桥面板间约束的影响分析
邓果
（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳550081）
摘要：针对分离式钢箱梁叠合梁的连接横梁相对薄弱、构造复杂等特殊性，采用有限元软件建立空间有限元计算模型，研
究分析了横梁与桥面板之间约束对主梁应力分布的影响。分析结果表明，横梁与桥面板的约束对于桥面板横向应力影响显著，而对于主梁纵向应力分布几乎无影响，通过进一步分析发现，若横梁与桥面板无剪切约束，则桥面板易发生开裂。
关键词：斜拉桥；分离式钢箱叠合梁；钢横梁；空间有限元法；应力中图分类号：U448.213文献标识码：B
0引言
随着桥梁跨度的不断增大，在扁平钢箱梁的截面形式基础上发展出了分离式钢箱梁的截面形式。由于分离式钢箱梁结构自重小、截面抗弯刚度大，能有效地抵抗正负弯矩，因此其在特大跨度斜拉桥中的应用越来越广泛[2]。然而此类截面仍然存在钢桥面铺装耐久性差及正交异性钢桥面板易疲劳开裂等问题，因此又在分离式钢箱梁基础上衍生出了分离式钢箱叠合梁形式[1]。此类分离式钢箱叠合梁的结构形式可充分发挥钢材和混凝土材料各自的优势，主梁具有较大的抗弯刚度和轴向刚度，同时，此类组合截面也解决了钢桥面铺装耐久性差、正交异性钢桥面板易产生疲劳裂纹等问题，在实际斜拉桥设计中使用越来越广泛。
分离式钢箱梁叠合梁的横梁连接桥面板和两幅箱梁，具有相对薄弱、受力复杂等特殊性[3]。特别是横梁与两侧箱梁及桥面板结合处，由于索力带来的集中力产生的局部效
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应，受力更为复杂，再加上此处孔洞的削弱、钢结构加工工艺误差及钢混结合面滑移等因素影响[4-5]，在实际设计工作中，必须进行精确的局部计算分析。
横梁与桥面板的水平剪切约束作用会影响横梁、顶板及边箱梁间的传力方式，其对于主梁应力分布的影响也是一个值得关注的问题，横梁与桥面板的剪力连接件设计时需要对此问题进行深入分析，以使得横梁与顶板的连接设计构造更加合理可靠。
1基本体系的选定与模型的建立
在此选取某斜拉桥的标准梁段进行建模分析，钢箱叠合梁断面如图1所示，模型全长63.48m，横梁间距为3.6m，箱梁内轮廓高为3.6m，全宽为34m，桥面板厚度50cm，两侧钢箱梁底板采用U形纵向加劲肋，腹板采用L形纵向加劲肋。
图1分离式钢箱梁叠合梁断面示意
横梁与桥面板之间约束对主梁应力分布的影响通过三个工况进行研究，每个工况都施加到两个模型上对比分析，模型①中横梁除对桥面板有竖向的支撑作用外，还发挥着顺桥向和横桥向的抗剪作用，而模型②中横梁对桥面板仅有竖向支撑作用。三个工况分别为：
（1）主梁一端固结约束，锚拉板处施加斜拉索顺桥向
分力；
（2）主梁一端固结约束，锚拉板处施加斜拉索竖向分力；
（3）主梁第二体系受力，施加结构自重和车辆荷载。本次计算所使用的几何模型及局部有限元模型如图2所示。
收稿日期：2019-01-16
作者简介：邓果（1983—），男，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，主要从事桥梁设计方面相关的工作。
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总503期
2019年第17期（6月中）
采用壳单元，使用Q345钢材；钢梁与桥面板之间的剪力栓钉使用弹簧单元模拟，计算结果及比较分析如下。
2主要分析结果
2.1不同工况下桥面应力分布
由于篇幅原因仅列出模型①的应力分布图（见图3），
（a）
（b）
模型②相同工况下的应力分布规律与模型①类似（见图4），仅数值有所不同。通过观察应力云图可以发现，顶板在不同荷载工况下的应力分布规律相差很大，在相同工况下两个不同方向SX和SZ上的应力分布规律也相差较大。
图2几何模型及局部有限元模型
计算采用有限位移理论，通过有限元程序ANSYS进行建模分析。桥面板使用实体单元，材料为C55混凝土；钢板
图3模型①桥面板顶面SX应力（Pa）（从左至右依次为工况（1）（2）（3））
图4模型①桥面板顶面SZ应力（Pa）（从左至右依次为工况（1）（2）（3））
2.2主梁承受斜拉索顺桥向和竖向分力工况（见图5、图6）
图6竖向分力截面横桥向SX应力比较（Pa）如图5中的分析结果可知，主梁承受斜拉索顺桥向分力
图5顺桥向分力截面横桥向SX应力比较（Pa）
注：截面位于距主梁自由端约10.8m的横梁处。
的工况中，横梁与桥面板的连接是否传剪对模型①、②各部分的应力分布影响不大，相比之下对横桥向应力的分布
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影响更明显一些。轴向力在钢主梁和混凝土桥面板之间的传递主要依靠钢主梁腹板上翼缘板的剪力键进行，与横梁和桥面板的连接是否传剪关系不大。
如图6中的结果可知，主梁承受斜拉索竖向分力的工况中，横梁与桥面板的连接是否传剪对模型①、②的主梁横桥向应力和桥面板顺桥向应力分布影响都很小，相比之下对桥面板横桥向应力的分布影响略大一些。轴向力传递主要依靠的是钢主梁腹板与桥面板的连接。2.3主梁承受自重+车辆荷载工况
如图7中的应力分布及图8中的应力对比结果可知，本工况中横梁与桥面板的连接是否传剪对桥面板的顺桥向应力分布影响依然不大，而对桥面板和横梁的横桥向应力分布影响比较明显，主要是两者之间的连接关系到横梁和桥面板能不能作为结合梁整体受力。模型②中桥面板与横梁在横桥向各自单独受力，所以横梁应力出现了明显的增大。由此可见，横梁与桥面板的连接对顺桥向应力分布影响很小，而对桥面板和横梁的横桥向应力分布影响显著，决定了两者是否作为一个整体共同受力。
图7模型①（②）横梁横桥向SX应力分布（Pa）
注：截面位于车辆荷载直接作用的横梁处。
图8模型①、②横梁横桥向SX应力比较（Pa）
交通世界TRANSPOWORLD3结论
综合以上两个模型在3个工况中的应力分布状态，可得出以下几个结论：
（1）横梁与桥面板之间的连接方式关系到两者在横桥向是否能够作为结合梁整体受力，对两者的横桥向应力分布有明显的影响，而主梁的顺桥向应力分布几乎与其无关，分析其原因是由于横梁不能够为主梁提供顺桥向刚度所致。
（2）桥面板与横梁之间无横桥向抗剪连接时，车辆荷载作用下两者之间的滑移将完全由主梁腹板和桥面板之间的连接件承担，导致此处混凝土应力偏大，容易开裂。
（3）应在横梁和桥面板之间设置适当的抗剪连接以使两者的横桥向变形相对匀顺，混凝土应力过渡平缓。因剪切约束对主梁纵向应力影响较小，因此可采用除剪力栓钉以外的其他形式的剪力键进行连接，例如PBL剪力键等形式。
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（编辑：曹艳华）
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