钻石形三塔斜拉桥主梁受力特性研究

张 斌

上海城建市政工程（集团）有限公司 上海 200065

钢箱梁因其自重轻、抗弯抗扭刚度大、施工便捷等优点，常被用于各种大跨度桥梁结构中[1]，如已建成的江阴长江大桥、苏通大桥等都采用了这种结构形式。由于钢箱梁板件多，纵、横向刚度差异大，故钢箱梁桥的受力状态十分复杂，箱梁顶底板的剪力滞效应严重[1-3]。国内学者已经进行了大量研究，熊礼鹏等[4]采用空间板壳有限单元法分析了扁平钢箱梁的剪力滞分布规律，张慧等[5]采用模型试验的方法研究了大悬臂鱼腹式薄壁钢箱梁的剪力滞效应。本文采用空间杆系与空间板单元相结合的混合有限元方法，模拟了实际的施工工况，对钢箱梁在施工过程中的受力性能及剪力滞效应进行了分析。

1 工程背景

宜兴市范蠡大桥为三塔单索面钢箱梁斜拉桥（图1），主桥跨径为（82＋168＋168＋82） m。桥塔采用钻石形空间四塔柱钢结构框架，桥梁采用塔墩固接、塔梁分离的连续梁支撑体系。斜拉索按扇形布置，边塔两侧共7对索，中塔两侧共9对索，每对斜拉索之间布置1对水平索。主梁为单箱多室扁平钢箱梁，中心线处梁高2.8 m，标准断面梁宽39 m（图2）。

图1 桥梁总体布置

图2 主梁标准横断面

桥跨结构采用厂内分段制作，现场分段吊装的方式，先安装桥塔结构至下横梁，再安装边跨钢箱梁至边塔，钢箱梁现场采用分段拼装滑移就位，然后同步安装中跨钢箱梁和桥塔，钢梁合龙后挂索、张拉水平索和斜拉索[6]。先张拉水平索，从ZS1/BS1到ZS9/BS7依次张拉，再张拉斜拉索，斜拉索三塔同时张拉，从ZZ9/BB7/BZ7到ZZ3/BB1/BZ1、ZZ2、ZZ1依次张拉。

2 计算模型

采用有限元软件建立全桥梁单元模型〔图3（a）〕，拉索用桁架单元模拟，并考虑了索的垂度效应。塔底为固定约束，塔梁用刚臂连接。为了研究主梁横向应力分布及剪力滞效应，对梁段A和梁段A'采用板单元建立精细化模型〔图3（b）〕。

模型包括钢箱梁的顶板、底板、腹板、加劲肋、横隔板以及钢锚箱，其中，顶板、底板厚16～24 mm，腹板厚16～30 mm，U肋厚6～8 mm，开口肋厚16 mm。空间精细模型节点数共计13 892个，单元数共计15 973个。其中，只受拉单元（拉索）共计138个，空间梁单元647个，板单元15 188个。

图3 结构空间精细有限元模型

为了研究施工工况对钢箱梁顶、底板应力分布和剪力滞效应的影响，模型中模拟了实际的施工过程，按照下塔柱、主梁、上塔柱、斜拉索的施工顺序进行。

3 结构受力分析

本文对影响主梁受力较大的斜拉索BB1/BZ1/ZZ3、ZZ2、ZZ1张拉和二期恒载4个工况展开分析（图4），其中截面1-1和截面3-3分别位于斜拉索ZZ1和BZ1的钢锚箱中心位置。

图4 主梁应力分析截面示意

3.1 应力分析

由梁段A顶板和底板在各施工工况下的截面纵向应力分布（图5、图6）可知：主梁结构横向对称，纵向应力在横向分布对称但不均匀。位于钢锚箱附近的1-1截面和3-3截面尤为明显，在斜拉索张拉时锚箱与腹板处纵向应力有15 MPa的最大突变；离钢锚箱较远的2-2截面，纵向应力无突变，但在中腹板处有应力集中的现象。

图5 梁段A顶板施工过程截面纵向应力分布

图6 梁段A底板施工过程截面纵向应力分布

由梁段A各截面顶、底板在各施工工况下的纵向应力计算值（图7、图8）可知：各截面在不同施工工况下纵向应力的横向分布规律相似，斜拉索张拉与二期恒载仅对其应力值产生影响。纵向应力在横向分布很不均匀，梁段A顶板各截面应力在－10～22 MPa之间变化，底板各截面应力在－20～ 10 MPa之间变化。

3.2 剪力滞分析

图7 梁段A顶板截面各施工阶段应力

图8 梁段A底板截面各施工阶段应力

图9 梁段A顶板各截面剪力滞系数

图10 梁段A底板各截面剪力滞系数

分析图9、图10可知：在主梁施工过程中，顶、底板的纵向正应力横向分布不均匀，顶板剪力滞系数在0.4～3.5之间变化，底板剪力滞系数在0.4～1.9之间变化；不同工况对剪力滞系数的影响较大，斜拉索BZ1和ZZ1在张拉时，梁段A各截面剪力滞系数出现较大的起伏，位于钢锚箱附近的1-1截面和3-3截面表现最显著。二期铺装加载后，剪力滞系数变得较为均匀，说明二期铺装对主梁截面纵向正应力沿横桥向分布的不均匀性有较大改善，但对于剪力滞系数的大小并无明显改善，部分截面的剪力滞系数有所增加。

4 结语

本文通过空间有限元精细化模型，对钢箱梁顶板和底板在施工过程中的应力分布和剪力滞效应进行了分析，得到以下结论：

1）斜拉桥主梁顶、底板纵向应力在横向分布很不均匀，与初等梁理论的计算结果有较大差异。

2）同一施工工况下，不同截面的纵向应力横向分布差异较大，钢锚箱附近的截面比远离钢锚箱的截面更不均匀。

3）施工工况对截面剪力滞系数影响较大，顶板剪力滞系数在0.4～3.5之间变化，底板剪力滞系数在0.4～1.9之间变化。