单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥抗弯特性研究

顾 萍 裴辉腾 鲁 凡 王 兵

（1.同济大学，上海200092；2.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200065）

0 引 言

波形钢腹板组合梁早期的研究是从波形钢腹板 型 钢 梁 开 始 ，美 国 Mohamed Elgaaly［1-2］、C.L.Chan［3］、Johnson R P［4］、Metwally［5］、Ezzeldin 等［6］学者于20 世纪90 年代以及21 世纪初，通过模型试验的实效荷载、理论分析和有限元分析研究了波形钢腹板组合梁的抗弯特性。国内对于这种新型组合结构的研究与应用较晚，学者吴文清［7-9］、李立峰［10-11］、徐岳［12］、李宏江等［13］结合模型试验、理论分析以及有限元模拟等方法，对其抗弯特性、剪力滞效应以及影响因素进行了一定的研究。但是上述研究主要针对连续梁桥和连续刚构桥的单箱单室截面，本文以单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁多塔斜拉桥实桥施工为例，通过边塔主梁施工过程精细模型的有限元计算，结合实桥施工监测数据，研究施工过程中单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁斜拉桥抗弯特性以及剪力滞效应。

2 工程概况

某跨江六塔单索面波形钢腹板PC 组合箱梁斜拉桥，跨度为（79+5×150+79）m，见图1。斜拉桥结构为塔梁固结、梁墩分离，主梁采用单箱五室的双层结构，梁高4.7 m，上层宽36.8 m 布置双向8车道，下层在主梁底板两例悬挑7.02 m 布置人非通道，主梁顶板厚26 cm，底板厚25 cm，见图2。标准断面波形钢腹板采用厚18 mm 的1600 型板，支点附近加厚至22 mm。主梁预应力钢束采用精轧螺纹钢筋、体内预应力钢绞线。主梁在顺桥向划分为10个节段，分别为塔梁结合段（0#）、标准节段（1#～9#）、合龙段（10#），1#～9#节段施工采用悬臂浇筑法。每个标准节段分为钢结构吊装、斜拉索张拉、混凝土浇筑、预应力张拉和挂篮前移5个施工阶段。

图1 主桥总体布置图Fig.1 Elevation view of main bridge

图2 主梁标准横断面Fig.2 Standard cross section of main girder

3 有限元模型

图3 为采用Midas Civil 软件建立的边塔主梁施工过程精细模型，混凝土顶、底板及波形钢腹板、钢横梁、辅助钢横梁、钢盖板均采用板单元模拟；主塔及0#块墩顶横梁采用梁单元模拟；斜拉索采用桁架单元模拟，并考虑索的垂度效应。预应力钢束布置于虚拟梁单元上，主塔底部固结，斜拉索与主塔、主梁分别采用刚臂及弹性连接。模型节点数共计90 763个，单元共计142 878个。其中只受拉单元（斜拉索）共计18 个，空间梁单元共计44 856个，板单元共计98 004个。

图3 边塔主梁施工过程精细模型Fig.3 Refined model of construction process of side tower girder

4 施工过程主梁应力监测

图4 所示为本文研究所选择的应力观测截面，六个主塔各取一个1#节段上靠近0#节段位置为应力观测截面。图5 所示为各测试断面应力测点布置图，应力测试元件采用弦式传感器，主梁混凝土顶底板为埋入式传感器，钢腹板上为表贴式传感器。在节段钢结构吊装、斜拉索张拉、混凝土顶板浇筑、底板浇筑、预应力张拉等关键工况下对所有测点进行了全数监测。

图4 主梁应力测试断面布置图Fig.4 Stress test section layout of main girder

图5 主梁应力测点布置图Fig.5 Stress measurement point arrangement of main beam

5 计算与实测结果分析

5.1 施工过程主梁应力变化分析

表1-表3 分别为17#主塔5#节段混凝土底板浇筑、顶板浇筑时底板、顶板、腹板的应力变化情况。

表1 17#主塔5#节段底板浇筑后底板应力计算与实测值对比Table 1 Comparison of calculation and measured values of bottom plate stress after casted in section 5 of 17#main tower MPa

表2 17#主塔5#节段顶板浇筑后顶板应力计算与实测值对比表Table 2 Comparison of calculation and measured values of top plate stress after casted in section 5 of 17#main tower MPa

表3 17#主塔5#节段顶板浇筑后腹板应力测点测量记录表Table 3 Measurement record of web stress points after top plate casted in section 5 of 17#main tower MPa

由表 1-表 3 可见：17#主塔 5#节段底、顶板浇筑引起的测点位置应力变化实测值与计算值基本吻合，而波形钢腹板上剪应力计算值较实测值偏大。这是由于计算时假设主梁剪力全部钢腹板承担，且偏安全的不计入嵌入混凝土顶、底板部分钢板对抗剪承载力的贡献。

由主梁施工过程应力监测表4-表6 表明：各主墩顶板测点出现的最大拉应力1.67 MPa，底板测点出现的最大压应力为20.47 MPa，均小于按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）7.2.8 条规定的拉应力容许值3.045 MPa、压应力容许值22.68 MPa 的限值；钢腹板测点出现的最大剪应力为30.42 MPa，远小于Q345 钢材的容许剪应力值。实桥施工过程中主梁应力满足相关规范要求，均有较大应力安全储备。

表4 15#～20#主墩顶板测点所有工况出现的最大拉应力Table 4 Maximum tensile stress of measured points in top plate in all conditions at 15#to 20#main pier MPa

表6 15#～20#主墩腹板测点所有工况下出现的最大剪应力Table 6 The maximum shear stress in all conditions at the measuring point of the main pier web at 15#to 20#main pier MPa

5.2 波形钢腹板抗弯性能

波形钢板由于弯折成波形，在轴向受压时呈现“褶皱”效应，能较自由地发生变形，其纵向刚度相比于顶底板很小。图6 所示为某施工节段截面选取示意图。

图6 施工节段截面示意图Fig.6 Section diagram of construction section

表5 15#～20#主墩底板测点所有工况中出现的最大压应力Table 5 Maximum tensile stress of measured points in bottom plate in all conditions at 15#to 20#main pier MPa

本文选取1#节段3-3截面（钢横梁位置）、4-4截面（1#节段和0#节段相交处）钢腹板作为研究对象，用图3所示模型计算其在2#节段浇筑、C2拉索张拉两个工况下的截面纵向正应力。图7、图8分别为对应截面纵向应力图，图9 为C2 张拉时4-4截面三块腹板及对应的顶、底板混凝土的纵向应变，图中腹板1、腹板2、腹板3 分别为单箱多室箱梁外至内第一、二、三块腹板。

图7 2#浇筑时1#节段钢腹板纵向正应力Fig.7 Longitudinal normal stress of steel web in 1#segmental during 2#segmental being casting

图8 2#张拉时1#节段钢腹板纵向正应力Fig.8 Longitudinal normal stress of steel web in 1#segmental during 2#segmental being tensioning

图9 C2张拉时4-4截面纵向正应变Fig.9 Longitudinal positive strain of section 4-4 during C2 being tensioning

由图7、图8可见：

（1）2#节段浇筑、C2 拉索张拉时，1#节段中波形钢腹板纵向正应力较小，最大不超过6 MPa。节段浇筑阶段产生的纵向正应力较斜拉索张拉时稍大。

（2）钢横梁对波形钢腹板亦有一定约束作用，使得钢横梁附近的波形钢腹板的纵向正应力较其他位置略大。

（3）C2张拉时1#节段顶板与底板的纵向变形约为40 με，而波形钢腹板的变形与之相比较小，主要分布在0～2 με 区间变化，可忽略波形钢腹板对组合箱梁抗弯承载力的贡献。

5.3 剪力滞效应

图10、图 11 分别为 7#～9#节段浇筑及 C7～C9张拉时1#节段3-3 截面的剪力滞系数；图12 为1#节段的3-3 截面上波形钢腹板与顶底板相交的6个关注点在各工况下的剪力滞系数。本节中剪力滞系数用各点的纵向应力计算值除以平均值，其中纵向应力计算值为各工况的相对值，即两个相邻工况的差值，平均值为顶、底板的纵向应力计算均值。

图11 1#节段3-3截面剪力滞系数（拉索张拉）Fig.11 Shear lag coefficient of section 3-3 of 1#segmental（cable tension）

由图10-图12可见：

图10 1#节段3-3截面剪力滞系数（节段浇筑）Fig.10 Shear lag coefficient of section 3-3 of 1#segmental（segmental cast）

图12 1#节段3-3截面各关注点的剪力滞系数Fig.12 Shear lag coefficients of critical steps in section 3-3 of 1#segmental

（1）主梁施工过程中顶板的纵向正应力沿横桥向出现明显的应力分布不均匀现象，剪力滞系数从0.2～1.4 之间变化，在箱室中部出现峰值，然后向两侧减小。

（2）底板的纵向正应力在整个截面上分布较为均匀，剪力滞系数主要在0.85～1.15范围之内。

（3）腹板上各关注点的剪力滞系数变化规律基本相同，相邻节段施工时变化较大，但随着施工节段的加长其数值趋于稳定。

6 结 论

本文通过单箱多室超宽波形钢腹板PC 组合斜拉桥单塔双悬臂精细模型的计算和施工时现场测试，对单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥空间受力情况进行研究分析，得到以下结论：

（1）主梁施工过程中顶、底板混凝土的纵向正应力实测值与计算值基本吻合，主梁应力满足相关规范要求，有较大安全储备；

（2）波形钢腹板PC 组合箱梁施工过程中波形钢腹板纵向正应力较小，可忽略其对组合箱梁抗弯承载能力的贡献；

（3）单箱五室波形钢腹板PC 箱梁斜拉桥施工过程中顶、底板纵向正应力会出现明显的横桥向不均匀分布现象，顶板尤为严重。