危媛丞，李周，鄭熒光，褚東升，閔世超

（1.深圳市龍華新區(qū)大浪辦事處建設工程事務中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學，湖南長沙 410082；4.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學，江西南昌 330013）

大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中橫向應力分布規(guī)律研究

危媛丞1，李周2，3，鄭熒光2，褚東升4，閔世超5

（1.深圳市龍華新區(qū)大浪辦事處建設工程事務中心，廣東深圳 518109；2.中建鋼構有限公司，廣東深圳 518048；3.湖南大學，湖南長沙 410082；4.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230；5.華東交通大學，江西南昌 330013）

以鄭州潮河大橋為工程依托，對正交異性板鋼箱梁施工過程中的空間應力狀況進行現(xiàn)場實測和有限元模擬，對比分析其橫向應力分布特點。結果表明，現(xiàn)場實測與有限元計算所得分布規(guī)律基本吻合，施工過程中鋼箱梁橫向應力具有較大的安全儲備；沿橋跨方向，主塔截面位置頂、底板橫向應力值較大；沿橫截面方向，橫截面中心位置橫向應力較大；鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)；完成橋面鋪裝時鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橋跨方向分布更均勻。

橋梁；大跨度懸索橋；正交異性板鋼箱梁；橫向應力

在各種橋梁結構體系中，懸索橋是跨越能力最強的橋型，也是景觀效果較好的橋型之一。無論是大跨度公路橋，還是景觀要求較高的城市道路橋梁，懸索橋都得到了廣泛運用，而這些橋梁大多采用正交異性橋面板鋼箱梁結構形式。

正交異性板鋼箱梁具有高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造等優(yōu)點，但其制造要求較高、結構受力復雜。國內已開展很多相關研究，如程建華、邢中凱分析了鋼箱梁正交異性橋面板的受力特性和計算方法，郁春松、張陜鋒研究了正交異性板鋼箱梁的計算與結構優(yōu)化問題，楊燦、段政、孔祥福研究了正交異性板鋼箱梁的空間應力、局部應力分布規(guī)律和受力性能；劉信斌、衣龍泉分析了鋼箱梁剪力滯系數(shù)的橫向變化規(guī)律。但對正交異性板鋼箱梁施工過程中橫向應力的研究較少。該文以鄭州潮河大橋為工程依托，對正交異性板鋼箱梁的空間應力狀況進行現(xiàn)場實測和有限元模擬，研究大跨度懸索橋正交異性板鋼箱梁施工中的應力特點。

1 工程概況

鄭州潮河大橋為鄭州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)濱河國際新城經(jīng)南八路跨越潮河的一個節(jié)點工程，為三塔四跨地錨式懸索橋，跨徑布置為（64+136+136+64）m= 400 m。懸索橋加勁梁采用全焊鋼箱梁結構，頂寬45 m，中線處梁高2 m，懸臂板長5.808 m。全橋鋼箱梁分為四類（見圖1）：Z1為標準段，長6 m；Z2為

合龍段，長3.7 m；Z3為中塔、邊塔段，長12.3 m；Z4為端橫梁位置，長3.69 m。鋼箱梁節(jié)段之間采用焊接連接。鋼箱梁鋼材采用Q345qD，橋面板采用正交異性板構造，縱向加勁肋為U形肋，頂板U形肋間距600 mm；底板機動車道范圍加勁肋采用U形肋，間距800mm，其余部分采用板肋，間距420 mm。鋼箱梁每隔3 m設一道標準橫隔板。鋼箱梁截面構造見圖2。

圖1 半橋鋼箱梁節(jié)段劃分示意圖（單位：mm）

圖2 鋼箱梁截面構造示意圖（單位：mm）

2 現(xiàn)場測試方案

2.1 測點布置

選取邊跨跨中、邊主塔、中跨1／4跨、中跨1／2跨、中跨3／4跨和中主塔（分別為S1～S6）作為應變測點布置控制斷面（見圖3），其中：S1截面距邊跨梁端32 m；S2截面距邊跨梁端64 m；S3截面距邊跨梁端98 m；S4截面距邊跨梁端132 m；S5截面距邊跨梁端166 m；S6截面距邊跨梁端200 m。

圖3 鋼箱梁應變測點布置斷面（單位：cm）

每個控制斷面頂、底板各布置3個橫向應變計、6個測點，全橋共36個測點，橫向具體位置為兩吊索及梁截面中心處，采用XHX-21x型振弦式表面應變計（見圖4）。

圖4 鋼箱梁橫向應變計布置（單位：mm）

2.2 測試工況

該橋吊索共進行三輪張拉，前兩輪張拉過程中胎架未拆除，鋼箱梁應力較小，可不予考慮。第三輪張拉開始后，尤其是在胎架拆除后，鋼箱梁各測點應力較大，應力測試主要針對這一情況。設置兩種測試工況：工況1為拆除胎架；工況2為施工第二層瀝青砼鋪裝，成橋。吊索編號見圖5，測試工況下鋼箱梁吊索張拉力見表1。

圖5 吊索布置及編號

表1 各測試工況下吊索張拉力

3 測試結果分析

3.1 有限元計算模型

為分析現(xiàn)場實測結果的合理性，采用ANSYS軟件建立鋼箱梁三維有限元模型進行比較分析。

考慮到橋塔高度較小而剛度較大，不建立橋塔模型而僅在塔梁相交處施加對應支座約束；因分析對象是鋼箱梁，不建立纜索系統(tǒng)而在相應節(jié)點處施加豎向拉力來模擬吊索張拉力；考慮到結構和荷載的對稱性，僅建立全橋鋼箱梁的1／4模型（見圖6）。

模型共劃分為149 349個單元，鋼箱梁結構均采用三維四節(jié)點單元Shell181模擬。計算工況與測試工況一致，工況1時在鋼箱梁吊點處施加豎向力來模擬吊索張拉力，工況2時機動車道二期恒載取4.13 k N／m2，索區(qū)、人行道、非機動車道二期恒載取3.00 k N／m2。

圖6 鋼箱梁1／4有限元模型

3.2 橫向應力沿橋跨方向的分布規(guī)律

橫向應力沿橋跨方向的分布見圖7、圖8。

圖7 工況1鋼箱梁橫向應力沿橋跨的分布

由圖7、圖8可知：工況1時S2、S6截面位置鋼箱梁頂、底板橫向應力較大，最大值約70 MPa，其余截面位置橫向應力相對較小。S2、S6截面位置鋼箱梁頂板受橫向壓應力、底板受橫向拉應力，說明鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)。與工況1相比，工況2時鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橋跨方向的分布更均勻，沿橋跨方向頂板橫向應力基本為負值（即頂板橫向受壓），底板橫向應力基本為正值（即底板橫向受拉），鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)，但橫向應力都很小，最大值不超過40 MPa，比工況1時的橫向應力峰值大幅減小。

各測點橫向應力實測結果與計算結果對比見表2。從表2可看出：1）各測點實測橫向應力沿橋跨的分布與計算結果基本吻合，但存在一定誤差，部分測點相對誤差超過100%，甚至達到數(shù)倍。考慮到天氣條件、安裝和測試人員的操作規(guī)范與否、施工人員及施工機具的直接或間接作用、吊索張拉力是否精確等大量隨機因素的影響，部分測點出現(xiàn)較大誤差是正常的。相對誤差較大的測點一般橫向應力較小，而橫向應力較大的測點其實測值與計算值較接近，實測結果與計算結果所得出的分布規(guī)律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應力特征，說明實測方法及結果可靠，有限元計算模型合理。

2）S2、S6截面處鋼箱梁頂、底板的橫向應力相對較大，實測和計算橫向應力最大值分別為59.34、71.93 MPa，均發(fā)生在工況1中跨主塔截面的頂板中心處，具有較大的安全儲備。而非主塔位置的S1、S3、S4、S5截面處鋼箱梁頂、底板的橫向應力均較小，兩種工況下實測和計算橫向應力最大值均不超過40 MPa，大部分測點橫向應力在20MPa以內，具有很大的安全儲備。

圖8 工況2鋼箱梁橫向應力沿橋跨的分布

表2 各測點橫向應力實測結果與計算結果對比

3.3 橫向應力沿橫截面方向的分布規(guī)律

受測點數(shù)量的限制，不能同時沿橋縱向和橫向布置較多的橫向應變計。在鋼箱梁頂、底板橫向應變計布置過程中側重考慮鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橋跨方向的分布，在測點布置上沿橋跨選擇較多的測試截面（S1～S6）。在每個橫截面上僅在預設的關鍵位置（梁截面中心及兩側吊索位置附近）布置測點，對于1／4模型的鋼箱梁頂、底板橫向應力來說，S1～S6每個斷面都分別僅有2個測點，僅根據(jù)實測數(shù)據(jù)并不能得出鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橫截面方向的分布規(guī)律，無法確定在橫截面的哪個位置橫向應力最不利。

在實測與計算所得出的橫向應力沿橋跨分布規(guī)律基本吻合、有限元計算結果合理性得到實測結果驗證的前提下，可僅通過有限元計算結果來分析鋼箱梁頂、底板橫向應力沿橫截面方向的分布規(guī)律（見圖9、圖10）。

從圖9、圖10可以看出：鋼箱梁頂、底板橫向應力在橫坐標為零處達到最大，即橫截面中心處鋼箱梁橫向應力值最大，但最大值不超過80 MPa，相對于Q345qD的容許彎曲應力210 MPa而言，具有很大的安全儲備。

圖9 鋼箱梁頂板橫向應力沿橫斷面的分布

圖10 鋼箱梁底板橫向應力沿橫斷面的分布規(guī)律

4 結論

（1）現(xiàn)場實測結果與有限元計算結果所得出的橫向應力沿橋跨分布規(guī)律基本吻合，都基本可以反映鋼箱梁頂、底板橫向應力特征，實測方法及實測結果可靠，有限元計算模型合理。

（2）沿橋跨方向，邊跨主塔、中跨主塔截面位置鋼箱梁頂、底板橫向應力值較大；沿橫截面方向，鋼箱梁橫截面中心位置橫向應力較大。

（3）鋼箱梁頂板主要受橫向壓應力、底板主要受橫向拉應力，鋼箱梁橫向處于下?lián)蠣顟B(tài)。

（4）與拆除胎架時相比，完成橋面鋪裝成橋時的鋼箱梁頂、底板橫向應力峰值大幅減小，沿橋跨方向的分布也更均勻。

（5）由于采用正交異性鋼橋面板，并布置了較多縱向U肋、板肋及橫隔板，鋼箱梁頂、底板橫向剛度較大，施工過程中頂、底板橫向應力均較小，遠小于設計所用鋼材的容許應力，具有較大的安全儲備。

［1］ 程建華，熊健民，周金枝.鋼箱梁正交異性板受力性能分析［J］.鋼結構，2014（2）.

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［3］ 郁春松.正交異性鋼箱梁橋面板的優(yōu)化設計［D］.長沙：湖南大學，2011.

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U448.25

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2016-04-29