胡　俊，莫太東，賈俊峰（1.山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶　400074；.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400074；.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京　10014）

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混合式疊合梁斜拉橋施工及成橋階段橋面板剪力滯效應(yīng)研究

胡俊1，2，莫太東2，賈俊峰3
（1.山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124）

摘要以一大跨徑疊合梁斜拉橋?yàn)閷?duì)象，采用梁、板單元建立斜拉橋的空間有限元模型，研究上字形鋼主梁的疊合梁斜拉橋在施工過(guò)程及成橋階段橋面板剪力滯效應(yīng)。根據(jù)實(shí)際施工工序，模擬分析了恒載作用下疊合梁斜拉橋在懸臂施工階段、成橋階段以及混凝土收縮徐變10年后橋面板應(yīng)力的變化情況。計(jì)算結(jié)果表明:施工階段橋面板剪力滯效應(yīng)比成橋階段更明顯，施工階段橋面板正應(yīng)力逐漸趨于均勻；由于拉索產(chǎn)生的應(yīng)力集中，斜拉索錨固處剪力滯效應(yīng)比拉索中間更加明顯；混凝土收縮徐變使橋面板產(chǎn)生了拉應(yīng)力，雖然降低了壓應(yīng)力儲(chǔ)備，但使得橋面板應(yīng)力分布更均勻。

關(guān)鍵詞斜拉橋；疊合梁；橋面板；剪力滯效應(yīng)

為適應(yīng)現(xiàn)代道路交通運(yùn)輸?shù)囊?，以大跨徑為?biāo)志的疊合梁斜拉橋越來(lái)越多，疊合梁斜拉橋具有跨越能力大、梁高小、外觀輕巧，自重輕、造價(jià)合理、施工進(jìn)度快、能充分發(fā)揮材料性能的優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)80年代得到快速發(fā)展［1］。

剪力滯效應(yīng)是梁在彎曲過(guò)程中由于剪力在翼緣板中傳遞滯后而引起的截面正應(yīng)力在橫向分布不均勻的現(xiàn)象［2］。李海峰［3］分析了鋼-混凝土工字梁在各個(gè)荷載工況下不同寬跨比的剪力滯系數(shù)分布規(guī)律，結(jié)果表明鋼-混凝土工字梁的寬跨比對(duì)剪力滯效應(yīng)影響最大；申宇長(zhǎng)等［4］以一雙工字鋼結(jié)合梁斜拉橋?yàn)槔?，研究了關(guān)鍵部位的剪力滯效應(yīng)；王應(yīng)良等［5］利用空間有限元法分析了蕪湖長(zhǎng)江大橋鋼筋混凝土橋面板的剪力滯效應(yīng)；劉沐宇等［6］以武漢二七長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯勘尘?，考慮鋼主梁與橋面板之間的滑移，計(jì)算分析了多種荷載工況下橋面板剪力滯效應(yīng)；喬朋等［7］利用有限元法研究了扁平鋼箱梁在集中荷載和均布荷載作用下的剪力滯效應(yīng)，分析了不同截面特性對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響。雖然有眾多學(xué)者對(duì)剪力滯進(jìn)行了深層次的研究，但其分析對(duì)象多集中于比較熟悉的雙工字鋼結(jié)合梁、扁平箱梁、T梁，對(duì)一些特殊截面的大跨徑組合梁（比如上字形雙鋼主梁）斜拉橋研究還比較少。

本文以一大跨度疊合梁斜拉橋?yàn)閷?duì)象，建立空間有限元模型分析疊合梁斜拉橋在懸臂施工階段、成橋階段以及混凝土收縮徐變10年后橋面板的應(yīng)力變化情況，探討橋面板的剪力滯效應(yīng)。

1　工程概況

一大跨疊合梁斜拉橋全長(zhǎng)（54 + 71 + 360 + 71 + 54）m，為雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋。斜拉索呈扇形布置，中跨索距12 m，邊跨8 m，塔上索距3. 5～2. 5 m，橋梁立面見(jiàn)圖1。邊跨主梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，中跨主梁采用雙邊上字形鋼主梁與混凝土橋面板的疊合梁形式，二者之間通過(guò)剪力釘實(shí)現(xiàn)共同受力。主梁橫向中心距26 m，橋梁全寬28 m，橋面板厚28 cm，路線中心線處梁高3. 16 m，邊主梁中心線處梁高2. 9 m，中跨疊合梁斷面見(jiàn)圖2。

圖1　大跨疊合梁斜拉橋立面（單位：m）

圖2　中跨標(biāo)準(zhǔn)段鋼-混疊合梁斷面（單位：cm）

2　全橋有限元模型

采用有限元方法建立結(jié)構(gòu)空間模型，根據(jù)斜拉橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，將斜拉索簡(jiǎn)化為具有初始張拉力的桁架單元；邊跨主梁、中跨雙鋼主梁、中跨鋼橫梁、橋塔均采用梁?jiǎn)卧M；中跨橋面板采用四節(jié)點(diǎn)板單元進(jìn)行模擬。輔助墩以及橋墩處采用定義節(jié)點(diǎn)的邊界條件進(jìn)行模擬，在邊跨支架現(xiàn)澆施工過(guò)程中采用受壓彈性支撐的方式模擬支架，橋面板與鋼主梁、鋼橫梁采用共節(jié)點(diǎn)形式模擬剪力釘?shù)淖饔??？紤]到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)梁和橋面板都進(jìn)行了一定程度的單元?jiǎng)澐?，特別是橋面板，在應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了較為精確的劃分。

在有限元模型建立中作了如下處理：①采用Ernst公式對(duì)拉索彈性模量進(jìn)行修正，考慮柔性索非線性效應(yīng)，但不考慮主梁及索塔非線性效應(yīng)［8］；②忽略材料非線性的影響，鋼梁、拉索及混凝土均采用理想線彈性材料；③邊跨混凝土梁的預(yù)應(yīng)力鋼束等效于梁中心布置，為了能更好地模擬中跨橋面板預(yù)應(yīng)力，橋面板鋼束預(yù)應(yīng)力采用梁?jiǎn)卧A(yù)應(yīng)力荷載等效施加于板實(shí)際位置處；④忽略溫度作用對(duì)疊合梁的影響，濕接縫按照節(jié)點(diǎn)荷載和梁?jiǎn)卧奢d施加，鋼主梁與橫梁附屬荷載按梁?jiǎn)卧己奢d施加于雙鋼主梁。

3　橋面板剪力滯效應(yīng)分析

3. 1施工過(guò)程中橋面板剪力滯效應(yīng)分析

斜拉橋施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，每個(gè)懸臂階段是由節(jié)段鋼梁吊裝、斜拉索初張拉、橋面板吊裝及濕接縫澆筑、斜拉索二次張拉這4部分組成［9］。不同工序、不同梁段，橋面板應(yīng)力是不同的，本文根據(jù)實(shí)際施工工序?qū)ζ溥M(jìn)行模擬。橋面板剪力滯計(jì)算公式為［10］

式中：λ為剪力滯系數(shù)；σ為鋼梁位置橋面板正應(yīng)力；σ—為計(jì)算橋面板截面處的縱向平均應(yīng)力；n為計(jì)算橋面板截面單元數(shù)；σi為橋面板第i個(gè)節(jié)點(diǎn)上部（頂板）應(yīng)力；σi + 1為橋面板第i + 1個(gè)節(jié)點(diǎn)上部（頂板）應(yīng)力；bi為計(jì)算橋面板截面第i個(gè)單元橫向?qū)挾?；b為計(jì)算截面橋面板寬度。

為分析施工過(guò)程中的橋面板剪力滯效應(yīng)，選取L/8和L/4（L為中跨的一半）典型橋面板斷面。不同施工階段橋面板正截面應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖3，不同施工階段橋面板正截面剪力滯系數(shù)見(jiàn)圖4。圖中板跨位置即橋面板橫斷面位置，橫坐標(biāo)“0”代表板跨中心，“±13. 0”代表橋面板邊緣。

圖3　不同施工階段橋面板正截面應(yīng)力分布曲線

圖4　不同施工階段橋面板正截面剪力滯系數(shù)

由圖3可知，同一截面在不同施工階段其正應(yīng)力明顯不同，隨著施工懸臂段不斷加長(zhǎng)，截面產(chǎn)生的壓應(yīng)力不斷增大。主要原因是隨著施工懸臂段的伸長(zhǎng)，斜拉索張拉力不斷累積。

由圖4可知，隨著施工階段的不斷進(jìn)行，橋面板橫向正應(yīng)力逐漸趨于均勻，剪力滯效應(yīng)有一定的弱化。

3. 2成橋階段拉索錨固對(duì)橋面板剪力滯效應(yīng)的影響

由于斜拉索的索力斜向集中作用于斜拉橋主梁的拉索錨固點(diǎn)，其軸力的傳遞亦會(huì)對(duì)橋面板的正應(yīng)力分布造成影響。為便于分析拉索錨固效應(yīng)對(duì)橋面板剪力滯的影響，對(duì)中跨主梁進(jìn)行節(jié)段劃分，如圖5所示。每個(gè)節(jié)段計(jì)算2個(gè)拉索錨固處及其1 /4截面、1 /2截面、3 /4截面共5個(gè)橫斷面的剪力滯系數(shù)，取B1，B5，B8及B11共4個(gè)梁段橋面板進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5　中跨主梁節(jié)段劃分

圖6　各個(gè)梁段橋面板不同截面處剪力滯系數(shù)

由圖6可知，在恒載作用下中跨疊合梁橋面板出現(xiàn)“正剪力滯”效應(yīng)，并且橋面板在斜拉索錨固處剪力滯效應(yīng)比拉索中間更加明顯。這主要是由于錨固在兩側(cè)鋼主梁上的斜拉索首先在錨固點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而鋼主梁與橋面板之間又有比較可靠的傳力機(jī)制。因此，鋼主梁的應(yīng)力通過(guò)剪力連接件傳遞給橋面板導(dǎo)致錨固點(diǎn)附近橋面板產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著應(yīng)力的擴(kuò)散，遠(yuǎn)離錨固點(diǎn)的橋面板應(yīng)力則相對(duì)均勻。

3. 3混凝土收縮徐變對(duì)橋面板應(yīng)力的影響

本橋梁混凝土板采用C55混凝土，通過(guò)對(duì)成橋階段與混凝土收縮徐變10年后橋面板的應(yīng)力分析，探討混凝土收縮徐變對(duì)橋面板剪力滯效應(yīng)的影響。成橋階段與收縮徐變10年后應(yīng)力曲線見(jiàn)圖7，剪力滯系數(shù)見(jiàn)圖8。

由圖7可知，橋面板沿板跨方向應(yīng)力值在成橋階段與收縮徐變10年后有比較明顯的差異，恒載作用下收縮徐變10年后橋面板的壓應(yīng)力減小。這是因?yàn)榛炷潦湛s徐變對(duì)橋面板產(chǎn)生了部分拉應(yīng)力，從而抵消了一部分恒載作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力，這對(duì)橋面板壓應(yīng)力儲(chǔ)備是不利的。

由圖8可知，在混凝土收縮徐變的影響下，橋面板剪力滯效應(yīng)也發(fā)生了變化?；炷潦湛s徐變后橋面板剪力滯系數(shù)略小于成橋階段，說(shuō)明混凝土收縮徐變?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢允沟脴蛎姘鍛?yīng)力分布更加均勻。

圖7　成橋階段與收縮徐變10年后應(yīng)力曲線

圖8　成橋階段與收縮徐變10年后控制截面剪力滯系數(shù)

4　結(jié)論

1）橋面板的剪力滯效應(yīng)與施工階段有很大關(guān)系，施工階段橋面板剪力滯效應(yīng)比成橋階段更為明顯。施工階段橋面板正應(yīng)力逐漸趨于均勻。

2）橋面板在斜拉索錨固處剪力滯效應(yīng)比拉索中間更加明顯。這主要是由于錨固在兩側(cè)鋼主梁上的斜拉索首先在錨固點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力的擴(kuò)散，遠(yuǎn)離錨固點(diǎn)的橋面板應(yīng)力則相對(duì)均勻。

3）混凝土收縮徐變會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力從而抵消一部分壓應(yīng)力，雖然降低了混凝土橋面板的應(yīng)力儲(chǔ)備，但使得橋面板橫向應(yīng)力分布更均勻。

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（責(zé)任審編鄭冰）

Study on the Shear Lag Effect of Deck Slab of Hybrid Composite Girder Cable-stayed Bridge in Construction and Completed Bridge Stage

HU Jun1，2，MO Taidong2，JIA Junfeng3
（1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing 400074，China；2. College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

AbstractT aking the large-span composite girder cable-stayed bridge as subject，the shear lag effect of deck slab of composite girder cable-stayed bridge in construction and completed bridge stage was studied by establishing the spatial finite element model with beam and plate element. T he stress changes of deck slab were analyzed during the cantilever construction，completed bridge stage and after 10 years of shrinkage and creep of concrete. T he results indicate that the shear lag effect of deck slab in construction stage is more obvious than that in completed bridge stage，and the stress in construction stage is gradually uniform. T he shear lag effect is more obvious at the anchor position of the cable because of the stress concentration effect. T he shrinkage and creep effect will bring stress reduction of the bridge deck，but also the stress distribution will be more uniform.

Key wordsCable-stayed bridge；Composite Beam；Deck slab；Shear lag

中圖分類號(hào)U441+. 5；U448. 27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 10

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0036-04

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2016-01-22

基金項(xiàng)目：山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地（重慶交通大學(xué)）開放基金（CQSLBF-Y13-7）

作者簡(jiǎn)介：胡?。?984—），男，副教授，博士。