混合式叠合梁斜拉桥施工及成桥阶段桥面板剪力滞效应研究

胡　俊，莫太东，贾俊峰（1.山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆　400074；.重庆交通大学土木工程学院，重庆　400074；.北京工业大学建筑工程学院，北京　10014）



混合式叠合梁斜拉桥施工及成桥阶段桥面板剪力滞效应研究

胡俊1，2，莫太东2，贾俊峰3
（1.山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；3.北京工业大学建筑工程学院，北京100124）

摘要以一大跨径叠合梁斜拉桥为对象，采用梁、板单元建立斜拉桥的空间有限元模型，研究上字形钢主梁的叠合梁斜拉桥在施工过程及成桥阶段桥面板剪力滞效应。根据实际施工工序，模拟分析了恒载作用下叠合梁斜拉桥在悬臂施工阶段、成桥阶段以及混凝土收缩徐变10年后桥面板应力的变化情况。计算结果表明:施工阶段桥面板剪力滞效应比成桥阶段更明显，施工阶段桥面板正应力逐渐趋于均匀；由于拉索产生的应力集中，斜拉索锚固处剪力滞效应比拉索中间更加明显；混凝土收缩徐变使桥面板产生了拉应力，虽然降低了压应力储备，但使得桥面板应力分布更均匀。

关键词斜拉桥；叠合梁；桥面板；剪力滞效应

为适应现代道路交通运输的要求，以大跨径为标志的叠合梁斜拉桥越来越多，叠合梁斜拉桥具有跨越能力大、梁高小、外观轻巧，自重轻、造价合理、施工进度快、能充分发挥材料性能的优点，在20世纪80年代得到快速发展［1］。

剪力滞效应是梁在弯曲过程中由于剪力在翼缘板中传递滞后而引起的截面正应力在横向分布不均匀的现象［2］。李海峰［3］分析了钢-混凝土工字梁在各个荷载工况下不同宽跨比的剪力滞系数分布规律，结果表明钢-混凝土工字梁的宽跨比对剪力滞效应影响最大；申宇长等［4］以一双工字钢结合梁斜拉桥为例，研究了关键部位的剪力滞效应；王应良等［5］利用空间有限元法分析了芜湖长江大桥钢筋混凝土桥面板的剪力滞效应；刘沐宇等［6］以武汉二七长江大桥为研究背景，考虑钢主梁与桥面板之间的滑移，计算分析了多种荷载工况下桥面板剪力滞效应；乔朋等［7］利用有限元法研究了扁平钢箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的剪力滞效应，分析了不同截面特性对剪力滞效应的影响。虽然有众多学者对剪力滞进行了深层次的研究，但其分析对象多集中于比较熟悉的双工字钢结合梁、扁平箱梁、T梁，对一些特殊截面的大跨径组合梁（比如上字形双钢主梁）斜拉桥研究还比较少。

本文以一大跨度叠合梁斜拉桥为对象，建立空间有限元模型分析叠合梁斜拉桥在悬臂施工阶段、成桥阶段以及混凝土收缩徐变10年后桥面板的应力变化情况，探讨桥面板的剪力滞效应。

1　工程概况

一大跨叠合梁斜拉桥全长（54 + 71 + 360 + 71 + 54）m，为双塔双索面混合式叠合梁斜拉桥。斜拉索呈扇形布置，中跨索距12 m，边跨8 m，塔上索距3. 5～2. 5 m，桥梁立面见图1。边跨主梁采用混凝土结构，中跨主梁采用双边上字形钢主梁与混凝土桥面板的叠合梁形式，二者之间通过剪力钉实现共同受力。主梁横向中心距26 m，桥梁全宽28 m，桥面板厚28 cm，路线中心线处梁高3. 16 m，边主梁中心线处梁高2. 9 m，中跨叠合梁断面见图2。

图1　大跨叠合梁斜拉桥立面（单位：m）

图2　中跨标准段钢-混叠合梁断面（单位：cm）

2　全桥有限元模型

采用有限元方法建立结构空间模型，根据斜拉桥的实际结构特征，将斜拉索简化为具有初始张拉力的桁架单元；边跨主梁、中跨双钢主梁、中跨钢横梁、桥塔均采用梁单元模拟；中跨桥面板采用四节点板单元进行模拟。辅助墩以及桥墩处采用定义节点的边界条件进行模拟，在边跨支架现浇施工过程中采用受压弹性支撑的方式模拟支架，桥面板与钢主梁、钢横梁采用共节点形式模拟剪力钉的作用。考虑到分析结果的准确性，对梁和桥面板都进行了一定程度的单元划分，特别是桥面板，在应力复杂区域进行了较为精确的划分。

在有限元模型建立中作了如下处理：①采用Ernst公式对拉索弹性模量进行修正，考虑柔性索非线性效应，但不考虑主梁及索塔非线性效应［8］；②忽略材料非线性的影响，钢梁、拉索及混凝土均采用理想线弹性材料；③边跨混凝土梁的预应力钢束等效于梁中心布置，为了能更好地模拟中跨桥面板预应力，桥面板钢束预应力采用梁单元预应力荷载等效施加于板实际位置处；④忽略温度作用对叠合梁的影响，湿接缝按照节点荷载和梁单元荷载施加，钢主梁与横梁附属荷载按梁单元均布荷载施加于双钢主梁。

3　桥面板剪力滞效应分析

3. 1施工过程中桥面板剪力滞效应分析

斜拉桥施工是一个动态过程，每个悬臂阶段是由节段钢梁吊装、斜拉索初张拉、桥面板吊装及湿接缝浇筑、斜拉索二次张拉这4部分组成［9］。不同工序、不同梁段，桥面板应力是不同的，本文根据实际施工工序对其进行模拟。桥面板剪力滞计算公式为［10］

式中：λ为剪力滞系数；σ为钢梁位置桥面板正应力；σ—为计算桥面板截面处的纵向平均应力；n为计算桥面板截面单元数；σi为桥面板第i个节点上部（顶板）应力；σi + 1为桥面板第i + 1个节点上部（顶板）应力；bi为计算桥面板截面第i个单元横向宽度；b为计算截面桥面板宽度。

为分析施工过程中的桥面板剪力滞效应，选取L/8和L/4（L为中跨的一半）典型桥面板断面。不同施工阶段桥面板正截面应力分布曲线见图3，不同施工阶段桥面板正截面剪力滞系数见图4。图中板跨位置即桥面板横断面位置，横坐标“0”代表板跨中心，“±13. 0”代表桥面板边缘。

图3　不同施工阶段桥面板正截面应力分布曲线

图4　不同施工阶段桥面板正截面剪力滞系数

由图3可知，同一截面在不同施工阶段其正应力明显不同，随着施工悬臂段不断加长，截面产生的压应力不断增大。主要原因是随着施工悬臂段的伸长，斜拉索张拉力不断累积。

由图4可知，随着施工阶段的不断进行，桥面板横向正应力逐渐趋于均匀，剪力滞效应有一定的弱化。

3. 2成桥阶段拉索锚固对桥面板剪力滞效应的影响

由于斜拉索的索力斜向集中作用于斜拉桥主梁的拉索锚固点，其轴力的传递亦会对桥面板的正应力分布造成影响。为便于分析拉索锚固效应对桥面板剪力滞的影响，对中跨主梁进行节段划分，如图5所示。每个节段计算2个拉索锚固处及其1 /4截面、1 /2截面、3 /4截面共5个横断面的剪力滞系数，取B1，B5，B8及B11共4个梁段桥面板进行分析，结果见图6。

图5　中跨主梁节段划分

图6　各个梁段桥面板不同截面处剪力滞系数

由图6可知，在恒载作用下中跨叠合梁桥面板出现“正剪力滞”效应，并且桥面板在斜拉索锚固处剪力滞效应比拉索中间更加明显。这主要是由于锚固在两侧钢主梁上的斜拉索首先在锚固点产生应力集中，而钢主梁与桥面板之间又有比较可靠的传力机制。因此，钢主梁的应力通过剪力连接件传递给桥面板导致锚固点附近桥面板产生应力集中现象，随着应力的扩散，远离锚固点的桥面板应力则相对均匀。

3. 3混凝土收缩徐变对桥面板应力的影响

本桥梁混凝土板采用C55混凝土，通过对成桥阶段与混凝土收缩徐变10年后桥面板的应力分析，探讨混凝土收缩徐变对桥面板剪力滞效应的影响。成桥阶段与收缩徐变10年后应力曲线见图7，剪力滞系数见图8。

由图7可知，桥面板沿板跨方向应力值在成桥阶段与收缩徐变10年后有比较明显的差异，恒载作用下收缩徐变10年后桥面板的压应力减小。这是因为混凝土收缩徐变对桥面板产生了部分拉应力，从而抵消了一部分恒载作用下产生的压应力，这对桥面板压应力储备是不利的。

由图8可知，在混凝土收缩徐变的影响下，桥面板剪力滞效应也发生了变化。混凝土收缩徐变后桥面板剪力滞系数略小于成桥阶段，说明混凝土收缩徐变在一定程度上可以使得桥面板应力分布更加均匀。

图7　成桥阶段与收缩徐变10年后应力曲线

图8　成桥阶段与收缩徐变10年后控制截面剪力滞系数

4　结论

1）桥面板的剪力滞效应与施工阶段有很大关系，施工阶段桥面板剪力滞效应比成桥阶段更为明显。施工阶段桥面板正应力逐渐趋于均匀。

2）桥面板在斜拉索锚固处剪力滞效应比拉索中间更加明显。这主要是由于锚固在两侧钢主梁上的斜拉索首先在锚固点产生应力集中，随着应力的扩散，远离锚固点的桥面板应力则相对均匀。

3）混凝土收缩徐变会产生拉应力从而抵消一部分压应力，虽然降低了混凝土桥面板的应力储备，但使得桥面板横向应力分布更均匀。

参考文献

［1］杜振华.大跨度斜拉桥钢-混结合梁组合效应研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［2］陶海，肖汝诚.混凝土斜拉桥主梁剪力滞研究［J］.结构工程师，2008，24（5）：49-53.

［3］李海峰.钢-混凝土工字梁桥剪力滞效应研究［J］.山西交通科技，2013（3）：56-58.

［4］申宇长，夏培华，朱浩.结合梁斜拉桥剪力滞效应研究［J］.施工技术，2014，43（增）：277-280.

［5］王应良，强士中，赫超.芜湖长江大桥桥面板的有效宽度分析［J］.桥梁建设，1998（3）：13-15.

［6］刘沐宇，刘洋，袁卫国.考虑滑移效应的三塔结合梁斜拉桥桥面板有效宽度分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2012，36（5）：877-880.

［7］乔朋，周绪红，狄谨.扁平钢箱梁剪力滞效应分析［J］.交通运输工程学报，2014，14（4）：36-44.

［8］戚冬燕，于东民，李文华，等.大跨径跨海斜拉桥组合梁桥面板剪力滞效应［J］.长安大学学报（自然科学版），2013，33（6）：68-73.

［9］谢泽福.结合梁斜拉桥悬臂施工阶段剪力滞效应分析［J］.桥梁建设，2013，43（4）：14-19.

［10］罗许国，戴公连.三主桁斜拉桥桥面板剪力滞效应研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008，40（3）：297-301，367.

（责任审编郑冰）

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

中图分类号U441+. 5；U448. 27

文献标识码A

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

文章编号：1003-1995（2016）06-0036-04

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2016-01-22

基金项目：山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地（重庆交通大学）开放基金（CQSLBF-Y13-7）

作者简介：胡俊（1984—），男，副教授，博士。