大跨度悬索桥正交异性板钢箱梁施工中横向应力分布规律研究

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187

大跨度悬索桥正交异性板钢箱梁施工中

横向应力分布规律研究

危媛丞、李周2,3,郑荧光2，褚东升4，闵世超5

(1.深圳市龙华新区大浪办事处建设工程事务中心，广东深圳 518109;.中建钢构有限公司，广东深圳 518048;

3.湖南大学，湖南长沙 410082;.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230;

5.华东交通大学，江西南昌 330013)

摘要：以郑州潮河大桥为工程依托，对正交异性板钢箱梁施工过程中的空间应力状况进行现 场实测和有限元模拟，对比分析其横向应力分布特点。结果表明，现场实测与有限元计算所得分 布规律基本吻合，施工过程中钢箱梁横向应力具有较大的安全储备；沿桥跨方向，主塔截面位置 顶、底板横向应力值较大；沿横截面方向，横截面中心位置横向应力较大；钢箱梁横向处于下挠状 态；完成桥面铺装时钢箱梁顶、底板横向应力沿桥跨方向分布更均勾。

关键词：桥梁；大跨度悬索桥；正交异性板钢箱梁；黄向应力 中图分类号：U448.25 文献标志码：A 文章编号：1671 — 2668(2016)06 — 0187 — 06在各种桥梁结构体系中，悬索桥是跨越能力最强 的桥型，也是景观效果较好的桥型之一。无论是大跨 度公路桥，还是景观要求较高的城市道路桥梁，悬索 桥都得到了广泛运用，而这些桥梁大多采用正交异性 桥面板钢箱梁结构形式。

正交异性板钢箱梁具有高度低、自重轻、极限承 载力大、易于加工制造等优点，但其制造要求较高、 结构受力复杂。国内已开展很多相关研究，如程建 华、邢中凯分析了钢箱梁正交异性桥面板的受力特 性和计算方法，郁春松、张陕锋研究了正交异性板钢 箱梁的计算与结构优化问题，杨灿、段政、孔祥福研 究了正交异性板钢箱梁的空间应力、局部应力分布 规律和受力性能;刘信斌、衣龙泉分析了钢箱梁剪力

滞系数的横向变化规律。但对正交异性板钢箱梁施 工过程中横向应力的研究较少。该文以郑州潮河大 桥为工程依托，对正交异性板钢箱梁的空间应力状 况进行现场实测和有限元模拟，研究大跨度悬索桥 正交异性板钢箱梁施工中的应力特点。1 工程概况

郑州潮河大桥为郑州经济开发区滨河国际新城 经南八路跨越潮河的一个节点工程，为三塔四跨地 锚式悬索桥，跨径布置为（ + 136 + 136 + ) m = 400 m。悬索桥加劲梁采用全焊钢箱梁结构，顶宽 45 m，中线处梁高2 m，悬臂板长5.808 m。全桥钢 箱梁分为四类（见图1) :Z1为标准段，长6 m; Z2为

4G12G13G14G15G18G19G20G24G30G1G2G3G5G6G7G8G9G10G11G16G17G21G22G23G25G26G27G28G29G31G32G33节段编号G4Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z1Z31Z1Z1Z3Z1Z1Z1Z1Z2Z1Z1Z1Z1Z节段类型Z

图1半桥钢箱梁节段划分示意图（单位：mm)

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2016年11月

合龙段，长3.7m;Z3为中塔、边塔段，长12.3m;Z4 为端横梁位置，长3.69 m。钢箱梁节段之间采用焊 接连接。钢箱梁钢材采用Q345qD，桥面板采用正 交异性板构造，纵向加劲肋为U形肋，顶板U形肋

间距600 mm;底板机动车道范围加劲肋采用U形 肋，间距800 mm，其余部分采用板肋，间距420

mm。钢箱梁每隔3 m设一道标准横隔板。钢箱梁

截面构造见图2。

2现场测试方案

胎架未拆除，钢箱梁应力较小，可不予考虑。第三轮 张拉开始后，尤其是在胎架拆除后，钢箱梁各测点应 力较大，应力测试主要针对这一情况。设置两种测 试工况：工况1为拆除胎架；工况2为施工第二层沥 青砼铺装，成桥。吊索编号见图5,测试工况下钢箱 梁吊索张拉力见表1。

2.1测点布置

选取边跨跨中、边主塔、中跨1/4跨、中跨1/2 跨、中跨3/4跨和中主塔（分别为S1〜S6)作为应变 测点布置控制断面（见图3)，其中41截面距边跨梁 端32m;S2截面距边跨梁端m;S3截面距边跨 梁端98m;S4截面距边跨梁端132m;S5截面距边 跨梁端166m;S6截面距边跨梁端200 m。

图5吊索布置及编号

表1各测试工况下吊索张拉力

吊索编号

1

每个控制断面顶、底板各布置3个横向应变计、 6个测点，全桥共36个测点，横向具体位置为两吊 索及梁截面中心处，采用XHX—21x型振弦式表面 应变计（见图4)。

7 500

15 000

15 000

7 500

234567101112131415

张拉力/kN

工况1工况278428428428408408529966807258012201 520911888

1 0321 0361 0361 0361 0341 0321 0351 0271 0301 0431 0871 0851 0741 0741 071

吊索编号161718192021222324252627282930

张拉力/kN工况1工况22555120888651 4233836624817

1 0771 0801 0811 0821 0791 0821 0811 0811 0781 0721 0761 0741 0901 0901 048

Sl-tl-h

5 788 i______16 692

-表示横向应变计；编号Sl-tl-h表示第1个断面顶板第1个测 点的横向应变，Sl-bl-hg示第1个断面底板第1个测点的横向 应变，以此类推。

图4钢箱梁横向应变计布置（单位：mm)

2.2 测试工况

该桥吊索共进行三轮张拉，前两轮张拉过程中

J_____16 692______ 5 788

Sl-t2-h Sl-t3-h

tSl-b2-h Sl-b3-h

2016年第6期 危媛丞，等：大跨度悬索桥正交异性板钢箱梁施工中横向应力分布规律研究1

3测试结果分析

力来模拟吊索张拉力，工况2时机动车道二期恒载 取4.13kN/m2,索区、人行道、非机动车道二期恒载 取 3_00kN/m2。

3.1有限元计算模型

为分析现场实测结果的合理性，采用

ANSYS

软件建立钢箱梁三维有限元模型进行比较分析。

考虑到桥塔高度较小而刚度较大，不建立桥塔 模型而仅在塔梁相交处施加对应支座约束；因分析 对象是钢箱梁，不建立缆索系统而在相应节点处施 加竖向拉力来模拟吊索张拉力；考虑到结构和荷载 的对称性，仅建立全桥钢箱梁的1/4模型（见图6)。

模型共划分为149 349个单元，钢箱梁结构均 采用三维四节点单元Shelll81模拟。计算工况与 测试工况一致，工况1时在钢箱梁吊点处施加竖向

3.2横向应力沿桥跨方向的分布规律

横向应力沿桥跨方向的分布见图7、图8。

图6钢箱梁1/4有限元模型

80

60

adws4

(a)顶板中心处„

一计算结果

一一实测结果

2

A

o o

50

adwtfw(b)顶板吊索处—计算结果\\ 一一实测结果

o2

o50

测点纵坐标/m

(c)底板中心处

100

测点纵坐标/m

(d)底板吊索处

100 150

坐标零点在边跨梁端位置；横轴表示桥跨方向；竖轴表示的应力以受拉为正、受压为负。

图7工况1钢箱梁横向应力沿桥跨的分布

由图7、图8可知：工况1时S2、S6截面位置钢箱 梁顶、底板横向应力较大，最大值约70 MPa,其余截 面位置横向应力相对较小。S2、S6截面位置钢箱梁 顶板受横向压应力、底板受横向拉应力，说明钢箱梁 横向处于下挠状态。与工况1相比，工况2时钢箱梁 顶、底板横向应力沿桥跨方向的分布更均勻，沿桥跨 方向顶板横向应力基本为负值（即顶板横向受压），底 板横向应力基本为正值（即底板横向受拉），钢箱梁横 向处于下挠状态，但横向应力都很小，最大值不超过 40 MPa，比工况1时的横向应力峰值大幅减小。

各测点横向应力实测结果与计算结果对比见表

2。从表2可看出：）各测点实测横向应力沿桥跨 的分布与计算结果基本吻合，但存在一定误差，部分 测点相对误差超过100%，甚至达到数倍。考虑到 天气条件、安装和测试人员的操作规范与否、施工人 员及施工机具的直接或间接作用、吊索张拉力是否 精确等大量随机因素的影响，部分测点出现较大误 差是正常的。相对误差较大的测点一般横向应力较 小，而横向应力较大的测点其实测值与计算值较接 近，实测结果与计算结果所得出的分布规律基本吻

合，都基本可以反映钢箱梁顶、底板横向应力特征， 说明实测方法及结果可靠，有限元计算模型合理。

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测点纵坐标()顶板中心处

a

/m

测点纵坐标

()顶板吊索处

b

/m

测点纵坐标

()底板中心处

c

/m

图8工况2钢箱梁横向应力沿桥跨的分布 表2各测点横向应力实测结果与计算结果对比

测点纵坐标()底板吊索处

d

/m

S1截面横向应力

测点位置顶板中心处顶板吊索处底板中心处底板吊索处测点位置顶板中心处顶板吊索处底板中心处顶板吊索处

工况

S2截面横向应力S3 截面横向应力

实测值/ 计算值/ 相对误实测值/计算值/ 相对误实测值/计算值/ 相对误MPaMPa差/%MPaMPa差/%MPaMPa差/%

39.29—53.39工况1-1.05—6.35505.07—35.90—9.04—0.94.58工况2—35.80工况1工况2工况1工况2

6.693.4210.8222.13

—30.153.150.961.2928.73—3.84

15.7752.9772.0688.1229.8334.86

—17.20—30.143.6259.1314.9334.445.29

—23.88—46.53—0.4241.7019.5923.06

38.83.39111.5929.4731.1933.04

—32.18—5.247.46—8.8328.92—7.944.02

—26.863.00—0.42—7.1524.43—8.10

16.52157.20105.19.0015.512.01

工况1—5.工况2工况

6.18

6.474.69

S4截面横向应力实测值/计算值/相对误

MPaMPa

—1.12121.24S5截面横向应力实测值/计算值/相对误

差/%65.2722.7082.45104.3270.463.3341.7611.72

MPa

MPa

4.8520.60S6 截面横向应力实测值/计算值/相对误

差/%16.9027.7855.4653.21.7812.49299.074.61

MPaMPa

差/%21.2227.9915.63190.4935.1722.8712.3733.

工况1—8.13 20.37工况2—工况1工况2

4.678.02

—2.82—24.990.82—0.35—3.4525.46—3.127.80

— 3.93—21.408.14—1.24—9.3222.3.075.37

—3.27—27.343.63—0.58—3.2825.14—8.105.12

—59.34—31.25—59.10—2.2843.0020.1731.875.41

—71.93—22.50—68.34—6.6258.1224.7835.813.60

工况1—11.67工况2

24.

工况1—5.36工况2

8.84

2016年第6期 危媛丞，等：大跨度悬索桥正交异性板钢箱梁施工中横向应力分布规律研究191

2) S2、S6截面处钢箱梁顶、底板的横向应力相对较 大，实测和计算横向应力最大值分别为59.34、 71. 93MPa，均发生在工况1中跨主塔截面的顶板 中心处，具有较大的安全储备。而非主塔位置的

、

、

、

、

点，对于1/4模型的钢箱梁顶、底板横向应力来说，

S1〜S6每个断面都分别仅有2个测点，仅根据实测

数据并不能得出钢箱梁顶、底板横向应力沿横截面 方向的分布规律，无法确定在横截面的哪个位置横 向应力最不利。

在实测与计算所得出的横向应力沿桥跨分布规 律基本吻合、有限元计算结果合理性得到实测结果 验证的前提下，可仅通过有限元计算结果来分析钢 箱梁顶、底板横向应力沿横截面方向的分布规律（见 图9、图10)。

从图9、图10可以看出：钢箱梁顶、底板横向应 力在横坐标为零处达到最大，即横截面中心处钢箱 梁横向应力值最大，但最大值不超过80 MPa,相对 于C345qD的容许弯曲应力210MPa而言，具有很 大的安全储备。

S1S3S4S5截面处钢箱梁顶

内，具有很大的安全储备。

底板的横向应力均

较小，两种工况下实测和计算横向应力最大值均不 超过40 MPa，大部分测点横向应力在20 MPa以 3.3横向应力沿横截面方向的分布规律

受测点数量的，不能同时沿桥纵向和横向 布置较多的横向应变计。在钢箱梁顶、底板横向应 变计布置过程中侧重考虑钢箱梁顶、底板横向应力 沿桥跨方向的分布，在测点布置上沿桥跨选择较多 的测试截面（S1〜S6)。在每个横截面上仅在预设的 关键位置（梁截面中心及两侧吊索位置附近）布置测

0

10r

3 6 9 12 15 18 21 24

横坐标

() 1断面

aS

/m

() 2断面

bS

10

0

10厂

3 6 9 12 15 18 21 24

横坐标

() 3断面

cS

/m

() 4断面

dS

I

-5I

'0

__|__|__|__|__|__|___|__|

—工况1 —工况2

3 6 9 12 15 18 21 24

横坐标

()5断面

eS

/m

3 6 9 12 15 18 21 24

横坐标() 6断面

fS

/m

坐标零点表示钢箱梁横截面中心位置；横坐标15.00 m处表示吊索位置，坐标16.69 m处表示顶、底板与腹板相交位置

竖轴表示的应力以受拉为正、受压为负。下同。

图9钢箱梁顶板横向应力沿横断面的分布

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公

3

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6

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o o o o

3

6

12

横坐标/m (a)Sl断面9

2

—工况1

工况2

o oo

4

adws1

2

15 —工况1 工况2

186

横坐标/m

(b)S2断面

9 12 15 18

2

o o1

2

o o

1

w0

3 6

12

横坐标/m (c) S3断面

9 15 —工况1

工况2

18

1

0

—

I6

横坐标/m (d) S4断面

adow1s 2o

4

0

d0d2

w s0

10----1----1----1----1--:--1----1

1U0 3 6

横坐标/m

(e) S5断面

9 12 15 18

0

的S6断面

图10钢箱梁底板横向应力沿横断面的分布规律

4

结论(1)

参考文献：

[1]程建华，熊健民，周金枝.钢箱梁正交异性板受力性能

分析[J].钢结构，2014(2).现场实测结果与有限元计算结果所得出的

[]邢中凯.钢箱梁正交异性桥面板受力特性及计算方法 分析研究[D].上海：同济大学，2003.[]郁春松.正交异性钢箱梁桥面板的优化设计[D].长沙:

横向应力沿桥跨分布规律基本吻合，都基本可以反 映钢箱梁顶、底板横向应力特征，实测方法及实测结 果可靠，有限元计算模型合理。

(2)

湖南大学，2011.

沿桥跨方向，边跨主塔、中跨主塔截面位置

[]张陕锋.正交异性板扁平钢箱梁若干问题研究[D].南

钢箱梁顶、底板横向应力值较大；沿横截面方向，钢 京：东南大学，2016.箱梁横截面中心位置横向应力较大。[]段政，吴臻旺.钢箱梁正交异性板桥面局部应力影响因 素分析[].城市道桥与防洪，2015(9).钢箱梁顶板主要受横向压应力、底板主要

[]杨灿.大跨度斜拉桥钢箱梁空间应力分析[D].成都：西 受横向拉应力，钢箱梁横向处于下挠状态。

(3)

()与拆除胎架时相比，完成桥面铺装成桥时 的钢箱梁顶、底板横向应力峰值大幅减小，沿桥跨方 向的分布也更均匀。

(5)由于采用正交异性钢桥面板，并布置了 较多纵向U肋、板肋及横隔板，钢箱梁顶、底板横 向刚度较大，施工过程中顶、底板横向应力均较 小，远小于设计所用钢材的容许应力，具有较大 的安全储备。

收稿日期：2016 — 04 — 29

南交通大学，2010.

[]孔祥福，周绪红，狄谨，等.钢箱梁斜拉桥正交异性桥面板

的受力性能[].长安大学学报：自然科学版，2007,7(3).[]刘信斌.80 m简支钢箱梁剪力滞系数研究[].城市道

桥与防洪，2014(7).

[]衣龙泉，刘凡.钢箱梁剪力滞效应的研究与有限元分析 [].苏州科技学院学报：工程技术版，2008,21(3).