宽幅脊骨梁矮塔斜拉桥剪力滞效应分析及试验研究

刘 傲，林文强，宋 军

（1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510101；2.同济大学，上海市 200092）

宽幅脊骨梁矮塔斜拉桥剪力滞效应分析及试验研究

刘 傲1，林文强1，宋 军2

（1.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510101；2.同济大学，上海市 200092）

以江肇高速公路西江特大桥为背景，研究宽幅脊骨梁矮塔斜拉桥截面正应力分布规律。通过理论计算并结合实桥试验验证，得出了各关键断面应力不均匀系数，为优化预应力钢束设计及改善宽幅截面受力性能提供了依据。

矮塔斜拉桥；剪力滞；效应分析

1 工程简介

江肇高速公路是珠江三角洲经济区外环公路的西环段，位于珠江三角洲西部地区。路线起于江门市杜阮镇，终于肇庆市四会市东城区。西江特大桥是江肇高速公路建设难度最大的控制性工程，也是江肇高速公路的标志性工程。大桥位于永安镇与沙浦镇之间，桥位跨越西江主干流，主桥为四塔五跨单索面脊骨梁预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径布置为128 m+3×210 m+128 m=886 m，采用墩、塔、梁固结刚构体系，见图1。

图1 西江特大桥主桥

大桥主梁为预应力混凝土结构，采用变高度斜腹板单箱三室宽幅脊梁断面。顶板宽38.3 m，悬臂长8.15 m，两侧设5.15 m宽后浇带，在同类型桥梁中，桥面宽度和挑臂长度均较大，故剪力滞效应明显，应对其顶底板纵向剪力滞效应进行研究。

2 研究意义

箱梁纵向受力不均匀性主要受剪力滞效应以及偏载效应影响。关于剪力滞理论以及翼缘板有效工作宽度的研究，早在20世纪20年代就开始了，虽然对剪力滞问题提出了较多的理论，如弹性理论解法、比拟杆法、能量变分法、数值分析法等进行分析和求解，但这些方法大多依赖于假定位移函数，计算结果偏理想化，新结构以及分节段受力特性使得传统算法存在较多的不足之处[1-4]，在西江特大桥中，主梁体系具有如下特点：

（1）主梁为宽幅脊梁，顶底板普遍较薄，悬臂较长，首先会会加剧剪力滞效应，其次边载偏心距增大，也会加剧扭转和偏载效应；

（2）主梁悬臂分次浇筑，后浇段受力时机及纵向受力特征与一次浇筑构件存在本质区别；

（3）单索面矮塔斜拉桥体系，索力传递不均匀，成为纵向受力不均匀原因之一；

（4）悬臂施工，各截面剪力滞效应随各阶段荷载及边界的变化产生变化，不加以验算配筋，可能导致施工阶段主梁局部开裂或破坏，目前剪力滞研究中较少涉及。

脊骨梁截面相较于普通箱梁，在施工或成桥阶段应力不均匀分布可能更加显著，将导致局部效应过大，因此需要通过理论研究的方法，明确应力不均匀分布及变化特征，提取最不利不均匀性系数，指导配束或配筋设计工作，以保障结构受力安全。

3 纵向受力不均性有限元分析

研究中分别对初等梁理论剪力滞效应、空间有限元方法得到平均应力后的剪力滞系数进行分析。当利用剪力滞系数描述应力分布不均匀特性时，仅考虑了断面中最大应力和平均应力的关系。随着断面形式的变化，以及关心工况的增多，单一的剪力滞不能全面描述断面应力分布不均匀的问题，因此研究中进一步引入了断面位置的不均匀系数，全面描述断面应力不均特性。

3.1 计算模型简介

本文采用通用有限元程序ANSYS建立三维实体单元模型。主梁实体部分采用SOLID45单元，斜拉索采用LINK10单元，预应力钢束采用LINK8单元，桥塔采用BEAM4单元。考虑到结构的对称性，本文建立了全桥半结构模型，共划分单元367 104个，节点538 356个，见图2、图3。斜拉索索力按设计初张索力施加。模型中考虑所有预应力效应，并扣除了相应预应力损失。约束条件为边跨处约束竖向位移，中跨设置对称边界，主墩墩底固结。

图2 有限元模型立面图

图3 有限元模型局部

3.2 计算工况及关键断面选择

为了充分研究施工阶段体系及荷载变化对主梁剪力滞效应的影响，课题研究中设定了如下十个工况，并选取了主梁五个关键截面进行分析。计算分析中的主要工况见表1。

表1 关键计算工况及工况说明

关键截面选取包括无索区典型节段（无索区最大悬臂节段）、S1（近塔侧）拉索区节段截面、S16（远塔侧，最大悬臂节段）拉索区节段截面，见图4。

图4 关键截面位置示意图（单位：m）

3.3 截面应力不均匀系数

对各关键截面，取其在各自工况荷载作用下截面节点沿桥梁纵向应力，定义应力不均匀系数为截面各点应力与平均应力的比值，应力不均匀系数综合考虑自重、预应力、索力效应，取代剪力滞系数，更能真实反映截面应力分布规律，研究对应力不均匀系数以及剪力滞系数均进行计算分析。以工况十为例，关键截面应力不均匀系数见图5。

图5 工况十各关键断面应力不均匀系数

有限元分析表明，施工过程中，部分工况下的剪力滞系数较高，但随着预应力以及斜拉索的张拉，在大桥合龙、成桥状态下，除主塔根部截面外，大部分截面的剪力滞系数均处于合理状态。对于箱梁顶板，基于初等梁理论的剪力滞系数为1.23（4#截面），基于空间分析得到的剪力滞系数为1.46（3#截面）；对于箱梁底板，基于初等梁理论的剪力滞系数相对较大，最大剪力滞系数为2.25（3#截面），这主要与杆系计算得到的底板应力较小有关；基于空间分析得到的剪力滞系数总体均较小，最大剪力滞系数为1.14（4#截面）。

据应力不均匀性分析可以看出，脊骨箱梁断面的顶底板空间应力状态基本上处于合理状态，未出现局部应力过大的情况，满足结构安全性要求。分段浇筑的脊骨箱梁断面的顶底板纵向受力不均匀性主要通过预应力钢束以及斜拉索的合理布束进行改善。脊梁设计时布束应参照纵向应力分布趋势进行优化。

4 纵向受力不均匀性试验研究

在有限元分析的基础上，针对宽幅脊骨梁纵向受力不均匀性以及后浇翼板连接性能及其与脊骨受力性能关系进行试验监测研究，对顶底板纵向剪力滞效应进行进一步分析和完善，并就本桥主梁配束方案、斜拉索索力对结构主梁纵向受力不均匀性改善的有效性进行验证。

4.1 关键断面与测点布置

试验选择的关键断面与有限元模型相同。应力测点布置见图6，为反映断面剪力滞和横向应力分布特点，测点应覆盖腹板与顶底板交接、后浇翼板等典型位置，并应同时测试横向和纵向应力。其中每个典型断面共50个测点，包括38个纵向应力测点和12个横向应力测点。基本覆盖了主要的应力变化区域，反映了断面应力分布不均匀特性，能够比较全面的反映断面应力分布和变化过程。

图6 关键断面测点布置图

4.2 实测数据与有限元计算对比分析

实桥试验中，悬臂翼缘板为后期拼装而成，拼装施工落后主梁脊骨施工5个阶段。根据实验进展，提取实验中观测断面的实验数据进行分析。本节提取以下两个工况进行实测数据与有限元理论计算的对比，见图7。

图7 主梁截面顶底板应力分布对比图

经试验测试得到各截面实测应力值，通过有有限元计算结果进行对比，得出以下结论：

（1）从已有的实测数据表明，张拉主梁脊骨预应力在主梁脊骨部分产生压应力，并存在一定的剪力滞效应，后拼翼缘板上分配到的压应力较小，部分工况下出现阶段性的较小拉应力。

（2）张拉斜拉索工况下，拉索附近截面在顶板位置受压，远离截面中心位置应力减小，这也一定程度上反映了斜拉索索力在主梁截面上的传递路径：索力在截面上传递时，主梁脊骨承受较大应力，自脊骨梁中腹板至翼缘板端部，顶板应力呈线性递减。

（3）现场实测分析得到的剪力滞与理论计算的剪力滞分布基本吻合。其中，顶板应力分布实测值和理论值偏差较小，实际拼装后，底板实测应力值略大。同时，实测值和理论计算值均说明索力在截面上传递时，主梁脊骨承受较大应力，翼缘板应力较小，翼缘板平均应力约为主梁脊骨应力水平的1/3。

（4）从不同施工工况实测结果对比分析可见，本桥主梁配束方案、斜拉索索力对结构主梁纵向受力不均匀性起到了一定的改善作用。在大桥长期运营状态下仍需继续采集实测数据，对脊骨梁断面顶底板的长期受力性能进行跟踪分析。

5 结论

本文以江肇西江大桥为背景，研究了宽幅脊骨梁矮塔斜拉桥主梁截面纵向受力不均匀的特性，通过理论分析与实桥试验验证可以得到以下主要结论：

（1）施工过程部分工况下的截面剪力滞效应明显，但随着预应力以及斜拉索的张拉，在大桥合龙、成桥状态下，大部分截面的剪力滞系数均处于合理状态；

（2）对于宽幅脊骨梁，基于初等梁理论计算得出的剪力滞系数略偏小；

（3）分段浇筑的脊骨箱梁断面的顶底板纵向受力不均匀性主要通过预应力钢束以及斜拉索的合理布束进行改善。脊梁设计时布束应参照纵向应力分布趋势进行优化。

[1]严国敏.试谈部分斜拉桥-日本屋代南桥屋代北桥和小田原港桥梁[J].国外桥梁,1996(1)：47-50.

[2]张元海,白昕,林丽霞.箱形梁剪力滞效应的改进分析方法研究[J].土木工程学报,2012(11)：153-158.

[3]李兴民.施工过程对箱梁剪力滞效应影响分析 [J].桥梁建设, 2013,43(1)：30-34.

[4]牛斌.杨梦蛟.马林.预应力混凝土宽箱梁剪力滞效应试验研究[J].中国铁道科学,2004(2)：25-30.

U448.27

B

1009-7716（2016）05-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.021

2016-01-20

刘傲（1983-），男，广东大铺人，工程师，从事高速公路建设工作。