大跨闭口钢箱组合梁组合桥面板有效宽度研究

陈科旭; CHEN Kexu

摘要

为研究大跨度闭口组合钢箱梁组合桥面板的有效宽度系数变化规律，依托G1503 高速公路跨吴淞江大桥建立了组合连续钢箱梁桥有限元模型，分析了不同桥梁跨度、不同箱室宽度下的跨中截面和中支点截面有效宽度系数变化规律，对比了钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度的差异，给出了混凝土桥面板有效宽度系数建议取值。结果表明，组合桥面板的钢桥面板和混凝土桥面板横断面应力分布规律相似。钢桥面板的有效宽度与规范规定基本相等，跨中断面小约0.41%，支点断面小约4.13%；混凝土桥面板的有效宽度与规范规定差异较大，跨中断面小约3.25%，支点断面小约27.9%。组合桥面板的钢桥面板有效宽度比混凝土桥面板有效宽度大，跨中断面相差0.51%，支点断面相差5.9%，混凝土桥面板有效宽度系数可参考钢桥面板有效宽度系数折减0.9 倍取值。

关键词: 大跨度闭口钢箱组合梁组合桥面板有效宽度

0 引言

钢梁与混凝土面板结合而成的箱型组合梁因抗扭能力强、整体性能好、适合曲线线形，更适应大跨与特殊要求等特点，获得了较大发展。与混凝土梁一样，组合箱梁桥的钢桥面板和混凝土桥面板也都存在剪力滞效应。

对于箱梁剪力滞效应，国内外学者已经系统地完成了相关研究，取得了大量研究成果。刘旭政等 ^[1] 通过参数化建模明确了影响大跨度变截面波形钢腹板组合连续箱梁桥剪力滞效应的主要影响因素和影响范围，并采用修正荷载计算得出了基于规范的有效分布宽度的修正系数。赵虎等 ^[2] 采用空间网格分析方法来探讨分析波形钢腹板矮塔斜拉桥的剪力滞效应。程坤 ^[3] 以国内在建大跨度变截面波形钢腹板组合连续箱梁为依托，采用有限元法系统分析了不同工况荷载作用下几何参数对剪力滞效应的影响。谢上飞 ^[4] 在选定的剪力滞翘曲位移函数的基础上，基于能量变分法推导得到了钢- 超高性能混凝土（UHPC）组合梁剪力滞控制微分方程及相应边界条件。文献[5]研究了组合钢箱梁剪力滞效应。冯秋然和邵真宝等 ^[6-7] 对钢板组合梁剪力滞效应进行了研究。陈雨阳等 ^[8] 基于通用有限元分析软件ANSYS 计算了波形钢腹板连续箱梁桥各关键截面的剪力滞系数，并与设计所参照的混凝土连续梁桥的剪力滞效应进行了对比分析。赵竑宇 ^[9] 研究了双箱单室曲线波形腹板钢箱- 混凝土顶板组合箱梁剪力滞效应。杜铁 ^[10] 对UHPC 组合梁剪力滞效应进行了研究。齐飞祥 ^[11] 研究了连续曲线钢-混凝土组合箱梁的剪力滞效应。

目前学者对剪力滞效应的研究集中于钢板组合梁和波形钢腹板组合梁，对闭口钢箱梁的组合桥面板剪力滞效应则研究较少。本文以G1503 高速公路桥主跨138 m 闭口钢箱组合梁桥为基础，系统研究了不同桥梁跨度、不同箱室宽度下组合桥面板的混凝土桥面板和钢桥面板的有效宽度系数变化规律，并进行对比，在此基础上给出了混凝土桥面板有效宽度系数折减建议值。

1 工程概况

G1503 高速公路跨吴淞江大桥采用大跨径闭口钢箱组合梁，跨径组合为（85+138+81）m，双幅布置，单幅标准桥宽16.25 m。主梁采用闭口钢箱组合梁，钢箱梁正交异性钢桥面板上设置150 mm 普通混凝土板形成钢- 混凝土组合桥面板。主梁支点梁高7.15 m，高跨比1/19.3；跨中梁高3.65 m，高跨比1/37.8。钢箱梁为单箱单室，挑臂宽度为4.375 m，箱室宽度为7.5 m。吴淞江大桥主梁总图及断面图如图1 、图2 所示。

图1 吴淞江大桥主梁总图

图2 吴淞江大桥主梁断面

2 分析方法

建立不同桥梁跨度、不同箱室宽度的大跨度连续组合箱梁有限元模型研究钢桥面板与混凝土桥面板的有效宽度系数变化规律。由于荷载形式和荷载大小不影响混凝土板和钢板有效宽度系数，故对模型仅添加线荷载。研究的组合钢箱梁跨径参数取值和箱宽跨度比见表1

表1 跨径与箱宽跨度比对应

2.1 有限元模型

为减小边界条件的影响，跨中节段和支点节段建立局部精细模型，其余部分建立梁单元简化模型，采用刚性连接将各部分组合为整体模型。在精细模型中，混凝土桥面板采用六面体实体单元模拟，钢箱梁采用四节点壳单元模拟。全桥共划分15 996 个六面体实体单元、49 227 个四边形壳单元、44 个梁单元。钢桥面板与混凝土桥面板间不考虑滑移效应，采用共节点的方式连接。组合钢箱梁有限元模型如图3 所示。

图3 有效宽度节段模型

2.2 有效宽度系数分析方法

2.2.1 有限元模型建立及网格划分

有效宽度计算可以按照轴力等效方法进行，主要思路是根据翼缘板实际正应力变化规律，在箱梁或T 梁的翼缘板的实际几何宽度上选取其中一部分作为有效工作截面参与截面几何特征（惯性矩）的计算，然后按初等梁理论计算翼缘板的弯曲应力。

图4 为T 梁或箱梁翼缘板的实际应力σ _x 分布，最大应力为σ _max 。假定σ _x 沿翼缘板板厚方向没有变化，则翼缘板上正应力合力为t∫σ _x dy。有效宽度B 区域内应力按简单梁理论分布，其值为σ _max ，所产生的合力为σ _max ·B·t。

图4 T 梁或箱梁翼缘板有效分布宽度

翼缘按初等梁理论计算所得截面轴力与实际截面轴力相等：

有效宽度 ^[12] 为：

有效宽度系数即为按式（2）计算所得的有效宽度与箱梁翼缘实际宽度的比值。

3 有效宽度系数影响因素分析

3.1 桥梁跨度（箱宽跨度比）

分别选取80 m、100 m、120 m、140 m、160 m 五种桥梁跨度对比钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度系数的大小。不同箱宽跨度比下的桥面板中支点截面和中跨跨中截面各位置的名义应力如图5 所示。

图5 混凝土桥面板名义应力曲线

由图5 可知，混凝土桥面板箱室中部区域应力始终小于腹板位置，表明中部区域组合桥面板界面剪力较小，混凝土桥面板应力传递有滞后现象。中支点区域断面应力分布规律与箱宽跨度比无关，均为腹板处应力最大，并向两侧迅速减小。在跨中区域，随着桥梁箱宽跨度比减小，截面腹板间的混凝土板应力逐渐增大，而腹板附近翼板应力相应略有变小，表明全断面参与受力的程度越来越高。根据名义应力曲线计算各箱宽跨度比情况下的混凝土板跨中位置和中支点位置有效宽度系数如图6 所示。

图6 混凝土桥面板有效宽度系数

由有限元分析结果可知，跨中和中支点断面的有效宽度系数变化规律为曲线。随着桥梁箱宽跨度比从0.047 增加至0.094（桥梁跨径由160 m 减小至80 m），跨中断面钢桥面板的有效宽度系数从0.982减小至0.968，减小约1.32%；中支点断面钢桥面板的有效宽度系数从0.761 减小至0.721，减小约5.5%。可见，箱宽跨度比变化对支点断面影响较大。同时，无论跨中还是支点，实际有效宽度系数比规范小，跨中断面最大相差约3.25%，中支点断面最大相差达27.9%。可见，闭口组合钢箱梁混凝土桥面板有效宽度不可按槽型组合箱梁的混凝土桥面板计算。

图7 为箱梁支点和跨中区域钢桥面板名义应力曲线图。由图7 可知，支点区域钢桥面板与混凝土桥面板名义应力曲线分布规律相似，跨中区域钢桥面板与混凝土桥面板名义应力曲线分布规律相反。中支点区域断面应力分布规律与箱宽跨度比无关，均为腹板处应力最大，并由腹板向两侧迅速减小。跨中区域截面随着桥梁箱宽跨度比减小，箱梁腹板间的钢桥面板应力增大，并开始高于腹板处应力，这是由截面参与受力面积的增加造成的。由图7 计算各箱宽跨度比下的钢板有效宽度系数如图8 所示。

图7 钢桥面板名义应力曲线

图8 钢桥面板有效宽度系数

由图8 可知，随着桥梁箱宽跨度比从0.047 增加至0.094（桥梁跨径由160 m 减小至80 m），跨中断面钢桥面板的有效宽度系数从0.982 减小至0.969，减小约1.32%；中支点断面钢桥面板的有效宽度系数从0.806 减小至0.726，减小约9.93%。可见，箱宽跨度比变化对支点断面影响较大。跨中和中支点断面的有效宽度系数下降曲线接近线性，可以利用线性差值计算断面有效宽度系数。

断面实际有效宽度系数值比规范值略小，跨中断面最大相差约3.10%，中支点断面最大相差约4.13%。可见，设计可按规范计算断面有效宽度。此时截面作用效应偏小，偏不安全，应留有富余量予以弥补，建议至少富余10%以上。按规范计算断面有效宽度时，当箱宽跨度比大于或小于规定值时，有效宽度不再变化，有限元分析表明仍有变化，且是两者误差相对较大区域，设计中应予以重视。

3.2 箱室宽度

分别选取箱室宽度3 m、6 m、7.5 m、9 m、15 m五种桥宽研究钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度系数分布规律。箱室宽度变化时，翼缘宽度保持不变。不同箱宽跨度比下的混凝土桥面板中支点截面和跨中截面各位置的名义应力如图9 所示。

图9 混凝土桥面板名义应力曲线

由图9 可以看出，跨中断面箱室宽度增加时，箱室中部翼板应力快速减小，且减小幅度逐渐增大。中支点区域的箱室宽度小于挑臂宽度时，箱室中部翼板应力快速减小；箱室宽度大于挑臂宽度时，随着箱室宽度的增大，箱室中部翼板应力减小幅度较小。同时可以发现，在跨中区域，截面箱室中部应力为腹板处的92%，中支点区域的应力比仅为70%。

图10 为不同箱室宽度下的混凝土桥面板有效宽度系数。由图10 可见，箱室宽度由3 m 增加至15 m，中跨跨中截面混凝土桥面板有效宽度系数从0.983 减小至0.958，相差约2.54%；中支点截面混凝土桥面板有效宽度系数从0.808 减小至0.698，相差约13.6%。表明箱室宽度增加，箱宽跨度比增加，截面有效宽度减小，中支点最为显著，与钢桥面板规律一致。通过有限元分析结果与公路钢桥规范计算结果对比可见，按槽型组合箱梁计算混凝土板有效宽度，与有限元分析结果相差较大，中支点处相差最大约30.2%，表明组合桥面板不可按槽型箱梁模型考虑混凝土桥面板有效宽度。

图10 混凝土桥面板有效宽度

由图11 可知，跨中断面随着箱室宽度增大，钢桥面板在箱室之间应力比曲线逐渐由凸曲线变为凹曲线，表明箱室宽度增加时，翼板剪力滞后效应越来越明显，材料利用率越来越低。跨径较大时，箱宽跨度比较小，剪力滞后效应量值上较小；中支点断面随着箱室宽度增大，钢桥面板在箱室之间应力比曲线变化规律相同，但箱室增大时，应力比曲线在箱室之间的下凹平台曲线越来越长，表明箱室越宽，支点断面处翼板材料利用率越低，故大跨径宽箱室箱梁在中支点区域适宜增设腹板，以提高材料利用率。挑臂板的应力比曲线为下降趋势陡峭，表明挑臂板剪力滞后效应显著，有效宽度较小，故挑臂范围内主要考虑横向受力，纵向按三边简支、一边自由考虑。

图11 钢桥面板名义应力曲线

由图12 可知，随着箱室宽度由3 m 增加至15 m，跨中断面翼板有效宽度系数由0.973 增加为0.985，变化差值约1.23%，影响程度较小；中支点截面翼板有效宽度系数由0.846 减小至0.698，变化差值约17.5%，影响程度显著。同时可以发现，有限元分析结果基本小于规范值，故设计时按规范取值时宜折减。此外，跨中断面有效宽度系数变化曲线与规范值相反，是由挑臂长度不变，随箱室宽度增加，其占比越来越低，故全宽有效宽度略有增加造成的。

图12 钢桥面板有效宽度

3.3 钢板/混凝土板有效宽度系数对比分析

组合桥面板的钢桥面板应力分布规律与混凝土桥面板相似，表明组合桥面板在剪力连接件作用下共同承担外部作用。规范中仅给出按槽型组合梁计算的桥面板有效宽度系数，本文对比闭口钢箱组合梁不同跨径、不同箱室宽度下钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度系数分别如图13 、图14 所示。

图13 钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度对比

图14 钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度对比

由图13 可知，钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度系数随箱宽跨度比（跨径）变化规律一致。跨中断面的钢桥面板有效宽度系数略小于混凝土桥面板，最大相差约0.51%。中支点断面的钢桥面板有效宽度系数大于混凝土桥面板，两者数值最大相差约5.9%。同时可见，两者差值随箱宽跨度比增加（跨径减小）而减小。

箱室宽度变化时，跨中断面的钢桥面板与混凝土桥面板的有效宽度变化趋势不同，但数值上相差很小，最大仅相差2.6%。支点断面的钢桥面板与混凝土桥面板的有效宽度变化趋势相同，且混凝土桥面板有效宽度小于钢桥面，箱宽越小相差越大，最大相差3.7%。由以上分析可得，混凝土桥面板有效宽度可采用钢桥面板数值，但应折减0.9 倍更符合实际情况。

4 结论

本文依托G1503 高速公路桥主跨138 m 闭口钢箱组合梁桥，通过建立精细化的空间有限元模型研究了不同桥梁跨度、不同箱室宽度下组合桥面板的混凝土板和钢板的有效宽度系数，并进行对比。

（1）组合桥面板中，钢桥面板和混凝土桥面板横断面应力分布规律相似。

（2）钢桥面板的有效宽度与规范规定基本相等，跨中断面小约0.41%，支点断面小约4.13%。混凝土桥面板的有效宽度与规范差异较大，跨中断面小约3.25%，支点断面小约27.9%。

（3）组合桥面板中，钢桥面板有效宽度比混凝土桥面板有效宽度大，跨中断面相差0.51%，支点断面相差5.9%，混凝土桥面板有效宽度系数可参考钢桥面板有效宽度系数折减0.9 倍取值。

摘要

关键词: 大跨度 闭口钢箱组合梁 组合桥面板 有效宽度

0 引 言