宽幅单索面斜拉桥钢箱梁剪力滞效应分析

李新春　李永波

【摘    要】： 为了解斜拉索索力在主梁中的传递规律及主梁的剪力滞效应情况，以清远市某大桥主桥为研究背景，通過建立有限元模型，研究单索面宽幅斜拉桥主梁在成桥阶段的受力特性及剪力滞效应，分析结果显示，该桥主梁有合理的受力且剪力滞效应处于可接受范围。

【关键词】： 宽幅单索面斜拉桥；钢箱梁；剪力滞

【中图分类号】：U441【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）05-23-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.006

Study on Shear Lag Effect of Cable-stayed Bridge with Single Cable Plane Wide

Support System

LI XinchunLI Yong bo

（1. Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd. ， Guangzhou 510060， China;

2. Jiangsu College of Engineering and Technology， Nantong 226007， China）

【Abstract】：In order to understand the transmission law of cable force in the main girder and the shear lag effect of the main girder， taking a bridge in Qingyuan City as the research background， this paper studies the mechanical characteristics and shear lag effect of a wide cable-stayed bridge with single cable plane in the bridge forming stage by establishing a finite element model. The analysis results show that the stress of the main girder is reasonable and the shear lag effect is acceptable.

【Key words】：cable-stayed bridge with single cable plane; steel box girder; shear lag

斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，造型特点鲜明且单索面斜拉桥拉索设置在桥梁中间，对车辆及行人的视觉影响很小，在景观要求较高的地区已成为首选桥型；然而实际工程设计中发现单索面宽幅斜拉桥主梁的剪力滞效应十分严重。

普通梁式桥剪力滞系数是指翼缘上的弯曲应力与初等梁单元理论计算出来的弯曲应力的比值。但斜拉桥主梁除了要承担部分竖向荷载外，还要承担由斜拉索传来的巨大轴向力；斜拉索通过主梁拉索锚固部位将拉索巨大的集中荷载传递于主梁，有较大的局部应力出现在锚固点周围并逐步扩散到整个截面 [1～3]。在靠近锚固点附近的一段区域范围内，轴向荷载在主梁上传递过程中存在严重的剪力滞效应，空间应力的不均匀现象十分严重。文献[4]探讨了轴向力作用下组合梁桥面板在横梁间距不同时的正应力分布情况和有效宽度，得出其传递角度为27°；文献[5]研究了双π形主梁斜拉桥在轴向力作用下混凝土桥面板的应力分布及传递角度，建议取值26.8°。

目前针对单索面宽幅钢箱梁主梁斜拉桥的剪力滞效应分布较少，为了解斜拉索索力在主梁中的传递规律及主梁的剪力滞效应情况，本文以实际工程为例进行研究。

1 工程概况

清远市北江某大桥主桥为100 m+218 m+100 m的单索面双塔斜拉桥，主梁标准段梁宽42 m，0#块处两侧各增设2 m宽的景观平台，桥宽达46 m。

主梁0#块为一段长度为22.1 m的预应力混凝土箱梁结构，该箱梁截面为单箱六室，其外形与钢箱梁外形一致。钢箱梁车行道及中央分割带截面顶板和底板的厚度均为50 cm，两边人行道范围的箱梁顶底板厚度为30 cm，梁中腹板和边腹板的厚度分别为80、60 cm，采用99.4 m+197.8 m+99.4 m的跨度组合，高4.0 m，标准节段长为8 m。

从景观方面考虑，桥塔最终选用异形索塔。主桥采用塔梁固结，墩-梁间设置支座的支撑体系。见图1和图2。

2 有限元模型

通过有限元法分析模拟箱梁空间薄壁结构，可以取得全面且精确的应力分布图像，也能在一定程度上避开人为假设的不足，使所得结果更为准确。

2.1 计算参数的选取

桥塔与0#块所用混凝土等级为C55、重度26 kN/m³、弹性模量3.55×10⁴MPa、泊松比0.166 7；斜拉索钢丝重度83 kN/m³、弹性模量1.95×10⁵ MPa、泊松比0.3；钢箱梁梁段所用钢材为Q345、重度90 kN/m³、弹性模量2.05×10⁵MPa。

2.2 有限元模型

通过Midas/FEA有限元分析软件进行桥梁建模。以实体单元模拟0#块主梁和桥塔，以桁架单元模拟拉索，以板单元模拟钢箱梁。见图3。

主要考虑成桥状态下钢箱梁的应力分布情况，荷载包括自重、二期恒载及斜拉索张拉力及压重。

3 剪力滯情况分析

为减小斜拉索张拉力对剪力滞研究的影响，所取断面均为斜拉索吊点断面间的中点断面。成桥状态下钢箱梁顶板均处于受压状态。箱梁中室上顶板有较大的正应力变化，其他区域的纵桥向正应力沿横桥向变化不大且有较为均匀的整体分布，应力均处于-10～-20 MPa之间。钢箱梁顶板沿顺桥向的纵桥向正应力仅有较小变化，也有较为均匀的分布。钢箱梁中箱、次中箱范围内顶板（横向坐标-9.8～9.8 m范围），依次为跨中至钢混结合段断面，纵桥向应力逐渐增大；但钢箱梁除中箱、次中箱的其余部分纵桥向应力变化趋势刚好相反，即由跨中至钢混结合段处断面，纵桥向应力依次减小。见图4。

这一现象可归结斜拉索桥主梁剪力滞的独特性，对于中箱、次中箱而言，斜拉索提供的的轴向压力对顶板纵桥向应力的贡献占主导地位，从而出现由跨中至根部顶板纵向应力依次增大的现象；而对于除中箱、次中箱的其余部分，主梁纵向弯矩对顶板纵桥向应力的贡献占主导地位，从而出现上述相反的趋势。

研究断面除跨中4个断面部分区域呈现受拉状态，其余均处于受压状态。主梁沿桥的纵向正应力变化不大，整体分布也较均匀。箱梁的下底板纵向受压从跨中至根部断面不断增大。沿着桥梁横向，钢箱梁的纵向正应力仅有较小变化，有较为均匀的整体分布。在斜腹板与底板交接处存在应力突变的情况，设计上应采取相应的构造措施。见图5。

相对钢结构而言，无论是沿着桥梁的纵向还是横向，钢箱梁的顶底板正应力变化均较小，顶底板受力均在合理范围内。

对计算断面积分，可得到该断面的平均应力值，主梁的上顶面和下底面剪力滞系数分布。箱梁顶板剪力滞系数基本处于0.6～1.6的范围，各梁段截面剪力滞系数沿顺桥的分布规律相似。主梁翼缘板和中室上顶板有较大的剪力滞系数变化，其中变化最大的是顶板的中心点、中箱腹板处及翼缘的边点，其他区域的剪力滞系数沿横桥向仅有较小的变化，有较为均匀的分布情况，主要在0.8～1.2。除跨中4个断面外，其他断面沿顺桥向主梁下底面的剪力滞系数有类似的变化趋势。沿桥梁的横向，各断面主梁剪力滞系数仅有较小变化，有较为均匀的整体分布，剪力滞系数均在1.3以下。中跨4个断面纵桥向应力较小，基本位于零应力状态线附近，故计算所得的剪力滞系数变化较大。见图6。

该钢箱梁计算剪力滞系数取值1.6，钢箱梁计算安全可靠。

4 拉索轴向力传递角

靠近锚固点附近的一段区域范围内，轴向荷载在主梁上传递过程中存在严重的剪力滞效应，空间应力分布严重不均。当主梁截面和集中力作用点有足够远的距离时，可基本认为该集中力所形成的应力均匀分布在整个桥面上，因此可认为在上顶板内，索力所形成的应力有一定的传递角度。

为了研究钢箱梁内轴向力顺桥向传递角，采用FEA有限元软件建立有限元模型，箱梁一端固结，在远离固结端的锚箱上作用一1 000 kN的水平荷载。靠近水平荷载作用点附近处的应力很大，随着距离的增大，整个断面上的应力趋于均衡。见图7。

经计算，上述各断面在水平荷载作用下的最大剪力滞系数依次为1.8、1.42、1.21、1.05、1.03。距作用点59.91 m处断面最大应力与最小应力的差值约占断面均值应力的5%，可认为水平轴向力传递至该断面已趋于均衡，则可得该钢箱梁水平轴向荷载作用下的传递角约为38.6°。

5 结论

1）通过对成桥状态下钢箱梁的应力分析可知，除斜拉索锚固点附近应力变化较大外，其余截面应力分布较为均匀；顶板剪力滞系数位于0.6～1.3之间，底板剪力滞系数位于0.6～1.3之间，斜拉索附近点剪力滞系数可按1.6计算；钢箱梁计算时，钢箱梁剪力滞系数取1.6结构计算应偏于安全。

2）各个梁段截面沿纵桥向剪力滞系数有相似的变化趋势，无论是沿桥的纵向还是横向，主梁的顶底板剪力滞系数变化均较小。

3）靠近荷载作用点附近断面的应力分布很不均匀，随着距离的增大，整个断面上的应力趋于均衡，经计算水平轴向荷载大约按38.6°的传递角沿纵桥向扩散。

参考文献：

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