纖維陶?；炷翗蛎姘褰Y(jié)合梁懸索橋受力性能

李秀 邱志成 朱紅兵

摘 要：本文以廟嘴長江大橋?yàn)槔⒂?jì)算模型，分別對不同等級纖維陶粒混凝土結(jié)合梁橋面板、普通纖維混凝土結(jié)合梁橋面板進(jìn)行對比，分析懸索橋在自重、自重+汽車荷載作用下的基頻、主纜拉力、吊索拉力等性能指標(biāo)。結(jié)果表明：采用纖維陶?；炷翗蛎姘搴螅瑧宜鳂虻淖哉耦l率明顯提高，其一階振型的自振頻率可提高約6%;主纜所受拉力較普通混凝土橋面板可降低10%以上;吊索所受最大拉力可降低15%以上（自重作用）或13%以上（自重+汽車荷載作用）?？梢姡捎美w維陶?；炷翗蛎姘搴螅瑧宜鳂虻目拐鹦阅?、主纜和吊索的受力性能均得到了顯著提升。

關(guān)鍵詞：結(jié)合梁;纖維陶?；炷?受力性能

中圖分類號：U441文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0076-04

Mechanical Behavior of Composite Girder Suspension Bridge Deck with Fiber Ceramsite Concrete

LI Xiu1 QIU Zhicheng2 ZHU Hongbing2

（1.Wuhan Technical College of Communications，Wuhan Hubei 430065;2.School of Urban Construction， Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Taking miaozui Yangtze River Bridge as an example， this paper established a calculation model， compared different grades of fiber ceramsite concrete composite beam deck and ordinary fiber concrete composite beam deck， and analyzed the performance indexes of suspension bridge， such as fundamental frequency， main cable tension and sling tension under self weight， self weight + vehicle load. The results showed that the natural frequency of the suspension bridge was obviously increased after using the fiber ceramsite concrete deck， and the natural frequency of the first mode could be increased by about 6%; The tensile force of the main cable could be reduced by more than 13% compared with the ordinary concrete deck; The maximum tension of the sling could be reduced by more than 15% under the action of deadweight or more than 10% under the action of deadweight and vehicle load. It showed that the seismic performance of suspension bridge， the mechanical performance of main cable and sling had been significantly improved after using fiber ceramsite concrete deck.

Keywords： composite beam;fiber ceramsite concrete;mechanical behavior

大跨懸索橋所采用的鋼箱梁存在一些技術(shù)難點(diǎn)，例如，結(jié)構(gòu)易屈曲發(fā)生失穩(wěn)破壞，材料力學(xué)性能無法充分發(fā)揮導(dǎo)致利用率偏低，鋼橋面板容易產(chǎn)生疲勞開裂破壞，鋼橋面板與橋面鋪裝結(jié)合能力較差等[1]。鋼-混凝土結(jié)合梁可充分利用材料性能，較傳統(tǒng)鋼橋面在力學(xué)性能方面具有明顯的優(yōu)勢[2-4]。纖維陶?；炷凛^普通混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，且在韌性、抗凍融、抗沖擊等性能上有明顯改善[5-7]。采用纖維陶粒混凝土建造結(jié)合梁橋的混凝土橋面板，符合橋梁工程大跨度、低自重、高耐久性、節(jié)省材料的應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展方向，達(dá)到增加橋梁跨徑或提高承載力儲備的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，對結(jié)合梁橋的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用均獲得了較多成果[8]，但將纖維陶?；炷翍?yīng)用于結(jié)合梁橋橋面板并對其進(jìn)行整體受力分析的研究卻較少。

本文以廟嘴長江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘舜髽虻娜珮蛴邢拊治瞿Ｐ?，分別考慮自重、自重+車輛荷載共同作用兩種工況，分析了采用纖維陶?；炷翗蛎姘迮c普通混凝土橋面板對全橋的結(jié)構(gòu)基頻、主纜拉力及吊索拉力的影響，并進(jìn)行了對比分析。

1 廟嘴長江大橋工程概況

宜昌市廟嘴長江大橋橋面長3 229.7 m，橋面寬31.5 m，大橋跨徑布置為250 m+838 m+215 m，其中主橋主跨為838 m的單跨鋼-混凝土結(jié)合梁懸索橋[9]。廟嘴長江大橋立面布置如圖1所示。

廟嘴長江大橋主要結(jié)構(gòu)包括主塔、吊索、主纜、加勁梁。主塔高107 m，為門形框架結(jié)構(gòu)，包括上橫梁、塔柱、支墩三部分。其中，上橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱和支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。吊索采用銷接式結(jié)構(gòu)，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與鋼箱梁上的耳板連接。吊索采用預(yù)制平行鋼絲束。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股法形成，每根索股由127絲直徑為5.2 mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成。加勁梁全寬33.2 m，中心線處梁高3.02 m，為鋼-混凝土結(jié)合梁，由鋼梁和混凝土橋面板通過布置在鋼梁上的剪力連接件組合而成，橫斷面如圖2所示。

鋼梁由兩側(cè)的鋼主梁通過中間的鋼橫梁連接而成。鋼主梁腹板中心間距為26.0 m，鋼橫梁布置間隔為：除梁端的三個(gè)橫梁間隔為2.6 m外，其他橫梁間隔均為3.2 m。在橫梁中心線處沿橋縱向布置一道鋼小縱梁。橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土橋面板全寬25.0 m，板厚0.22 m，通過布置于鋼梁頂板上的圓柱頭剪力釘與鋼梁結(jié)合后共同受力。

2 有限元分析模型

利用MIDAS Civil軟件，根據(jù)廟嘴長江大橋的設(shè)計(jì)圖紙建立全橋模型，如圖3所示，基本結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)參數(shù)通過懸索橋建模助手輸入。加勁梁采用一般梁單元模擬;混凝土橋面板采用實(shí)體單元模擬;主纜和吊索采用只受拉單元模擬;主纜與索塔頂部的連接選用邊界條件中的“剛性連接”來模擬;因不考慮加勁梁與混凝土橋面板的相對滑移，加勁梁與混凝土橋面板之間的連接選擇邊界條件中“彈性連接”的“剛性”屬性來模擬;其他約束條件采用建模助手默認(rèn)屬性。將不同強(qiáng)度等級的纖維陶粒混凝土和纖維混凝土的基本性能參數(shù)[10]通過截面特性值自定義輸入。

建立全橋模型后，采用公路—Ⅰ級車輛荷載進(jìn)行加載[11]

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)基頻

利用全橋模型，采用特征值向量Lanczos方法[12]，分析結(jié)構(gòu)在其自重作用下的自振特性，提取每個(gè)模型的前四階頻率和振型。不同混凝土條件下大橋自振頻率如表1所示。當(dāng)橋面板采用LC40混凝土?xí)r，主橋的振型如圖4所示。其他強(qiáng)度混凝土條件下主橋的自振振型與LC40類似。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可知，采用不同混凝土橋面板時(shí)，結(jié)合梁懸索橋的結(jié)構(gòu)自振頻率均較小，周期在10 s左右。分析表1和圖4還可以得出以下結(jié)論：①當(dāng)主橋橋面板采用不同類型及強(qiáng)度的混凝土?xí)r，主橋的自振頻率存在明顯差異，采用纖維陶?；炷翗蛎姘鍟r(shí)，主橋的自振頻率明顯高于混凝土橋面板的自振頻率。以一階振型的自振頻率為例，采用LC40、LC45、LC50的陶?；炷?xí)r，相對于普通混凝土橋面板條件，自振頻率分別提高了6.6%、5.7%、5.5%?？梢?，采用纖維陶?；炷翗蛎姘搴?，主橋的抗震性能得到了明顯提升。

3.2 主纜拉力

根據(jù)特征值運(yùn)行結(jié)果輸入結(jié)構(gòu)基頻，得到采用不同混凝土橋面板時(shí)懸索橋在自重、自重+汽車荷載共同作用下主纜的拉力最大值和最小值，如表2所示。

結(jié)果表明，橋面板混凝土的類型對懸索橋主纜的拉力影響較大，采用纖維陶?；炷翗蛎姘鍟r(shí)，主纜的最大拉力下降明顯。在自重作用下，采用LC40橋面板時(shí)最大拉力比C40低12.16%，LC45比C45低11.39%，LC50比C50低11.08%;在自重+汽車荷載作用下，采用LC40橋面板時(shí)比C40低11.92%，LC45比C45低11.16%，LC50比C50低10.86%;最小拉力也得到了不同程度的下降。由此可見，采用纖維混凝土橋面板后，懸索橋主纜的受力性能得到了顯著改善。

3.3 吊索拉力

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，當(dāng)采用不同混凝土的橋面板時(shí)，懸索橋吊索在自重、自重+汽車荷載共同作用時(shí)所受拉力如表3所示。

對比分析表2和表3可知，橋面板采用不同混凝土?xí)r，懸索橋吊索所受拉力的變化情況與主纜類似，在自重作用下變化更為顯著。從表3可以看出，在自重作用下，吊索最大拉力對比情況為：LC40比C40低16.68%，LC45比C45低15.62%，LC50比C50低15.19%;在自重+汽車荷載作用下，吊索最大拉力對比情況為：LC40比C40低14.93%，LC45比C45低13.99%，LC50比C50低13.60%。此外，吊索最小拉力也有較大幅度的降低。因此，采用纖維混凝土橋面板可顯著提高懸索橋吊索的受力性能。

4 結(jié)論

依托廟嘴長江大橋主橋（懸索橋）工程，建立有限元分析模型，分別計(jì)算出橋面板采用不同強(qiáng)度的纖維陶?；炷?、普通混凝土?xí)r主橋受力情況，得出如下結(jié)論。

①采用纖維陶?；炷翗蛎姘鍟r(shí)，懸索橋的自振頻率明顯高于混凝土橋面板，其一階自振頻率可提高約6%，說明采用纖維陶粒混凝土橋面板后，懸索橋的抗震性能得到了明顯提升。

②在自重作用、自重+汽車荷載作用下，采用纖維陶?；炷翗蛎姘鍟r(shí)，主纜所受最大拉力較普通混凝土橋面板可降低10%以上，可見，采用陶?；炷翗蛎姘蹇娠@著改善懸索橋主纜的受力性能。

③采用纖維陶?；炷翗蛎姘鍟r(shí)，吊索所受最大拉力較普通混凝土橋面板小，在自重作用下可降低15%以上，在自重+汽車荷載作用下可降低13%以上，可見，采用陶?；炷翗蛎姘蹇娠@著提高懸索橋吊索的受力性能。

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