摘 要：本文以廟嘴長(zhǎng)江大橋?yàn)槔⒂?jì)算模型，分別對(duì)不同等級(jí)纖維陶粒混凝土結(jié)合梁橋面板、普通纖維混凝土結(jié)合梁橋面板進(jìn)行對(duì)比，分析懸索橋在自重、自重+汽車(chē)荷載作用下的基頻、主纜拉力、吊索拉力等性能指標(biāo)。結(jié)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(chē)荷載作用)。可見(jiàn)，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(guān)鍵詞：結(jié)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(shù)難點(diǎn)，例如，結(jié)構(gòu)易屈曲發(fā)生失穩(wěn)破壞，材料力學(xué)性能無(wú)法充分發(fā)揮導(dǎo)致利用率偏低，鋼橋面板容易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂破壞，鋼橋面板與橋面鋪裝結(jié)合能力較差等[1]。鋼-混凝土結(jié)合梁可充分利用材料性能，較傳統(tǒng)鋼橋面在力學(xué)性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2-4]。纖維陶粒混凝土較普通混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jié)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(jié)省材料的應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展方向，達(dá)到增加橋梁跨徑或提高承載力儲(chǔ)備的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，對(duì)結(jié)合梁橋的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用均獲得了較多成果[8]，但將纖維陶粒混凝土應(yīng)用于結(jié)合梁橋橋面板并對(duì)其進(jìn)行整體受力分析的研究卻較少。

　　本文以廟嘴長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘舜髽虻娜珮蛴邢拊治瞿Ｐ停謩e考慮自重、自重+車(chē)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(duì)全橋的結(jié)構(gòu)基頻、主纜拉力及吊索拉力的影響，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

　　1 廟嘴長(zhǎng)江大橋工程概況

　　宜昌市廟嘴長(zhǎng)江大橋橋面長(zhǎng)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(jié)合梁懸索橋[9]。廟嘴長(zhǎng)江大橋立面布置如圖1所示。

　　廟嘴長(zhǎng)江大橋主要結(jié)構(gòu)包括主塔、吊索、主纜、加勁梁。主塔高107 m，為門(mén)形框架結(jié)構(gòu)，包括上橫梁、塔柱、支墩三部分。其中，上橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱和支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。吊索采用銷(xiāo)接式結(jié)構(gòu)，吊索上端通過(guò)叉形耳板與索夾連接，下端通過(guò)叉形耳板與鋼箱梁上的耳板連接。吊索采用預(yù)制平行鋼絲束。主纜采用預(yù)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(chēng)抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)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(jié)合梁，由鋼梁和混凝土橋面板通過(guò)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(cè)的鋼主梁通過(guò)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(gè)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(jié)構(gòu)，混凝土橋面板全寬25.0 m，板厚0.22 m，通過(guò)布置于鋼梁頂板上的圓柱頭剪力釘與鋼梁結(jié)合后共同受力。

　　2 有限元分析模型

　　利用MIDAS Civil軟件，根據(jù)廟嘴長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)圖紙建立全橋模型，如圖3所示，基本結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)參數(shù)通過(guò)懸索橋建模助手輸入。加勁梁采用一般梁?jiǎn)卧M;混凝土橋面板采用實(shí)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(lái)模擬;因不考慮加勁梁與混凝土橋面板的相對(duì)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(lái)模擬;其他約束條件采用建模助手默認(rèn)屬性。將不同強(qiáng)度等級(jí)的纖維陶粒混凝土和纖維混凝土的基本性能參數(shù)[10]通過(guò)截面特性值自定義輸入。

　　建立全橋模型后，采用公路—Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載進(jìn)行加載[11]

　　3 計(jì)算結(jié)果分析

　　3.1 結(jié)構(gòu)基頻

　　利用全橋模型，采用特征值向量Lanczos方法[12]，分析結(jié)構(gòu)在其自重作用下的自振特性，提取每個(gè)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(dāng)橋面板采用LC40混凝土?xí)r，主橋的振型如圖4所示。其他強(qiáng)度混凝土條件下主橋的自振振型與LC40類(lèi)似。

　　根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可知，采用不同混凝土橋面板時(shí)，結(jié)合梁懸索橋的結(jié)構(gòu)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(jié)論：①當(dāng)主橋橋面板采用不同類(lèi)型及強(qiáng)度的混凝土?xí)r，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(shí)，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?xí)r，相對(duì)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(jiàn)，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(jù)特征值運(yùn)行結(jié)果輸入結(jié)構(gòu)基頻，得到采用不同混凝土橋面板時(shí)懸索橋在自重、自重+汽車(chē)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(jié)果表明，橋面板混凝土的類(lèi)型對(duì)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(shí)，主纜的最大拉力下降明顯。在自重作用下，采用LC40橋面板時(shí)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(chē)荷載作用下，采用LC40橋面板時(shí)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(jiàn)，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(jù)模型計(jì)算結(jié)果，當(dāng)采用不同混凝土的橋面板時(shí)，懸索橋吊索在自重、自重+汽車(chē)荷載共同作用時(shí)所受拉力如表3所示。

　　對(duì)比分析表2和表3可知，橋面板采用不同混凝土?xí)r，懸索橋吊索所受拉力的變化情況與主纜類(lèi)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(duì)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(chē)荷載作用下，吊索最大拉力對(duì)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(jié)論

　　依托廟嘴長(zhǎng)江大橋主橋(懸索橋)工程，建立有限元分析模型，分別計(jì)算出橋面板采用不同強(qiáng)度的纖維陶粒混凝土、普通混凝土?xí)r主橋受力情況，得出如下結(jié)論。

　　①采用纖維陶粒混凝土橋面板時(shí)，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(shuō)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(chē)荷載作用下，采用纖維陶粒混凝土橋面板時(shí)，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(jiàn)，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(shí)，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(chē)荷載作用下可降低13%以上，可見(jiàn)，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。

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