趙現(xiàn)省，陳雄飛

斜拉橋雙邊箱主梁剪力滯效應(yīng)分析

趙現(xiàn)省，陳雄飛

（江蘇揚子大橋股份有限公司， 江蘇 江陰 214521）

斜拉橋主梁截面一般采取雙邊箱結(jié)構(gòu)形式，截面一般較寬，存在著明顯的剪力滯效應(yīng)。文章分析了斜拉橋在最大懸臂施工階段和成橋階段主梁剪力滯效應(yīng)的影響，通過在主梁增加縱向加勁肋減小了斜拉橋的剪力滯效應(yīng)，改善了橋面的受力，可為斜拉橋的設(shè)計及施工提供參考。

斜拉橋；施工階段；成橋階段；縱向加勁肋；剪力滯

斜拉橋主梁截面一般較寬，寬箱形截面主梁在自重和荷載作用下?lián)锨鷷r，由于腹板傳遞的剪力流在邊緣上受力要大一些，而向板內(nèi)傳遞過程中，由于上下板均會發(fā)生剪切變形，應(yīng)力會逐漸減小，故實際上板的應(yīng)力在截面分布是不均勻的，這個現(xiàn)象就稱為剪力滯效應(yīng)［1］。當(dāng)靠近肋板處的主梁正應(yīng)力大于遠離肋板處主梁的正應(yīng)力時，稱為正剪力滯；當(dāng)靠近肋板處的主梁正應(yīng)力小于遠離肋板處主梁的正應(yīng)力時，稱為負剪力滯［2］，如圖1、圖2所示（圖中虛線所示為按初等梁理論計算得到的正應(yīng)力值）。

1　工程概況

本文研究的對象是一座預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，該橋主橋跨徑為（152+370+152） m，采用雙塔雙索面，全漂浮體系。主梁為雙邊箱梁，主梁中心高3.2 m，寬38.6 m，橋面板厚0.3 m。索塔成H形，高137 m，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索采用OVM250系列環(huán)氧涂層鋼鉸線拉索及相應(yīng)的錨具，標準強度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。斜拉索一共124對，斜拉索一端為張拉端錨具，另一端為錨固端錨具，斜拉索在主梁上的標準索距為6 m。該橋主橋布置及主梁典型斷面分別如圖3、圖4所示。

圖1　正剪力滯效應(yīng) 圖2 負剪力滯效應(yīng)

2　斜拉橋雙邊箱主梁剪力滯效應(yīng)分析［3-5］

本文采用大型綜合有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，單元采用人工劃分。斜拉索采用空間桿單元LINK8模擬，主梁采用實體單元SOLID45模擬。在懸臂施工階段，主梁和索塔是固結(jié)的，故主梁和拉索的邊界采用全約束；在成橋階段，主梁約束條件為縱橫向約束，轉(zhuǎn)動約束，豎向無約束。

圖3　主橋布置圖（單位：m）

圖4　主梁典型斷面圖（單位：cm）

2.1最大懸臂施工階段

（1）有限元計算應(yīng)力值

在縱向選取橋梁最大懸臂跨徑的1/4、1/2、3/4截面，在橫向選取有代表性的點進行分析，橫向點的位置如圖5所示：

圖5　橫向計算點布置圖（單位：cm）

計算結(jié)果如表1所示，其中正值代表拉應(yīng)力，負值代表壓應(yīng)力。

表1　自重作用下箱梁截面應(yīng)力值 MPa

由表1可以看出：在L/4截面，截面應(yīng)力由主梁邊緣向跨中逐漸減小；在L/2截面、3L/4截面，截面應(yīng)力由主梁邊緣向跨中逐漸增大。

（2）初等梁理論計算應(yīng)力值

根據(jù)初等梁理論，可以計算出主梁1/4、1/2、3/4截面的平均應(yīng)力，該應(yīng)力由彎曲應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力兩部分組成，可由式（1）計算：

因此可以得到斜拉橋在雙懸臂狀態(tài)時主梁截面的平均應(yīng)力如表2所示：

表2　自重作用下箱梁截面平均值

（3）最大懸臂狀態(tài)下箱梁剪力滯系數(shù)

根據(jù)考慮剪力滯影響的有限元計算出的應(yīng)力值除以初等梁理論狀態(tài)下計算出來的平均應(yīng)力值，就可以得到箱梁剪力滯系數(shù)：

計算結(jié)果如表3所示：

表3　最大懸臂狀態(tài)下箱梁剪力滯系數(shù)

由表3可以看出，主梁在同一截面不同計算點的剪力滯系數(shù)不同。在L/4截面，主梁的剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸減小，在L/2截面和3L/4截面，主梁的剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸增大；L/4截面主梁呈現(xiàn)明顯的正剪力滯效應(yīng)，而L/2截面和3L/4截面主梁呈現(xiàn)明顯的負剪力滯現(xiàn)象。

2.2成橋階段

（1）有限元計算應(yīng)力值

在縱向選取橋梁截面如圖6所示，橫向點的選取位置如圖5所示。

圖6　成橋階段縱向截面（單位：cm）

計算結(jié)果如表4所示（其中正值代表拉應(yīng)力，負值代表壓應(yīng)力）。

（2）初等梁理論計算應(yīng)力值

根據(jù)初等梁理論，可以計算出主梁截面1、2、3、4、5的平均應(yīng)力，因此成橋階段主梁截面的平均應(yīng)力值如表5所示。

表4　成橋階段箱梁截面應(yīng)力值 MPa

表5　成橋階段箱梁截面平均應(yīng)力值

（3）成橋階段下箱梁剪力滯系數(shù)

成橋階段箱梁剪力滯系數(shù)如表6所示：

表6　成橋階段箱梁剪力滯系數(shù)

由表6可以看出，主梁在同一截面不同計算點的剪力滯系數(shù)不同。

（1） 截面2主梁剪力滯系數(shù)大于1，而其他截面主梁剪力滯系數(shù)均小于1。各截面最大剪力滯系數(shù)為1.49，最小剪力滯系數(shù)為0.08；

（2）截面1、2、4剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸增大，截面3、5剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸減?。?/p>

（3）截面2主梁呈現(xiàn)負剪力滯效應(yīng)，截面1、3、4、5主梁呈現(xiàn)明顯的正剪力滯現(xiàn)象。

3　設(shè)置縱向加勁肋對雙邊箱主梁剪力滯效應(yīng)的影響分析［6-10］

在不改變主梁外輪廓尺寸的條件下，可以在雙邊箱主梁之間增加縱向加勁肋來減小剪力滯效應(yīng)帶來的危害。該橋兩雙邊箱主梁之間的凈距離為14 m，在其中設(shè)置兩道縱向加勁肋，間距為5.3 m，縱向加勁肋截面為矩形，如圖4所示。

本節(jié)重新建立增加縱向加勁肋的空間有限元模型，所選工況為最大懸臂狀態(tài)下，在縱向選取橋梁最大懸臂跨徑的1/4、1/2、3/4截面，橫向選取點的位置如圖5所示，計算結(jié)果如表7所示（其中正值代表拉應(yīng)力，負值代表壓應(yīng)力）。

表7　設(shè)置加勁肋后自重作用下箱梁截面應(yīng)力值 MPa

由表7可以看出：

（1）在L/4截面，主梁的截面應(yīng)力由邊緣向跨中逐漸減小，在L/2截面和3L/4截面，主梁的截面應(yīng)力由邊緣向跨中逐漸增大；

（2）將表7與表1進行對比，設(shè)置縱向加勁肋后，主梁截面應(yīng)力有所減小，其中L/4截面應(yīng)力最多減小了46%，L/2截面應(yīng)力最多減小了6%，3L/4截面應(yīng)力最多減小了11%；

（3）設(shè)置縱向加勁肋后并沒有改變截面應(yīng)力增大或者減小的趨勢，但是縱向加勁肋使得各截面縱向正應(yīng)力分布變得更加均勻。

根據(jù)初等梁理論，計算出增加加勁肋狀態(tài)下主梁的1/4、1/2、3/4截面的平均應(yīng)力，如表8所示：

將表8與表2進行對比可以看出，設(shè)置縱向加勁肋前后，按初等梁理論計算的截面正應(yīng)力幾乎沒有改變。

則設(shè)置加勁肋后雙邊箱主梁的剪力滯系數(shù)如表9所示。由表9可以看出：

（1）在L/4截面，主梁的剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸減小，在L/2截面和3L/4截面，主梁的剪力滯系數(shù)由邊緣向跨中逐漸增大；

（2）將表9與表3進行對比，設(shè)置縱向加勁肋后，主梁的剪力滯效應(yīng)有所降低，其中主梁L/4截面處，設(shè)置加勁肋后，剪力滯系數(shù)最多減小了47%；主梁L/2截面和3L/4截面處剪力滯系數(shù)最多減小了4%。

（3）橋面板設(shè)置縱向加勁肋后，沒有根本性改變主梁截面上的剪力滯系數(shù)的分布情況，但是縱向加勁肋使得主梁各截面剪力滯系數(shù)分布變的更加均勻。

表9　設(shè)置加勁肋后箱梁剪力滯系數(shù)

4　結(jié)論

（1）未設(shè)置縱向加勁肋前，斜拉橋在最大懸臂施工階段和成橋階段，雙邊箱主梁的應(yīng)力和剪力滯分布不均勻，但是成橋階段的應(yīng)力和剪力滯分布比施工階段要均勻一些；

（2）設(shè)置縱向加勁肋后，雙邊箱主梁的應(yīng)力和剪力滯效應(yīng)得到了改善。其中， L/4截面應(yīng)力最多減小了46%，L/2截面應(yīng)力最多減小了6%，3L/4截面應(yīng)力最多減小了11%；L/4截面剪力滯系數(shù)最多減小了47%，L/2截面和3L/4截面處剪力滯系數(shù)最多減小了4%；

（3）通過構(gòu)造措施，即在橋面板縱向設(shè)置加勁肋，的確可以減小雙邊箱主梁的截面應(yīng)力和剪力滯效應(yīng)，從而改善橋面的受力，為雙邊箱主梁斜拉橋的施工和設(shè)計提供參考。

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Shear Lag Effect Analysis of Bilateral Box Girder for Cable-stayed Bridge

Zhao Xiansheng，Chen Xiongfei
（Jiangsu Yangzi bridge Co.， LTD， Jiangyin 214521， China）

Bilateral box structure was generally adopted for cable-stayed bridge girder cross section. The cross section were usually wide with obvious shear lag effect. This paper analyzed the shear lag effect during the longest cantilever construction stage and finished stage for cable-stayed bridges. Shear lag effect decreased by setting longitudinal stiffener. It could be taken as reference for design and construction of cable-stayed bridges.

cable-stayed bridge； construction stage； finished stage； longitudinal stiffener； shear lag

U441.5

A

1672-9889（2015）06-0032-04

趙現(xiàn)省（1985-），男，河南濮陽人，碩士研究生，研究方向為高速公路公路橋梁養(yǎng)護。

（2015-03-26）