大跨径波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应

李立峰　周延

摘要：为了研究大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的剪力滞效应，结合1座采用悬臂施工的大跨径波形钢腹板箱梁桥，分别建立平面杆系有限元模型和空间实体有限元模型，模拟施工过程，选取3个关键截面，研究了波形钢腹板组合箱梁桥在不同施工阶段的剪力滞效应分布规律。结果表明：大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的剪力滞效应随着施工阶段的推移是一个动态变化过程，在悬臂施工阶段，剪力滞效应变化较快，在施工阶段后期，剪力滞效应变化缓慢；最大剪力滞效应发生在最大悬臂状态时的端部截面。

关键词：桥梁工程；剪力滞效应；大跨径波形钢腹板组合箱梁桥；施工阶段

中图分类号：TU311文献标志码：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

波形钢腹板组合箱梁是20世纪80年代出现的一种新型桥梁，采用波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板，结构自重大幅减轻，腹板抗剪屈曲强度提高，使结构具有受力明确、截面效率高、桥型美观等优点，同时彻底解决了混凝土梁桥腹板开裂问题，预应力效率也大幅提高。近年来，该桥型在中国开始大力推广，已建成多座，并且跨径在逐步增大，较有代表性的有山东鄄城黄河大桥、新密溱水桥、桃花峪跨大堤桥、深圳南头立交桥等[1]。各国对波形钢腹板组合箱梁的研究较多[2]，中国很多科研单位对这种结构从模型试验、有限元分析和工程实践等多方面也进行了很多研究，得到一些重要结论[27]。

近年来，中国大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的建设开始逐渐增多，但是对于该桥型的研究极少。与普通混凝土箱梁受力类似，在对称垂直力作用时，其上、下翼缘板的正应力沿宽度方向分布是不均匀的，即存在剪力滞现象。吴文清等[89]建立了空间有限元模型，分析了波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应的分布规律以及影响因素[89]；李立峰等[10]通过理论分析和试验研究并结合有限元计算，对中、小跨径的波形钢腹板箱顶板、底板的剪力滞效应进行了较为系统的研究[10]。

本文以1座大跨径波形钢腹板组合箱梁桥为依托，分别建立平面杆系有限元模型、空间实体有限元模型，研究大跨径波形钢腹板组合箱梁桥在不同施工阶段剪力滞效应的分布规律。

1工程背景

1.1桥跨布置

巴江河大桥为一座波形钢腹板预应力混凝土组合连续箱梁桥，跨径布置为78 m+130 m+78 m，桥长286 m，桥跨布置如图1所示。箱梁顶宽19.25 m，底宽12.5 m，单箱双室，箱梁顶板设置坡度为2%的单向横坡，底板水平，腹板铅直，主跨支点梁高7.5 m，跨中及边跨现浇段梁高3.5 m，梁高及底板厚度按二次抛物线变化，大桥典型横断面如图2，3所示。主梁采用C55混凝土，波形钢腹板采用Q345qC钢，钢腹板厚度在14～22 mm之间变化，图4，5分别为波形钢腹板的节段示意和单位波长标准构造。

2分析方法

2.1剪力滞效应问题常用研究方法

众多学者对剪力滞问题提出了许多研究理论与方法，综合起来主要有以下几种：①理论分析法，包括卡曼理论、弹性理论解法、能量变分法、比拟杆法；②数值计算法，主要包括有限元法、有限条法及有限段法；③模型试验。

2.2研究技术路线

本文拟采用数值计算法，通过有限元计算，建立相应的空间实体有限元模型和平面杆系有限元模型，揭示大跨径波形钢腹板箱梁桥在施工阶段的剪力滞效应变化规律，为该种组合箱梁的应用推广提供依据。

为了描述剪力滞效应的变化规律，直观地反映应力的增大程度，引入剪力滞系数λ的定义，即

λ=σ

式中：σ为考虑剪力滞效应所求得的截面实际正应力，可以通过ANSYS空间有限元模型求得；为按初等梁理论求得的正应力，可以按照MIDAS/Civil建立平面有限元模型求得。

通过杆系模型，可以从计算结果中提取关键截面随着施工阶段推移按照初等梁理论计算所得的正应力。同时结合ANSYS空间实体模型，提取关键截面上任意一点的正应力数值。结合两者分析对比即可以判断出关键截面剪力滞系数沿大桥纵向和横向的分布情况。3有限元分析模型

3.1平面杆系模型

采用有限元软件建立平面杆系模型，如图6所示，全桥共划分为89个节点、70个单元。建立38个施工阶段对整个施工过程进行模拟。

3.2空间实体模型

巴江河大桥全桥采用ANSYS进行模拟，主梁顶板、底板采用3D实体单元，因波形钢腹板厚度在14～22 mm之间变化，采用2D板单元模拟更为合理，预应力筋采用空间索单元模拟。板单元与实体单元之间通过MPC法（多点约束方程）实现耦合，空间实体有限元模型如图7所示。全桥共划分为38个施工阶段进行模拟，并且各阶段的结构自重、挂篮荷载、边界条件等均模拟一致[1112]。选取关键截面（图8），研究大桥在施工阶段顶板、底板正应力沿桥宽方向的变化规律。

剪力滞效应分析结果

波形钢腹板组合箱梁桥的施工阶段作为一个连续动态的过程，其主梁截面内力和应力是不断变化的。为了探究施工过程中剪力滞效应的变化规律，在悬臂浇筑过程中选取6#块浇筑完成后（短悬臂状态）和12#块浇筑完成后（最大悬臂状态）以及大桥合龙后和桥面铺装完成后4个典型施工阶段进行研究。沿桥宽方向为X方向，以横断面中心点为X轴原点，分析计算截面剪力滞效应的变化情况，探究施工过程中计算截面剪力滞效应沿桥梁横向和纵向的分布规律[13]。

4.16#块浇筑完成后的剪力滞效应

6#块施工完成后桥梁处于短悬臂状态，关键截面顶板、底板应力峰值及剪力滞系数分布如表1和图9所示。

计算求得3个关键截面的空间应力最大值均位于顶板、底板与梁肋交界处（表1）。由图9可知，3个关键截面顶板、底板均出现了明显的正剪力滞效应。由于巴江河大桥属于单箱双室截面，因而存在大桥中跨合龙之后结构体系发生了很大变化，与悬臂施工阶段相比，虽然计算截面的顶板、底板正应力均有所提高，但是3个关键截面的顶板、底板剪力滞效应均有所下降，同时中跨跨中截面处顶板的最大剪力滞系数达到了1.26。

4.4桥面铺装完成后的剪力滞效应

在全桥合龙之后将要进行桥面铺装，在有限元模型中二期恒载都以均布荷载的形式来进行模拟。由相关资料可以知道，荷载的布置形式是影响剪力滞效应的主要原因，因此，有必要对二期恒载作用下的剪力滞效应进行分析[15]。

作为施工阶段的最后一个步骤，桥面铺装完成后的应力峰值及剪力滞系数如表4和图12所示，对比合龙后大桥的剪力滞系数可以看出，二期恒载对于剪力滞效应有减弱作用。

4.5施工阶段全过程剪力滞系数分布

通过提取关键截面在整个施工阶段过程中的应力结果可以得到关键截面剪力滞系数随施工阶段推移的分布规律，如图13所示，其中施中阶段编号1～12代表1#～12#块浇筑完成，13代表大桥合龙，14代表桥面铺装完成。

由图13可知，关键截面在施工过程中其剪力滞系数逐渐增大，且在短悬臂施工阶段初期剪力滞系数变化较为缓慢，随着悬臂段的加长，剪力滞系数变化幅度开始变大，在最大悬臂状态时达到最大。5结语

（1）随着施工阶段的推移，大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的剪力滞效应是一个动态变化的过程，在悬臂施工阶段初期，剪力滞系数增长较为缓慢，而后期变幅开始增大，在结构达到最大悬臂状态时剪力滞系数达到峰值，且大桥处于长悬臂状态时剪力滞效应要远大于短悬臂状态。大桥从最大悬臂状态到桥面铺装完成剪力滞效应开始逐渐减弱，但是下降幅度较小。

（2）在大桥施工过程中顶板剪力滞效应要远大于底板，且随着施工阶段的推移，顶板剪力滞效应的变化幅度要强于底板。

（3）整个施工过程中端部截面顶板、底板最大剪力滞系数均出现在截面AA，分别为1.20和1.15；跨中截面顶板、底板最大剪力滞系数分别为1.26和1.20。

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