李立峰　周延

摘要：為了研究大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應(yīng)，結(jié)合1座采用懸臂施工的大跨徑波形鋼腹板箱梁橋，分別建立平面桿系有限元模型和空間實(shí)體有限元模型，模擬施工過(guò)程，選取3個(gè)關(guān)鍵截面，研究了波形鋼腹板組合箱梁橋在不同施工階段的剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律。結(jié)果表明：大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應(yīng)隨著施工階段的推移是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，在懸臂施工階段，剪力滯效應(yīng)變化較快，在施工階段后期，剪力滯效應(yīng)變化緩慢；最大剪力滯效應(yīng)發(fā)生在最大懸臂狀態(tài)時(shí)的端部截面。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；剪力滯效應(yīng)；大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋；施工階段

中圖分類號(hào)：TU311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to study the shear lag effect of large span composite box girder bridge with corrugated steel webs， a large span composite box girder bridge with corrugated steel webs using cantilever construction was adopted， and the plane frame model and finite element model were established respectively. The construction processes were simulated and three key sections were selected. The distribution rules of shear lag effect of large span composite box girder bridge with corrugated steel webs at different stages of construction were studied. The results show that the shear lag effect of large span box girder bridge with corrugated steel webs is a dynamic process with the construction stage. The shear lag effect changes rapidly during cantilever construction stage， and changes slowly at the late stage of construction. The maximum shear lag effect occurs on the end section at the maximum cantilever state.

Key words： bridge engineering； shear lag effect； large span composite box girder bridge with corrugated steel web； construction process

0引言

波形鋼腹板組合箱梁是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型橋梁，采用波紋鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，結(jié)構(gòu)自重大幅減輕，腹板抗剪屈曲強(qiáng)度提高，使結(jié)構(gòu)具有受力明確、截面效率高、橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)徹底解決了混凝土梁橋腹板開(kāi)裂問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力效率也大幅提高。近年來(lái)，該橋型在中國(guó)開(kāi)始大力推廣，已建成多座，并且跨徑在逐步增大，較有代表性的有山東鄄城黃河大橋、新密溱水橋、桃花峪跨大堤橋、深圳南頭立交橋等[1]。各國(guó)對(duì)波形鋼腹板組合箱梁的研究較多[2]，中國(guó)很多科研單位對(duì)這種結(jié)構(gòu)從模型試驗(yàn)、有限元分析和工程實(shí)踐等多方面也進(jìn)行了很多研究，得到一些重要結(jié)論[27]。

近年來(lái)，中國(guó)大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的建設(shè)開(kāi)始逐漸增多，但是對(duì)于該橋型的研究極少。與普通混凝土箱梁受力類似，在對(duì)稱垂直力作用時(shí)，其上、下翼緣板的正應(yīng)力沿寬度方向分布是不均勻的，即存在剪力滯現(xiàn)象。吳文清等[89]建立了空間有限元模型，分析了波形鋼腹板組合箱梁橋剪力滯效應(yīng)的分布規(guī)律以及影響因素[89]；李立峰等[10]通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究并結(jié)合有限元計(jì)算，對(duì)中、小跨徑的波形鋼腹板箱頂板、底板的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[10]。

本文以1座大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋?yàn)橐劳?，分別建立平面桿系有限元模型、空間實(shí)體有限元模型，研究大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋在不同施工階段剪力滯效應(yīng)的分布規(guī)律。

1工程背景

1.1橋跨布置

巴江河大橋?yàn)橐蛔ㄐ武摳拱孱A(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)箱梁橋，跨徑布置為78 m+130 m+78 m，橋長(zhǎng)286 m，橋跨布置如圖1所示。箱梁頂寬19.25 m，底寬12.5 m，單箱雙室，箱梁頂板設(shè)置坡度為2%的單向橫坡，底板水平，腹板鉛直，主跨支點(diǎn)梁高7.5 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.5 m，梁高及底板厚度按二次拋物線變化，大橋典型橫斷面如圖2，3所示。主梁采用C55混凝土，波形鋼腹板采用Q345qC鋼，鋼腹板厚度在14～22 mm之間變化，圖4，5分別為波形鋼腹板的節(jié)段示意和單位波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造。

2分析方法

2.1剪力滯效應(yīng)問(wèn)題常用研究方法

眾多學(xué)者對(duì)剪力滯問(wèn)題提出了許多研究理論與方法，綜合起來(lái)主要有以下幾種：①理論分析法，包括卡曼理論、彈性理論解法、能量變分法、比擬桿法；②數(shù)值計(jì)算法，主要包括有限元法、有限條法及有限段法；③模型試驗(yàn)。

2.2研究技術(shù)路線

本文擬采用數(shù)值計(jì)算法，通過(guò)有限元計(jì)算，建立相應(yīng)的空間實(shí)體有限元模型和平面桿系有限元模型，揭示大跨徑波形鋼腹板箱梁橋在施工階段的剪力滯效應(yīng)變化規(guī)律，為該種組合箱梁的應(yīng)用推廣提供依據(jù)。

為了描述剪力滯效應(yīng)的變化規(guī)律，直觀地反映應(yīng)力的增大程度，引入剪力滯系數(shù)λ的定義，即

λ=σ

式中：σ為考慮剪力滯效應(yīng)所求得的截面實(shí)際正應(yīng)力，可以通過(guò)ANSYS空間有限元模型求得；為按初等梁理論求得的正應(yīng)力，可以按照MIDAS/Civil建立平面有限元模型求得。

通過(guò)桿系模型，可以從計(jì)算結(jié)果中提取關(guān)鍵截面隨著施工階段推移按照初等梁理論計(jì)算所得的正應(yīng)力。同時(shí)結(jié)合ANSYS空間實(shí)體模型，提取關(guān)鍵截面上任意一點(diǎn)的正應(yīng)力數(shù)值。結(jié)合兩者分析對(duì)比即可以判斷出關(guān)鍵截面剪力滯系數(shù)沿大橋縱向和橫向的分布情況。3有限元分析模型

3.1平面桿系模型

采用有限元軟件建立平面桿系模型，如圖6所示，全橋共劃分為89個(gè)節(jié)點(diǎn)、70個(gè)單元。建立38個(gè)施工階段對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬。

3.2空間實(shí)體模型

巴江河大橋全橋采用ANSYS進(jìn)行模擬，主梁頂板、底板采用3D實(shí)體單元，因波形鋼腹板厚度在14～22 mm之間變化，采用2D板單元模擬更為合理，預(yù)應(yīng)力筋采用空間索單元模擬。板單元與實(shí)體單元之間通過(guò)MPC法（多點(diǎn)約束方程）實(shí)現(xiàn)耦合，空間實(shí)體有限元模型如圖7所示。全橋共劃分為38個(gè)施工階段進(jìn)行模擬，并且各階段的結(jié)構(gòu)自重、掛籃荷載、邊界條件等均模擬一致[1112]。選取關(guān)鍵截面（圖8），研究大橋在施工階段頂板、底板正應(yīng)力沿橋?qū)挿较虻淖兓?guī)律。

剪力滯效應(yīng)分析結(jié)果

波形鋼腹板組合箱梁橋的施工階段作為一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其主梁截面內(nèi)力和應(yīng)力是不斷變化的。為了探究施工過(guò)程中剪力滯效應(yīng)的變化規(guī)律，在懸臂澆筑過(guò)程中選取6#塊澆筑完成后（短懸臂狀態(tài)）和12#塊澆筑完成后（最大懸臂狀態(tài)）以及大橋合龍后和橋面鋪裝完成后4個(gè)典型施工階段進(jìn)行研究。沿橋?qū)挿较驗(yàn)閄方向，以橫斷面中心點(diǎn)為X軸原點(diǎn)，分析計(jì)算截面剪力滯效應(yīng)的變化情況，探究施工過(guò)程中計(jì)算截面剪力滯效應(yīng)沿橋梁橫向和縱向的分布規(guī)律[13]。

4.16#塊澆筑完成后的剪力滯效應(yīng)

6#塊施工完成后橋梁處于短懸臂狀態(tài)，關(guān)鍵截面頂板、底板應(yīng)力峰值及剪力滯系數(shù)分布如表1和圖9所示。

計(jì)算求得3個(gè)關(guān)鍵截面的空間應(yīng)力最大值均位于頂板、底板與梁肋交界處（表1）。由圖9可知，3個(gè)關(guān)鍵截面頂板、底板均出現(xiàn)了明顯的正剪力滯效應(yīng)。由于巴江河大橋?qū)儆趩蜗潆p室截面，因而存在大橋中跨合龍之后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了很大變化，與懸臂施工階段相比，雖然計(jì)算截面的頂板、底板正應(yīng)力均有所提高，但是3個(gè)關(guān)鍵截面的頂板、底板剪力滯效應(yīng)均有所下降，同時(shí)中跨跨中截面處頂板的最大剪力滯系數(shù)達(dá)到了1.26。

4.4橋面鋪裝完成后的剪力滯效應(yīng)

在全橋合龍之后將要進(jìn)行橋面鋪裝，在有限元模型中二期恒載都以均布荷載的形式來(lái)進(jìn)行模擬。由相關(guān)資料可以知道，荷載的布置形式是影響剪力滯效應(yīng)的主要原因，因此，有必要對(duì)二期恒載作用下的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行分析[15]。

作為施工階段的最后一個(gè)步驟，橋面鋪裝完成后的應(yīng)力峰值及剪力滯系數(shù)如表4和圖12所示，對(duì)比合龍后大橋的剪力滯系數(shù)可以看出，二期恒載對(duì)于剪力滯效應(yīng)有減弱作用。

4.5施工階段全過(guò)程剪力滯系數(shù)分布

通過(guò)提取關(guān)鍵截面在整個(gè)施工階段過(guò)程中的應(yīng)力結(jié)果可以得到關(guān)鍵截面剪力滯系數(shù)隨施工階段推移的分布規(guī)律，如圖13所示，其中施中階段編號(hào)1～12代表1#～12#塊澆筑完成，13代表大橋合龍，14代表橋面鋪裝完成。

由圖13可知，關(guān)鍵截面在施工過(guò)程中其剪力滯系數(shù)逐漸增大，且在短懸臂施工階段初期剪力滯系數(shù)變化較為緩慢，隨著懸臂段的加長(zhǎng)，剪力滯系數(shù)變化幅度開(kāi)始變大，在最大懸臂狀態(tài)時(shí)達(dá)到最大。5結(jié)語(yǔ)

（1）隨著施工階段的推移，大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋的剪力滯效應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，在懸臂施工階段初期，剪力滯系數(shù)增長(zhǎng)較為緩慢，而后期變幅開(kāi)始增大，在結(jié)構(gòu)達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)剪力滯系數(shù)達(dá)到峰值，且大橋處于長(zhǎng)懸臂狀態(tài)時(shí)剪力滯效應(yīng)要遠(yuǎn)大于短懸臂狀態(tài)。大橋從最大懸臂狀態(tài)到橋面鋪裝完成剪力滯效應(yīng)開(kāi)始逐漸減弱，但是下降幅度較小。

（2）在大橋施工過(guò)程中頂板剪力滯效應(yīng)要遠(yuǎn)大于底板，且隨著施工階段的推移，頂板剪力滯效應(yīng)的變化幅度要強(qiáng)于底板。

（3）整個(gè)施工過(guò)程中端部截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)均出現(xiàn)在截面AA，分別為1.20和1.15；跨中截面頂板、底板最大剪力滯系數(shù)分別為1.26和1.20。

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