摘 要：本文以廟嘴長江大橋為例建立計算模型，分別對不同等級纖維陶粒混凝土結合梁橋面板、普通纖維混凝土結合梁橋面板進行對比，分析懸索橋在自重、自重+汽車荷載作用下的基頻、主纜拉力、吊索拉力等性能指標。結果表明：采用纖維陶粒混凝土橋面板后，懸索橋的自振頻率明顯提高，其一階振型的自振頻率可提高約6%;主纜所受拉力較普通混凝土橋面板可降低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+汽車荷載作用)。可見，采用纖維陶粒混凝土橋面板后，懸索橋的抗震性能、主纜和吊索的受力性能均得到了顯著提升。

　　關鍵詞：結合梁;纖維陶粒混凝土;受力性能

　　大跨懸索橋所采用的鋼箱梁存在一些技術難點，例如，結構易屈曲發生失穩破壞，材料力學性能無法充分發揮導致利用率偏低，鋼橋面板容易產生疲勞開裂破壞，鋼橋面板與橋面鋪裝結合能力較差等[1]。鋼-混凝土結合梁可充分利用材料性能，較傳統鋼橋面在力學性能方面具有明顯的優勢[2-4]。纖維陶粒混凝土較普通混凝土具有輕質、高強的特點，且在韌性、抗凍融、抗沖擊等性能上有明顯改善[5-7]。采用纖維陶粒混凝土建造結合梁橋的混凝土橋面板，符合橋梁工程大跨度、低自重、高耐久性、節省材料的應用特點和發展方向，達到增加橋梁跨徑或提高承載力儲備的目的，具有廣闊的應用前景。當前，對結合梁橋的基礎研究和工程應用均獲得了較多成果[8]，但將纖維陶粒混凝土應用于結合梁橋橋面板并對其進行整體受力分析的研究卻較少。

　　本文以廟嘴長江大橋為工程背景，建立了大橋的全橋有限元分析模型，分別考慮自重、自重+車輛荷載共同作用兩種工況，分析了采用纖維陶粒混凝土橋面板與普通混凝土橋面板對全橋的結構基頻、主纜拉力及吊索拉力的影響，并進行了對比分析。

　　1 廟嘴長江大橋工程概況

　　宜昌市廟嘴長江大橋橋面長3 229.7 m，橋面寬31.5 m，大橋跨徑布置為250 m+838 m+215 m，其中主橋主跨為838 m的單跨鋼-混凝土結合梁懸索橋[9]。廟嘴長江大橋立面布置如圖1所示。

　　廟嘴長江大橋主要結構包括主塔、吊索、主纜、加勁梁。主塔高107 m，為門形框架結構，包括上橫梁、塔柱、支墩三部分。其中，上橫梁為預應力鋼筋混凝土結構，塔柱和支墩為鋼筋混凝土結構。吊索采用銷接式結構，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與鋼箱梁上的耳板連接。吊索采用預制平行鋼絲束。主纜采用預制平行鋼絲索股法形成，每根索股由127絲直徑為5.2 mm、公稱抗拉強度為1 770 MPa的鍍鋅鋁合金高強鋼絲組成。加勁梁全寬33.2 m，中心線處梁高3.02 m，為鋼-混凝土結合梁，由鋼梁和混凝土橋面板通過布置在鋼梁上的剪力連接件組合而成，橫斷面如圖2所示。

　　鋼梁由兩側的鋼主梁通過中間的鋼橫梁連接而成。鋼主梁腹板中心間距為26.0 m，鋼橫梁布置間隔為：除梁端的三個橫梁間隔為2.6 m外，其他橫梁間隔均為3.2 m。在橫梁中心線處沿橋縱向布置一道鋼小縱梁。橋面板為鋼筋混凝土結構，混凝土橋面板全寬25.0 m，板厚0.22 m，通過布置于鋼梁頂板上的圓柱頭剪力釘與鋼梁結合后共同受力。

　　2 有限元分析模型

　　利用MIDAS Civil軟件，根據廟嘴長江大橋的設計圖紙建立全橋模型，如圖3所示，基本結構體系的相關參數通過懸索橋建模助手輸入。加勁梁采用一般梁單元模擬;混凝土橋面板采用實體單元模擬;主纜和吊索采用只受拉單元模擬;主纜與索塔頂部的連接選用邊界條件中的“剛性連接”來模擬;因不考慮加勁梁與混凝土橋面板的相對滑移，加勁梁與混凝土橋面板之間的連接選擇邊界條件中“彈性連接”的“剛性”屬性來模擬;其他約束條件采用建模助手默認屬性。將不同強度等級的纖維陶粒混凝土和纖維混凝土的基本性能參數[10]通過截面特性值自定義輸入。

　　建立全橋模型后，采用公路—Ⅰ級車輛荷載進行加載[11]

　　3 計算結果分析

　　3.1 結構基頻

　　利用全橋模型，采用特征值向量Lanczos方法[12]，分析結構在其自重作用下的自振特性，提取每個模型的前四階頻率和振型。不同混凝土條件下大橋自振頻率如表1所示。當橋面板采用LC40混凝土時，主橋的振型如圖4所示。其他強度混凝土條件下主橋的自振振型與LC40類似。

　　根據表1的計算結果可知，采用不同混凝土橋面板時，結合梁懸索橋的結構自振頻率均較小，周期在10 s左右。分析表1和圖4還可以得出以下結論：①當主橋橋面板采用不同類型及強度的混凝土時，主橋的自振頻率存在明顯差異，采用纖維陶粒混凝土橋面板時，主橋的自振頻率明顯高于混凝土橋面板的自振頻率。以一階振型的自振頻率為例，采用LC40、LC45、LC50的陶粒混凝土時，相對于普通混凝土橋面板條件，自振頻率分別提高了6.6%、5.7%、5.5%。可見，采用纖維陶粒混凝土橋面板后，主橋的抗震性能得到了明顯提升。

　　3.2 主纜拉力

　　根據特征值運行結果輸入結構基頻，得到采用不同混凝土橋面板時懸索橋在自重、自重+汽車荷載共同作用下主纜的拉力最大值和最小值，如表2所示。

　　結果表明，橋面板混凝土的類型對懸索橋主纜的拉力影響較大，采用纖維陶粒混凝土橋面板時，主纜的最大拉力下降明顯。在自重作用下，采用LC40橋面板時最大拉力比C40低12.16%，LC45比C45低11.39%，LC50比C50低11.08%;在自重+汽車荷載作用下，采用LC40橋面板時比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。由此可見，采用纖維混凝土橋面板后，懸索橋主纜的受力性能得到了顯著改善。

　　3.3 吊索拉力

　　根據模型計算結果，當采用不同混凝土的橋面板時，懸索橋吊索在自重、自重+汽車荷載共同作用時所受拉力如表3所示。

　　對比分析表2和表3可知，橋面板采用不同混凝土時，懸索橋吊索所受拉力的變化情況與主纜類似，在自重作用下變化更為顯著。從表3可以看出，在自重作用下，吊索最大拉力對比情況為：LC40比C40低16.68%，LC45比C45低15.62%，LC50比C50低15.19%;在自重+汽車荷載作用下，吊索最大拉力對比情況為：LC40比C40低14.93%，LC45比C45低13.99%，LC50比C50低13.60%。此外，吊索最小拉力也有較大幅度的降低。因此，采用纖維混凝土橋面板可顯著提高懸索橋吊索的受力性能。

　　4 結論

　　依托廟嘴長江大橋主橋(懸索橋)工程，建立有限元分析模型，分別計算出橋面板采用不同強度的纖維陶粒混凝土、普通混凝土時主橋受力情況，得出如下結論。

　　①采用纖維陶粒混凝土橋面板時，懸索橋的自振頻率明顯高于混凝土橋面板，其一階自振頻率可提高約6%，說明采用纖維陶粒混凝土橋面板后，懸索橋的抗震性能得到了明顯提升。

　　②在自重作用、自重+汽車荷載作用下，采用纖維陶粒混凝土橋面板時，主纜所受最大拉力較普通混凝土橋面板可降低10%以上，可見，采用陶粒混凝土橋面板可顯著改善懸索橋主纜的受力性能。

　　③采用纖維陶粒混凝土橋面板時，吊索所受最大拉力較普通混凝土橋面板小，在自重作用下可降低15%以上，在自重+汽車荷載作用下可降低13%以上，可見，采用陶粒混凝土橋面板可顯著提高懸索橋吊索的受力性能。

　　參考文獻：

　　[1]聶建國.鋼-混凝土組合結構橋梁[M].北京：人民交通出版社，2011：3-10.

　　[2]白曉紅，白國良.新型鋼-混凝土組合結構的應用與展望[J].工業建筑，2006(增刊1)：521-527.

　　[3]魏凱，袁萬城，曹新建.組合結構橋梁抗震潛力及性能研究[J].工程力學，2010(增刊1)：275-279.

　　[4]侯忠明，王元清，夏禾，等.移動荷載作用下的鋼-混簡支結合梁動力響應[J].吉林大學學報(工學版)，2015(5)：1420-1427.

　　[5]蔣思晨，白冰，張鵬遠，等.CF-PF混雜纖維輕骨料混凝土抗凍性能試驗[J].北京交通大學學報，2014(3)：97-101.

　　[6]蔣思晨，李曉麗，張鵬遠，等.不同幾何尺寸CF/PF混雜纖維輕骨料混凝土試驗研究[J].硅酸鹽通報，2012(5)：1096-1100.

　　[7]姜猛，郭志昆，陳萬祥，等.混雜纖維輕骨料混凝土抗沖擊壓縮特性研究[J].混凝土，2015(11)：75-78.

　　[8]聶俊青，傅國寧.三塔四垮結合梁懸索橋靜力分析研究[J].城市道橋與防洪，2016(4)：68-86.

　　[9]張立新，趙元炎，袁慶華，等.廟嘴長江大橋工程建設方案比選[J].世界橋梁，2015(3)：5-9.

　　[10]邱志成.結合梁纖維陶粒混凝土橋面板力學性能分析[D].武漢：武漢科技大學，2017：27-41.

　　[11]中交公路規劃設計院.公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

　　[12]張盛，方杰，張洪武，等.基于多重多級動力子結構的Lanczos算法[J].振動與沖擊，2012(6)：23-47.

　　推薦閱讀：混凝土應力學論文發表期刊