳艾榮.波折鋼腹板組合箱梁預應力體系研究[J].公路交通科技，2008，25（6）：6570.

HE Jun，LIU Yuqing，CHEN Airong.Research on Internal and External Tendon System of Composite Box Girder Bridge with Corrugated Steel Webs[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25（6）：6570.

[7]METWALLY A E，LOOV R E.Prestressed Concrete Beams with Corrugated Steel Webs[C]//ASCE.Composite Construction in Steel and Concrete IV.Reston：ASCE，2000：8192.

[8]吳文清，萬水，葉見曙，等.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應的空間有限元分析[J].土木工程學報，2004，37（9）：3136.

WU Wenqing，WAN Shui，YE Jianshu，et al.3D Finite Element Analysis on Shear Lag Effect in Composite Box Girder with Corrugated Steel Web[J].China Civil Engineering Journal，2004，37（9）：3136.

[9]HU Z T，CHEN X.Finite Element Analysis on Shearlag Effect in Curved Continuous Box Girder with Corrugated Steel Webs[C]//ASCE.ICCTP 2009：Critical Issues in Transportation Systems Planning，Development，and Management.Reston：ASCE，2009：16.

[10]李立峰，彭鯤，王文.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應的理論與試驗研究[J].公路交通科技，2009，26（4）：7883.

LI Lifeng，PENG Kun，WANG Wen.Theoretical and Experimental Study on Shear Lag Effect of Composite Box Girder with Corrugated Steel Webs[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，26（4）：7883.

[11]舒志云.波形鋼腹板PC組合箱梁剪力滯效應[D].重慶：重慶交通大學，2013.

SHU Zhiyun.Corrugated Steel Web PC Composite Box Beam Shear Lag Effect[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2013.

[12]ZHOU S J.Finite Beam Element Considering Shearlag Effect in Box Girder[J].Journal of Engineering Mechanics，2010，136（9）：11151122.

[13]丁偉亮.大跨度預應力混凝土連續(xù)箱梁橋剪力滯效應分析[D].長沙：中南大學，2009.

DING Weiliang.Analysis of Shear Lag Effect of Largespan Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge[D].Changsha：Central South University，2009.

[14]藺鵬臻，孫理想，楊子江，等.單箱雙室簡支箱梁的剪力滯效應研究[J].鐵道工程學報，2014，31（1）：5963，112.

LIN Pengzhen，SUN Lixiang，YANG Zijiang，et al.Research on Shear Lag Effect of Twincell Box Girders[J].Journal of Railway Engineering Society，2014，31（1）：5963，112.

[15]朱世峰，舒志云，李成君.波形鋼腹板PC組合箱梁剪力滯效應影響因素分析[J].公路工程，2014，39（3）：267270.

ZHU Shifeng，SHU Zhiyun，LI Chengjun.Impact Factor Research on Shear Lag Effect of PC Composite Boxgirders with Corrugated Steel Webs[J].Highway Engineering，2014，39（3）：267270.