大跨度组合梁斜拉桥辅助墩区桥面板受力研究

樊 帅

(湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410001)

组合梁兼有混凝土梁与钢梁的优点，自重轻，且可避免钢梁桥面铺装易损坏的问题，是300 ～600 m斜拉桥的合理主梁形式。据不完全统计，我国已建成和正在建设中的桥梁，主跨在400 m 及以上的斜拉桥共有46 座，其中组合梁斜拉桥共有21 座。组合梁斜拉桥的桥面板通过剪力钉连接件与钢梁相结合［1，2］，由于边跨辅助墩支反力作用，该区主梁受负弯矩，混凝土桥面板易开裂。目前，组合梁斜拉桥主梁方面的研究，学者们主要集中在主梁的剪力滞效应及桥面板的收缩与徐变效应方面［3～6］，专门针对斜拉桥辅助墩区桥面板受力特性研究较少。然而随着组合梁斜拉桥跨径不断增大，辅助墩区桥面板受拉开裂问题突出，成为控制桥面板设计的关键。为此，以某组合梁斜拉桥为工程背景，选取辅助墩区域主梁，采用大型有限元软件ANSYS11.0 建立“梁－壳－实”混合有限元模型，并对其进行仿真分析，旨在揭示辅助墩区域桥面板受力特性。在此基础上，根据仿真结果揭示的不足，提出了有效改善措施。

1 概述

某双塔双索面半封闭钢箱组合梁斜拉桥，主桥跨径布置为(210+438+210)m，体系采用半漂浮体系，边中跨比为0.491，在两边跨内各设置了1 个辅助墩，总体布置图如图1 所示。桥塔采用钢筋混凝土钻石型塔，截面为变宽箱型截面，塔高150.2 m，其中桥面以上高110.9 m。拉索采用扇形布置，每个桥塔共设26 对拉索，纵向标准间距为9.0 m，在边跨尾索区索距为6 m。主梁采用槽形钢梁与混凝土桥面板组成的半封闭组合梁，主梁两侧设置风嘴，中心线处梁高3.5 m，梁宽39.6 m，桥面设2%的双向横坡，组合梁横断面布置图如图2 所示。其中槽形钢梁顶板宽800 mm、横梁顶板宽600 mm、组合梁中混凝土桥面板厚度为260 mm。

图1 主桥整体布置图(单位:m)

图2 主梁横断面布置图(单位:mm)

2 有限元模型建立

目前，钢结构局部有限元分析方法主要有:子模型法，混合单元法，全桥空间模型法［7］。由于组合梁截面构造复杂，全桥采用空间有限元模型必然会导致计算规模很大。而在有限元分析中，往往计算者并不关心全部位置的计算精度，只要局部位置计算精度满足要求即可。鉴于“子模型法”边界不易准确施加［7］，故本文采用混合单元法建模。

为分析辅助墩处组合梁桥面板的受力特性，采用大型有限元软件ANSYS11.0 建立“梁－壳－实－杆”的混合有限元模型，其中辅助区墩域主梁采用壳单元建模，其余主梁采用杆系单元建模［8］。壳模型部分的混凝土桥面板采用Shell181［9～11］单元模拟，钢梁采用壳Shell63 单元模拟［9～11］;桥塔采用空间梁单元BEAM4 模拟［9～11］，斜拉索采用LINK10 单元模拟［9～11］，辅助区墩域主梁内的预应力采用LINK8 单元［10］。钢与混凝土之间按共节点考虑。整个模型共21.3 万个单元，19.4 万个节点，其中壳单元约19 万个，梁单元3 420 个，杆单元208 个。有限元模型如图3 所示。

梁单元与壳单元采用“刚域”连接［7］，在有下部支撑处施加竖向约束，并保持结构静定。梁自重采用惯性力模拟，二期铺装采用在混凝土桥面板上施加2.74 kN/m2的均布面荷载进行模拟，斜拉索索力根据设计院提供数值，采用初始应变模拟;活荷载采用影响线取最不利区域进行加载［12］，并考虑了相应的纵、横向折减。

图3 混合有限元模型图

3 计算结果分析

由于篇幅有限，本文仅列出了短期组合下桥面板的应力，应力以拉为“+”，压为“－”，后续特殊说明均以此为约定。

图4 桥面板上表面、下表面纵向正应力(单位:kPa)

图4 列出了在短期组合作用下，辅助墩处混凝土桥面板上、下表面纵向正应力。图4 可得，在辅助墩支座附近区域桥面板纵桥向呈现局部受弯，混凝土上表面基本处于受拉状态，最大拉应力达到15.2 MPa，其余大部分区域拉应力为4.7 ～8.7 MPa;混凝土下表面基本处于受压状态，最大压应力达到16.3 MPa。

图5 桥面板上表面、下表面横向正应力(单位:kPa)

图5 列出了在短期组合作用下，辅助墩处混凝土桥面板上、下表面横向正应力。图5 可得，在辅助墩支座附近区域桥面板横桥向应力分布较为复杂，总体呈现横向受弯，钢腹板对桥面板起明显的支承作用。混凝土上表面局部拉应力峰值达11.4 MPa，但应力迅速扩散，其余大部分区域处于受压状态;混凝土下表面基本处于受拉状态，拉应力为1.3 ～3.3 MPa。

通过对图4 和图5 的分析可知，在辅助墩支座处，混凝土桥面板上表面的纵横向均出现较大拉应力，最大拉应力达到15.2 MPa。为改善该处桥面板的受力，提出在钢梁内浇筑混凝土填实段的构造措施，填实段长度取4 m。

在已建混合有限元模型的基础上，将混凝土填实段采用实体单元Solid65［9］模拟。

图6 桥面板上表面、下表面纵向正应力(改善后)(单位:kPa)

图6 列出了在短期组合作用下，采取改善措施后混凝土桥面板上、下表面的纵向正应力。图6 可得，在辅助墩处钢梁内浇筑混凝土填实段后，支座附近区域混凝土桥面板上、下表面纵向大部分区域处于受压状态，仅有少部分受拉，最大拉应力为0.87 MPa。但在填实段的交界区域出现局部拉应力，最大值达2.8 MPa。分析其原因主要是，在辅助墩处钢梁内浇筑混凝土填实段后，主梁在填实段交界处刚度发生了突变。

图7 桥面板上表面、下表面横向正应力(改善后)(单位:kPa)

图7 列出了在短期组合作用下，采取改善措施后混凝土桥面板上、下表面的横向正应力。图7 可得，在辅助墩处钢梁内浇筑混凝土填实段后，支座附近区域混凝土桥面板上、下表面横向大部分区域处于受压状态，仅有少部分受拉，最大拉应力仅为1.47 MPa。但在填实段的交界区域出现局部拉应力，最大值达2.0 MPa。

通过对比增加混凝土填实段前后桥面板纵横向应力的变化可得，在辅助处增加混凝土填实段，混凝土桥面板纵向最大拉应力由15.2 MPa 减小到0.87 MPa，纵向最大拉应力大幅减小，且拉应力区由大范围受拉变为仅少部分受拉;横向最大拉应力由11.4 MPa 减小到1.47 MPa，横向最大拉应力也大幅减小。

4 结论

1)辅助墩区域桥面板纵横向受力总体呈受弯状态，在横桥向钢腹板对桥面板起明显的支承作用。

2)当辅助墩区域钢梁内无混凝土填实段时，该区域桥面板上表面纵桥向基本都受拉，最大拉应力达到15.2 MPa，其余大部分区域拉应力为4.7 ～8.7 MPa;横桥向桥面板上表面最大拉应力达11.4 MPa。

3)当辅助墩区域钢梁内增加混凝土填实段时，该区域桥面板纵横向基本都受压，仅有少部分受拉，最大纵向拉应力为0.87 MPa、横向拉应力为1.47 MPa。与无混凝土填实段方案相比，桥面板纵横向最大拉应力减小9.9 ～14.3 MPa，且拉应力区由大范围受拉变为仅少部分受拉。

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