1、华阳路南延（含华阳桥）道路工程 1 华阳特大桥剪力滞效应科研课题简介一、概述1、设计标准 道路等级：城市主干道； 设计荷载：公路 I 级； 设计车速： 60km/h； 航道等级：V 级； 通航标准：通航净高为 8m，通航净宽为 130m(通航论证送审稿，已开评审会，未正式批复)，最高通航水位采用洪水重现期 10 年一遇洪水位5.65m （85 国家高程，下同） ； 地震烈度：根据建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）及中国地震动参数区划图 （GB18306-2001） ，华阳特大桥场地的地震基本烈度为 VII 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，地震设计特征周期值（ 50 年超越概
2、率 10%）为 0.43s。桥梁横断面布置华阳特大桥工程按照双向八车道城市主干道标准修建。主桥横断面具体布置为：桥面宽度: 0.25m 栏杆+2.5m 人行道+0.45m 防撞栏 +15.585m 行车道+0.45m 防撞栏+1.03m 中央分隔带+0.45m 防撞栏+15.585m 行车道 +0.45m 防撞栏+2.5m 人行道+0.25m 栏杆=39.5m；全宽 39.5m。2、主要采用的设计规范公路路线设计规范 JTG D202006公路路基设计规范 JTG D30-2004公路沥青路面设计规范 JTG D502006公路桥涵设计通用规范 JTGD602004华阳路南延（含华阳桥）道路工
3、程 2 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004公路桥涵地基与基础设计规范 JTG D63-2007公路桥梁抗震设计细则 JTG/T B02-01-20083、工程规模华阳特大桥属于华阳路南延线道路工程项目，跨越潭洲水道。该项目为南北走向，北起佛陈路碧桂花城段，南止于荷岳路。华阳特大桥位于东平新城核心区，连接陈村与乐从两镇，为双向 8 车道。桥位具体位于灯笼沙洲岛下游 344m 处，航迹线偏于南侧，较为顺直；该处潭洲水道分南北两个航道，其中南航道槽较深，为其主要航道。桥轴线法线方向与水流主流向的交角为 6。4、主桥 109+168+109m 连续梁 上部结构采用（10
4、9+168+109）m 跨 PC 连续梁，边中跨比值为 0.65。箱梁采用 C60 砼，单箱单室箱形断面，顶板宽 19.3m，底板宽 9.7m，两侧翼缘板悬臂长 4.8m。图 1 华阳特大桥主桥跨中附近截面华阳路南延（含华阳桥）道路工程 3 图 2 华阳特大桥主桥支点附近截面根部梁高 H 根10.5m，跨中及边跨端部梁高 H 中 4.0m，H 根/L1/16，H 中/L1/42 。箱梁梁高变化采用 2 次抛物线，变化范围为悬浇段末端至根部外侧处，梁高变化方程为截面梁高方程：H=0.001003048x +4.0(m)，梁高 H 系箱梁横断面外腹板外缘处高度。边跨现浇段支点附近处腹板厚度采用 7
5、5cm，跨中采用 50cm，向主墩方向分次渐变为 85cm、 100cm，0#块腹板厚度为 120cm。箱梁顶板厚度 0#块为 50cm，其余均为32cm。箱梁底板厚度变化采用 2 次抛物线，由箱梁根部 120cm 渐变到跨中 35cm；底板厚度方程：H=0.000138113x +0.35 (m)；箱梁横坡由腹板高度调整，顶板横向设置 2%的横坡，底板保持水平。 下部结构墩身与路线正交，采用左右分幅薄壁箱形空心墩，C40 砼。墩厚 450cm，宽1170cm。墩身于横桥向两侧设为椭圆形，以减少水流阻力。左右幅桥承台采用分幅式承台，C40 砼，每一个承台两端带椭圆弧倒角，承台尺寸顺桥向为 15
6、.3m，横桥向为18.8m，厚 4.5m，并设 0.5m 厚的 C25 承台封底砼。基础采用群桩，每墩半幅由 9D250cm华阳路南延（含华阳桥）道路工程 4 直径钻孔灌注桩组成。主墩承台标高为 2.0m。过渡墩采用分离薄壁空心墩，分离式承台。半幅承台顺桥向尺寸为 700cm，横桥向尺寸为 1200cm；配 6 根 D180cm 钻孔桩。过渡墩承台顶标高设于地面以下约 50cm，12#过渡墩承台顶标高为 2.5m，15#过渡墩承台顶标高为 2.7m。二、剪力滞效应1、研究意义近年来，随着我国交通事业的大发展，特别是高等级公路的大量建设，连续箱梁桥因其具有结构轻、刚度大、行车舒适性好、施工技术成
7、熟等优点，因此，在桥梁工程中得到了广泛的应用。近几十年的工程实践和研究表明，在对称荷载作用下法向应力沿横截面的分布是不均匀的，这种现象在开口截面(如T 梁)中，称之为“翼缘板有效分布宽度” ；在闭口截面(如箱梁) 中，则称之为“剪力滞效应” 。对于箱形薄壁梁桥，宽跨比较大、宽高比较为突出时，剪力滞效应会更为严重，如果忽略它的影响，势必导致结构的失利。从1969年11月到1971年11月，在奥地利、英国、澳大利亚、德国相继发生了四起大跨径钢箱梁失稳或破坏事故。事故发生后，许多桥梁专家对这四座桥的设计及计算方法进行了研究与分析，揭示出这四座桥的计算方法存在严重的缺陷，其中一项就是设计中没有认真对待
8、“剪力滞效应” ，因此导致应力过分集中，造成结构的失稳或局部破坏。按照经典的定义，靠近腹板处翼板中的纵向应力大于靠近翼板中点处的纵向应力，称之“正剪力滞” ；而翼板中点处的纵向应力大于其腹板附近翼板的纵向应力，称之“负剪力滞” 。为了方便地描述箱形梁剪力滞效应的影响程度，工程上引入剪力滞系数的概念，作为衡量剪力滞效应大小的主要指标，即 考 虑 剪 力 滞 效 应 求 得 的 正 应 力按 初 等 梁 理 论 所 求 得 的 正 应 力当靠近腹板处翼缘的正应力比远离腹板处翼缘正应力大时为正剪力滞即1；当靠近腹板翼缘的正应力比翼板中心处或悬臂边缘处翼缘正应力小时为负剪力滞，即1 。华阳路南延（含华
9、阳桥）道路工程 5 图 3 剪力滞后现象2、研究状况近几十年来，国内外学者致力于箱梁剪力滞效应问题的研究，分别从解析理论、数值解法和模型试验等方面对剪力滞效应问题提出了许多新设想与新理论。综合起来有以下几种理论与方法：(一)、解析理论1) 卡曼理论最早涉及剪力滞问题的理论推导是弗卡曼(T.V.Karman)。他曾取一跨径为 2L 且承受余弦形荷载的连续梁为解析对象，利用最小势能原理，推导出连续梁的有效分布宽度，称之为“卡曼理论” 。尽管他所考虑的是无限宽度的翼缘板，但是实际上其解答也适合于有限宽度的翼缘板。但由于其分析过程比较繁复，使其在工程实际问题中的应用受到了一定的限制。2) 弹性理论解法
10、弹性理论解法是建立在经典弹性理论的基础上的，这里包括正交异性板法、折板理论、板壳理论等。正交异性板法是把肋板结构比拟为正交异性板，其肋的面积假定均摊在整个板上，然后应用弹性薄板理论，从边界条件出发，导出肋板结构的应力和挠度公式，获得剪力滞问题的解。瑞斯纳(E.Reissner)早在 1938 年把上下翼板呈波纹状的悬臂矩形箱截面的剪力滞问题比拟成一正交异性板进行了分析和研究，并作了一些近似简化处理。埃伯德一赛德(AbdelSayed)曾在 1969 年把正交异性板法应用于钢箱梁的桥道板的剪力滞分析，称之为“赛德微分方程” ，后来马尔科(Malcolm) 等人进一步用它来分析加劲箱梁的剪力滞华阳
11、路南延（含华阳桥）道路工程 6 问题。折板理论(Theory of Folded Plates)是将箱梁离散为若干矩形板，以弹性平面应力理论和板的弯曲理论为基础，利用各板接合处的变形和静力平衡条件，建立方程组，可用矩阵形式进行计算。折板理论由戈尔德贝格(Goldberg)和李维(Leve)等首先提出，并由狄弗力一史肯(Defries Skene)和斯考特里斯(Scordelis)写成了矩阵形式而适应于计算机的分析。朱光汉和埃鲁特杜里克则把此法用于复式折板结构，并进一步扩展应用于箱梁桥的分析。卡尔文达思(Karl Van Dalen)等运用上述方法对宽低箱梁的剪力滞效应进行了研究，分析了箱梁截面
12、尺寸的多种比值对剪力滞系数的影响，并指出：翼缘板的宽跨比和梁的边界条件是影响剪力滞效应的主要因素。J.E.吉普逊(J.E.Gibson)和 M.H.米特瓦利 (M.H.Mitwally)在 1976 年提出了用板壳理论(Chosed Multi-shell Theory)分析箱形梁及其剪力滞效应。他们认为各种截面形状的箱梁都可以看成是板单元和筒壳单元的组合体，因而可以分别利用板的理论和筒壳理论加以处理。3) 比拟杆法比拟杆法是将处于受弯状态的箱梁结构比拟为只承受轴向力的杆件与只承受剪力的系板的组合体，然后根据杆与板之间的平衡条件和变形协调条件建立起一组微分方程，每块翼板中所产生的剪力滞特性，可
13、以通过理想化加劲杆的内力来确定。比拟杆法最早探讨这个问题的是杨格(Younger)，他提出了“加劲薄板理论 ”(Stiffener Sheet Theory)，即用等厚连续薄板来代替离散的纵向加劲肋，并假设由它承受所有的轴向荷载。海杰一阿格瑞斯(Hadji-Argyris)在此基础上，提出了“有限加劲肋理论”(The Finite Stringer Theory)，即把纵向加劲肋视为离散的仅承受轴向荷载的杆件，杆件之间用仅承受剪力的系板连接，板本身的承载能力可以简单地确定为是一块附加在离散纵向加劲杆件上的面积。后来库恩(Kuhn)等提出一种简单加劲肋代换法，考虑了肋板剪力流的影响，解决了在轴向
14、力作用下具有三根加劲肋的板和悬臂箱梁受弯时的剪力滞效应分析。英国学者 H.R.伊文斯(H.R.Evans)和 A.R.塔海伦 (A.R.Taherian)作了进一步的改进，提出了 “三杆法”理论，使之更适用于一般受弯矩箱梁结构的剪力滞分析。国内学者程翔云教授等在上述研究的基华阳路南延（含华阳桥）道路工程 7 础上，提出了用样条函数逼近法求解高阶微分方程组，解决了带悬臂翼板等截面矩形箱形结构及 T 形梁剪力滞的计算问题。4) 能量变分法能量变分法是从假定箱梁翼板的纵向位移模式出发，以梁的竖向位移和描述翼板剪力滞的纵向位移差的广义位移函数为未知数，应用最小势能原理，建立控制微分方程，从而获得应力和
15、挠度的闭合解。能量变分法最早由瑞斯纳(EReissner) 提出，他假设翼板的纵向位移沿横向按二次抛物线分布，第一次成功地应用能量变分法分析了双轴对称矩形箱梁剪力滞问题，开创了研究箱梁剪力滞问题的新途径。国内学者郭会琼教授等在Reisser 微分方程的基础上，将翼板纵向位移沿横向分布函数修改为三次抛物线，并用模型试验和数值分析加以验证。1982 年，伊利诺伊斯大学副教授福启(D.A.Foutch)和 P.C.张(P.C.Chang)用瑞斯纳方法对悬臂箱梁承受均布线荷载、自由端作用一集中荷载、自由端有一转角、在自由端的腹板上作用一集中弯矩等四种情况的剪力滞效应进行研究，发现了与正剪力滞完全相反的
16、情况负剪力滞效应，并且认为负剪力滞仅仅发生在非均布力情况。他们认为负剪力滞现象是一种反常现象。国内学者程翔云从物理概念上澄清了负剪力滞现象。(二)、数值分析法数值分析法主要包括有限元法、有限条法、有限差分法和有限段法。1) 有限单元法有限单元法是解决各种复杂工程问题的一种行之有效的数值分析法，它能用来分析等截面或变截面梁桥的剪力滞问题。K.R.Moffatt 和 P.J.Dowling 通过有限单元法对影响箱梁剪力滞效应的各种参数作了系统的分析与研究，提出了各种荷载下的不同宽跨比、支承形式、截面加劲情况的有效宽度比。黄剑源教授用有限单元法计算了变截面箱形连续梁桥的剪力滞效应。2) 有限条法有限
17、条法是从有限单元法发展出来的一种半解析方法，与有限单元法相比，它具有简单、计算量小的优点。此法是分析等截面简支梁桥的有效方法。目前国内外许多学者华阳路南延（含华阳桥）道路工程 8 采用了这种方法分析箱形梁的剪力滞。3) 有限差分法有限差分法是一种传统的方法，此法是在能量变分法所求得的剪力滞微分方程组基础上，给出相应的有限差分格式，进行变截面箱梁桥的剪滞分析。张士铎教授用此法对直线变截面悬臂梁的剪力滞进行了分析，并探讨了负剪力滞规律；有关文献用差分法计算了变截面多跨梯形箱粱的剪力滞，并与模型试验作了比较。4) 有限段法有限段法也是从有限单元法发展出来的一种半解析法。由我国学者罗旗帜最早提出的一种
18、分析剪力滞效应的有限段法，该法以剪力滞微分方程的齐次解为位移模式，建立了平面梁单元的半解析有限段模型，将三维空间问题简化为一维空间，实现了在结构分析中自动计入剪力滞效应的功能。该法被推广应用于斜拉桥、变截面箱梁桥及曲线箱梁桥的剪力滞分析。(三)、模型试验科学试验是重大工程建设中必不可缺的一环，是为结构分析提供数据和结论的主要手段之一，也是检验数值理论和解析理论正确性的主要依据。郭金琼等“完成了有机玻璃制作的梁式桥模型，测试了 13 个方案 31 个截面的剪力滞效应，验证了简支矩形箱梁的剪力滞理论。有关文献制作了两个不同横截面尺寸的箱粱有机玻璃模型，针对箱梁在轴向和横向荷载共同作用下的剪力滞问题
19、进行试验研究，获得了一些重要结论。有关文献制作了 5 个不同钢箱梁模型，分别对单箱单室、单箱双室及组合箱梁的剪力滞进行试验研究，为制定英国桥梁规范提供了参考。近几年来，随着大跨径桥梁的迅速发展，为确保工程的安全性和可靠性，设计人员常采用模拟实桥进行试验研究。我国钱塘江公路二桥进行了 1：40 的桥梁结构模型试验研究了变截面多跨连续梁的剪力滞效应，并提出了简化的计算方法。它们分别验证了现有的剪力滞理论。3、研制思路及目标华阳特大桥主桥的跨中截面和支点截面，如图1和图2 所示。以往的研究表明，对于这华阳路南延（含华阳桥）道路工程 9 种大悬臂、腹板间距大的单箱单室箱梁截面，有如下结论：(1) 单箱
20、梁的悬臂施工过程是一个自重逐渐累加的过程,在悬臂浇筑初始阶段,箱梁的空间效应明显,应按空间结构分析其受力,此时若仍按平面杆系结构计算将带来很大的误差,且其结果将偏于不安全。(2) 单箱梁的悬臂施工阶段存在正负剪力滞效应,其正应力分布规律与诸多因素有关。对于直腹板直线变截面箱梁悬臂施工,自重是造成剪力滞效应的主要原因,挂篮等集中荷载对剪力滞效应没有影响。(3) 单箱梁在悬臂施工阶段控制应力为固定端截面的正应力,在最大悬臂状态下,此处的剪力滞效应最大,在设计和施工中应引起重视。(4) 在二期恒载和车道荷载作用下，连续梁沿纵向各截面将交替出现正负剪力滞现象，应引起设计上的注意，将可能会导致翼板出现横
21、向裂缝。在以往研究的基础上，通过理论研究和实桥监控，对箱梁剪力滞效应进行定量分析。研究的主要内容有：(一 )、理论研究1) 在悬臂浇注施工过程中，考虑混凝土收缩徐变的影响，分别计算自重、预应力、挂篮和湿重等荷载作用下的正(负)剪力滞效应，以及剪力滞系数沿桥梁长度方向的分布规律。2) 计算二期恒载作用下的正(负)剪力滞效应，以及剪力滞系数沿桥梁长度方向的分布规律。3) 计算温度荷载(包括：年温差和日照温差，分别计算考虑)作用下的正(负)剪力滞效应，以及剪力滞系数沿桥梁长度方向的分布规律。4) 分别计算汽车荷载、人群荷载作用下的正(负)剪力滞效应，以及剪力滞系数沿桥梁长度方向的分布规律。5) 计算不均匀沉降作用下的正(负)剪力滞效应，以及剪力滞系数沿桥梁长度方向的分布规律。通过以上的理论研究，以进一步指导纵向预应力束的横桥向配置，且检算考虑剪华阳路南延（含华阳桥）道路工程 10 力滞效应后，正应力峰值是否满足规范要求。(二)、实桥监测1) 加强实桥应力监测，在实桥施工过程中，测试不同控制截面箱梁正应力在横桥向的分布规律，将实测结果与理论分析的结果进行对比。广东省公路勘察规划设计院有限公司华阳路南延（含华阳桥）道路工程 11 广州市市政工程设计研究院2010-7-12
