橋面板剪力滯效應(yīng)對(duì)極限承載力的影響

橋面板剪力滯效應(yīng)對(duì)極限承載力的影響

橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響安全和經(jīng)濟(jì)的主要問題，它也適用于規(guī)模問題。穩(wěn)定問題是橋梁工程中經(jīng)常遇到的問題。隨著橋梁跨徑的不斷增大,橋塔高聳化,密索體系和高強(qiáng)度材料的應(yīng)用,使得主梁內(nèi)彎矩減小及主梁纖細(xì)化,而索的水平分力使梁成為受壓為主的壓彎構(gòu)件,穩(wěn)定性問題顯得比以往更為突出。其總體穩(wěn)定(縱向、橫向)、局部穩(wěn)定(索塔、加勁梁)以及施工過程中的穩(wěn)定已成為設(shè)計(jì)的主要控制因素之一。1橋面結(jié)構(gòu)及斜拉索布置重慶江津觀音巖長(zhǎng)江大橋是重慶繞城公路南段的重要工程,也是西部開發(fā)省際公路通道的咽喉工程之一。主橋?yàn)?6.5+126+436+126+66.5(m)斜拉橋,主梁采用結(jié)合梁,塔型為寶石形橋塔,如圖1所示。江津觀音巖長(zhǎng)江大橋主梁高3.2m(拉索錨固處)～3.542m(跨中),鋼主梁為工字形截面,梁高2.8m,橫橋向鋼主梁間距為35.2m。橫隔板也采用工字形截面,標(biāo)準(zhǔn)間距為4m。在橋面橫向跨中設(shè)置一道永久小縱梁。橋面混凝土厚26cm,在主梁頂加厚至40cm,在縱梁及橫隔板頂面布置有剪力釘,使鋼主梁和橋面混凝土形成共同受力的結(jié)合梁,在小縱梁上未設(shè)剪力釘,橋面混凝土在橫橋向上接近于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。主塔為寶石形橋塔,南彭側(cè)塔高172.79m,滴水側(cè)塔高167.29m,在橋面以下和橋面以上各設(shè)有一道橫梁。塔肢采用空心矩形截面,下橫梁以下為變截面,截面高由11.0m逐漸減小至6.0m。下橫梁以上塔肢為等截面,截面高6.0m,截面寬4.4m。斜拉索為空間索,共計(jì)8個(gè)索面,索面在主梁上、下游的間距為35.2m,順橋向的標(biāo)準(zhǔn)索距為12m,在邊跨端加密為4.0m。拉索采用平行鋼絲束體系,斜拉索與主梁的錨固采用錨拉板。2主梁結(jié)構(gòu)施工過程組合梁斜拉橋分為兩種主梁模式:雙主梁模式(考慮剪力滯效應(yīng),如圖2(a)),單主梁模式(不考慮剪力滯效應(yīng),如圖2(b))。為了考慮斜拉索的垂度效應(yīng)采用多段桁架單元模擬。計(jì)算時(shí)按施工過程考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件和邊界約束的安裝與拆除,考慮了結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的累積效應(yīng)等實(shí)際施工全過程的模擬計(jì)算分析。主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段施工過程主要包括:吊裝縱梁→縱梁匹配生效→吊裝橫梁→橫梁匹配生效→一張斜拉索→生成混凝土橋面板重量(混凝土橋面板的荷載以均布形式作用于橫梁)→二張斜拉索→澆注混凝土橋面板濕接縫→橋面板單元生成→三張斜拉索→吊機(jī)前移。按照施工控制的要求,大橋的建設(shè)共計(jì)劃分為216個(gè)施工階段。2.1橋面板剪力滯現(xiàn)象的控制組合梁寬而薄的翼緣在壓、彎荷載共同作用下,其正應(yīng)力分布復(fù)雜。由于剪力滯后現(xiàn)象,使橋面板的正應(yīng)力分布復(fù)雜化,因此剪力滯對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響是需要考慮的。組合梁斜拉橋橋面板的剪力滯現(xiàn)象主要是由兩類剪力滯現(xiàn)象疊加形成的:第一類是橋面板受恒載的作用在橫橋向由于橋面板剪切變形的非均勻分布而產(chǎn)生的;另一類主要是由于斜拉索的錨固力是集中作用在鋼主梁上,然后通過橋面板再逐步擴(kuò)散傳遞到主梁整個(gè)斷面,橋面板由于傳遞應(yīng)力的滯后性而產(chǎn)生的。遠(yuǎn)離錨固點(diǎn)與鋼主梁支座的斷面,橋面板全寬內(nèi)的應(yīng)力分布已趨均勻,而靠近端部和跨中斜拉索處的主梁斷面,這一應(yīng)力分布的不均勻性較明顯。2.1.1橋面板剛度不同按照第一類穩(wěn)定分別采用兩種計(jì)算模型對(duì)觀音巖大橋進(jìn)行計(jì)算,可以得出以下結(jié)論:1)單主梁與雙主梁的穩(wěn)定安全系數(shù)相差的最大值為1.87,百分比為8.6%;2)兩者相差的主要原因是橋面板由于剪力滯后作用存在有效寬度,而梁?jiǎn)卧侨孛鎱⑴c,兩者在橋面剛度上存在差別。雙懸臂階段結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)主要表現(xiàn)為索塔屈曲,此時(shí)兩者安全系數(shù)可以認(rèn)為是相同的,主要是由于此時(shí)兩者的主塔剛度一樣;單懸臂階段結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)中出現(xiàn)了主梁屈曲,此時(shí)兩者的安全系數(shù)出現(xiàn)差別,主要是由于此時(shí)剪力滯效應(yīng)使得兩者橋面板剛度有一定差別;隨著施工的進(jìn)行兩者安全系數(shù)的差別逐漸增大,主要由于兩種模型的橋面板剛度在每個(gè)梁段都有一定差別,隨著梁段的加長(zhǎng)主梁整體剛度的差別累積逐漸加大,所以安全系數(shù)的差別逐漸增大。2.1.2單主梁/雙主梁價(jià)值分析通過計(jì)算單主梁與雙主梁的主要區(qū)別在于橋面板的受力不同:1)單主梁不能考慮混凝土開裂在橫橋向的發(fā)展;2)單主梁橋面板的開裂時(shí)最先出現(xiàn)裂縫的位置是梁?jiǎn)卧铐敳糠e分點(diǎn)的位置,是從橋面板中心向兩側(cè)開裂,而雙主梁最先出現(xiàn)裂縫的位置是橋面板兩側(cè)位于鋼主梁的支座附近,是從橋面板兩側(cè)向中心開裂;3)單主梁不能表現(xiàn)橋面板傳力的滯后性、不均勻性;4)單主梁不能考慮橋面板在橫橋向的正應(yīng)力、橫梁變形對(duì)橋面板的影響。這些原因就使得橋面板受力越明顯,對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響越大的階段單主梁與雙主梁安全系數(shù)的差異就越大,從圖4看出單主梁安全系數(shù)在15～55階段(1#梁段橋面板安裝后至5#斜拉索一張)變化較大,最大的變化值已達(dá)到2.08,上升42.4%。計(jì)算結(jié)果也說明隨著懸臂的加長(zhǎng),梁與橋面板對(duì)承載力的影響逐漸減小而斜拉索的影響逐漸增加。2.2斜拉索張拉過程中屈曲的發(fā)生對(duì)于施工全過程中主梁的研究,當(dāng)需要考慮整體與局部穩(wěn)定的相關(guān)性時(shí),如果將主梁劃分為全殼單元模型在計(jì)算時(shí)幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算?？紤]到組合梁斜拉橋的第一類穩(wěn)定性與荷載、結(jié)構(gòu)剛度、單元長(zhǎng)度有著密切的關(guān)系,鋼主梁位于橋面板兩側(cè),當(dāng)橋面板還未安裝時(shí)(已安裝的橋面板、橫梁與待安裝的橋面板還未形成一個(gè)整體受力體系),斜拉索的張拉使得主梁結(jié)構(gòu)在增加了彈性支撐的同時(shí)也使得鋼主梁在橫橋向存在一個(gè)較大的彎矩;由于此時(shí)工字鋼在橫橋向的約束不強(qiáng)而工字鋼在橫橋向的彎曲剛度較小,因而梁段施工在斜拉索一張至橋面板濕接縫澆筑完畢時(shí)的各階段鋼主梁在A處(如圖5)都比較容易發(fā)生屈曲。屈曲波的出現(xiàn)和單元的數(shù)量存在密切的關(guān)系,如果要表現(xiàn)出最小特征值的半個(gè)屈曲波,則至少需要兩個(gè)單元,三個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了研究鋼主梁局部穩(wěn)定性對(duì)于整體穩(wěn)定性的影響,在雙主梁模型中將A處的單元由一個(gè)增加為兩個(gè),形成新的計(jì)算模型,如圖2所示。2.2.1結(jié)構(gòu)失穩(wěn)階段通過對(duì)圖5、圖6的分析可以得出以下結(jié)論:1)減小鋼主梁?jiǎn)卧拈L(zhǎng)度后,使得鋼主梁的局部屈曲得以突現(xiàn)出來。結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)不再全部表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn),某些階段還表現(xiàn)為鋼主梁的局部失穩(wěn);安全系數(shù)變化較大,最大的變化值已達(dá)到24.0,下降73.2%;2)鋼主梁局部失穩(wěn)的階段主要發(fā)生在單懸臂階段,由于隨著懸臂逐漸加長(zhǎng)作用于結(jié)構(gòu)的荷載也逐漸加大,當(dāng)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的最小特征值大于局部失穩(wěn)的最小特征值時(shí),結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了在達(dá)到整體失穩(wěn)前局部鋼主梁就已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象;3)鋼主梁局部失穩(wěn)的階段主要發(fā)生在斜拉索一張至橋面板濕接縫澆筑階段,其失穩(wěn)模態(tài)為圖6所示,失穩(wěn)的原因是鋼主梁在軸向受到斜拉索傳遞來的很大的軸力,在橫橋向受到斜拉索的彎矩作用,而此時(shí)橫橋向橋面板還未安裝,在橫橋向的約束不強(qiáng),所以鋼主梁發(fā)生了壓彎失穩(wěn);4)在不同梁段中,隨著梁段的加長(zhǎng)局部失穩(wěn)安全系數(shù)逐漸減小,在同一梁段中,隨著階段的進(jìn)行局部失穩(wěn)安全系數(shù)也逐漸減小;整個(gè)全過程分析中安全系數(shù)最小值發(fā)生在17#梁段澆筑橋面板濕接縫階段,數(shù)值為6.16;5)組合梁斜拉橋的鋼結(jié)構(gòu)部分主要是工字形截面,其局部穩(wěn)定性問題較明顯,在評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備情況時(shí),不可忽視整體—局部的相關(guān)性。2.2.2關(guān)于屈曲部位的分析通過對(duì)兩種模型的切線剛度矩陣趨于奇異(極限承載力狀態(tài))的計(jì)算可以得出以下結(jié)論:1)整體穩(wěn)定分析對(duì)于第一類穩(wěn)定理論上會(huì)出現(xiàn)屈曲的部位,在第二類穩(wěn)定中一般不出現(xiàn);2)降低單元長(zhǎng)度、增加單元的數(shù)目后,第一類穩(wěn)定的相關(guān)穩(wěn)定安全系數(shù)明顯降低,且表現(xiàn)為局部失穩(wěn)但第二類穩(wěn)定安全系數(shù)、失穩(wěn)形態(tài)保持不變,說明降低單元的長(zhǎng)度在第二類穩(wěn)定中一般不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)與失穩(wěn)形態(tài)。3梁之間的彈性差異1)組合梁斜拉橋橋面板剪力滯對(duì)全過程穩(wěn)定性的影響必須重視。由于橋面板正應(yīng)力分布的不均勻性,兩類穩(wěn)定性在全過程都出現(xiàn)了差別,特別在第二類穩(wěn)定中差別較大,最大相差已達(dá)到了42.4%。2)組合梁斜拉橋主梁的鋼結(jié)構(gòu)部分是加勁工字形