纤维陶粒混凝土桥面板结合梁悬索桥受力性能

　　摘 要：本文以庙嘴长江大桥为例建立计算模型，分别对不同等级纤维陶粒混凝土结合梁桥面板、普通纤维混凝土结合梁桥面板进行对比，分析悬索桥在自重、自重+汽车荷载作用下的基频、主缆拉力、吊索拉力等性能指标。结果表明：采用纤维陶粒混凝土桥面板后，悬索桥的自振频率明显提高，其一阶振型的自振频率可提高约6%;主缆所受拉力较普通混凝土桥面板可降低10%以上;吊索所受最大拉力可降低15%以上(自重作用)或13%以上(自重+汽车荷载作用)。可见，采用纤维陶粒混凝土桥面板后，悬索桥的抗震性能、主缆和吊索的受力性能均得到了显著提升。

　　关键词：结合梁;纤维陶粒混凝土;受力性能

　　大跨懸索桥所采用的钢箱梁存在一些技术难点，例如，结构易屈曲发生失稳破坏，材料力学性能无法充分发挥导致利用率偏低，钢桥面板容易产生疲劳开裂破坏，钢桥面板与桥面铺装结合能力较差等[1]。钢-混凝土结合梁可充分利用材料性能，较传统钢桥面在力学性能方面具有明显的优势[2-4]。纤维陶粒混凝土较普通混凝土具有轻质、高强的特点，且在韧性、抗冻融、抗冲击等性能上有明显改善[5-7]。采用纤维陶粒混凝土建造结合梁桥的混凝土桥面板，符合桥梁工程大跨度、低自重、高耐久性、节省材料的应用特点和发展方向，达到增加桥梁跨径或提高承载力储备的目的，具有广阔的应用前景。当前，对结合梁桥的基础研究和工程应用均获得了较多成果[8]，但将纤维陶粒混凝土应用于结合梁桥桥面板并对其进行整体受力分析的研究却较少。

　　本文以庙嘴长江大桥为工程背景，建立了大桥的全桥有限元分析模型，分别考虑自重、自重+车辆荷载共同作用两种工况，分析了采用纤维陶粒混凝土桥面板与普通混凝土桥面板对全桥的结构基频、主缆拉力及吊索拉力的影响，并进行了对比分析。

　　1 庙嘴长江大桥工程概况

　　宜昌市庙嘴长江大桥桥面长3 229.7 m，桥面宽31.5 m，大桥跨径布置为250 m+838 m+215 m，其中主桥主跨为838 m的单跨钢-混凝土结合梁悬索桥[9]。庙嘴长江大桥立面布置如图1所示。

　　庙嘴长江大桥主要结构包括主塔、吊索、主缆、加劲梁。主塔高107 m，为门形框架结构，包括上横梁、塔柱、支墩三部分。其中，上横梁为预应力钢筋混凝土结构，塔柱和支墩为钢筋混凝土结构。吊索采用销接式结构，吊索上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过叉形耳板与钢箱梁上的耳板连接。吊索采用预制平行钢丝束。主缆采用预制平行钢丝索股法形成，每根索股由127丝直径为5.2 mm、公称抗拉强度为1 770 MPa的镀锌铝合金高强钢丝组成。加劲梁全宽33.2 m，中心线处梁高3.02 m，为钢-混凝土结合梁，由钢梁和混凝土桥面板通过布置在钢梁上的剪力连接件组合而成，横断面如图2所示。

　　钢梁由两侧的钢主梁通过中间的钢横梁连接而成。钢主梁腹板中心间距为26.0 m，钢横梁布置间隔为：除梁端的三个横梁间隔为2.6 m外，其他横梁间隔均为3.2 m。在横梁中心线处沿桥纵向布置一道钢小纵梁。桥面板为钢筋混凝土结构，混凝土桥面板全宽25.0 m，板厚0.22 m，通过布置于钢梁顶板上的圆柱头剪力钉与钢梁结合后共同受力。

　　2 有限元分析模型

　　利用MIDAS Civil软件，根据庙嘴长江大桥的设计图纸建立全桥模型，如图3所示，基本结构体系的相关参数通过悬索桥建模助手输入。加劲梁采用一般梁单元模拟;混凝土桥面板采用实体单元模拟;主缆和吊索采用只受拉单元模拟;主缆与索塔顶部的连接选用边界条件中的“刚性连接”来模拟;因不考虑加劲梁与混凝土桥面板的相对滑移，加劲梁与混凝土桥面板之间的连接选择边界条件中“弹性连接”的“刚性”属性来模拟;其他约束条件采用建模助手默认属性。将不同强度等级的纤维陶粒混凝土和纤维混凝土的基本性能参数[10]通过截面特性值自定义输入。

　　建立全桥模型后，采用公路—Ⅰ级车辆荷载进行加载[11]

　　3 计算结果分析

　　3.1 结构基频

　　利用全桥模型，采用特征值向量Lanczos方法[12]，分析结构在其自重作用下的自振特性，提取每个模型的前四阶频率和振型。不同混凝土条件下大桥自振频率如表1所示。当桥面板采用LC40混凝土时，主桥的振型如图4所示。其他强度混凝土条件下主桥的自振振型与LC40类似。

　　根據表1的计算结果可知，采用不同混凝土桥面板时，结合梁悬索桥的结构自振频率均较小，周期在10 s左右。分析表1和图4还可以得出以下结论：①当主桥桥面板采用不同类型及强度的混凝土时，主桥的自振频率存在明显差异，采用纤维陶粒混凝土桥面板时，主桥的自振频率明显高于混凝土桥面板的自振频率。以一阶振型的自振频率为例，采用LC40、LC45、LC50的陶粒混凝土时，相对于普通混凝土桥面板条件，自振频率分别提高了6.6%、5.7%、5.5%。可见，采用纤维陶粒混凝土桥面板后，主桥的抗震性能得到了明显提升。

　　3.2 主缆拉力

　　根据特征值运行结果输入结构基频，得到采用不同混凝土桥面板时悬索桥在自重、自重+汽车荷载共同作用下主缆的拉力最大值和最小值，如表2所示。

　　结果表明，桥面板混凝土的类型对悬索桥主缆的拉力影响较大，采用纤维陶粒混凝土桥面板时，主缆的最大拉力下降明显。在自重作用下，采用LC40桥面板时最大拉力比C40低12.16%，LC45比C45低11.39%，LC50比C50低11.08%;在自重+汽车荷载作用下，采用LC40桥面板时比C40低11.92%，LC45比C45低11.16%，LC50比C50低10.86%;最小拉力也得到了不同程度的下降。由此可见，采用纤维混凝土桥面板后，悬索桥主缆的受力性能得到了显著改善。

　　3.3 吊索拉力

　　根据模型计算结果，当采用不同混凝土的桥面板时，悬索桥吊索在自重、自重+汽车荷载共同作用时所受拉力如表3所示。

　　对比分析表2和表3可知，桥面板采用不同混凝土时，悬索桥吊索所受拉力的变化情况与主缆类似，在自重作用下变化更为显著。从表3可以看出，在自重作用下，吊索最大拉力对比情况为：LC40比C40低16.68%，LC45比C45低15.62%，LC50比C50低15.19%;在自重+汽车荷载作用下，吊索最大拉力对比情况为：LC40比C40低14.93%，LC45比C45低13.99%，LC50比C50低13.60%。此外，吊索最小拉力也有较大幅度的降低。因此，采用纤维混凝土桥面板可显著提高悬索桥吊索的受力性能。

　　4 结论

　　依托庙嘴长江大桥主桥(悬索桥)工程，建立有限元分析模型，分别计算出桥面板采用不同强度的纤维陶粒混凝土、普通混凝土时主桥受力情况，得出如下结论。

　　①采用纤维陶粒混凝土桥面板时，悬索桥的自振频率明显高于混凝土桥面板，其一阶自振频率可提高约6%，说明采用纤维陶粒混凝土桥面板后，悬索桥的抗震性能得到了明显提升。

　　②在自重作用、自重+汽车荷载作用下，采用纤维陶粒混凝土桥面板时，主缆所受最大拉力较普通混凝土桥面板可降低10%以上，可见，采用陶粒混凝土桥面板可显著改善悬索桥主缆的受力性能。

　　③采用纤维陶粒混凝土桥面板时，吊索所受最大拉力较普通混凝土桥面板小，在自重作用下可降低15%以上，在自重+汽车荷载作用下可降低13%以上，可见，采用陶粒混凝土桥面板可显著提高悬索桥吊索的受力性能。

　　参考文献：

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　　[7]姜猛，郭志昆，陈万祥，等.混杂纤维轻骨料混凝土抗冲击压缩特性研究[J].混凝土，2015(11)：75-78.

　　[8]聂俊青，傅国宁.三塔四垮结合梁悬索桥静力分析研究[J].城市道桥与防洪，2016(4)：68-86.

　　[9]张立新，赵元炎，袁庆华，等.庙嘴长江大桥工程建设方案比选[J].世界桥梁，2015(3)：5-9.

　　[10]邱志成.结合梁纤维陶粒混凝土桥面板力学性能分析[D].武汉：武汉科技大学，2017：27-41.

　　[11]中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

　　[12]张盛，方杰，张洪武，等.基于多重多级动力子结构的Lanczos算法[J].振动与冲击，2012(6)：23-47.

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