寬幅大跨混凝土斜拉橋橫梁構(gòu)造與計算分析

王 琳

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

1 工程背景

繁華大道東延工程南淝河大橋主橋跨徑布置為(120+160)m，橋長280 m，橋?qū)?4 m，為寬幅獨塔雙索面斜拉橋，塔梁墩固結(jié)體系,如圖1所示。

圖1 南淝河大橋?qū)嵕皥D

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斷面，主塔采用鋼-混組合橋塔，下部采用圓形承臺接群樁基礎(chǔ)。本通航孔按限制性Ⅲ級航道考慮，通航孔凈空為87.5 m×8 m，由主橋160 m的主跨跨越，滿足通航凈空要求。

主塔采用帆船造型，由鋼筋混凝土主塔和鋼副塔組成，遠遠望去，大橋猶如揚帆起航的輪船矗立在南淝河上，氣勢磅礴，獨樹一幟。

2 橫梁構(gòu)造

本橋為塔墩梁固結(jié)體系，主塔間設(shè)置一道橫梁，橫梁采用箱形截面，長度為32.5 m，中心梁高6.0 m，寬度6.8 m。主梁采用雙邊箱結(jié)構(gòu)，梁高3.5 m，此處與其固結(jié)，橫梁孔與主梁雙邊箱對應(yīng)。橫梁預(yù)應(yīng)力采用54束φs15.24-19鋼絞線，水平通長布置，縱橫剖面如圖2所示。

圖2 主塔橫梁預(yù)應(yīng)力構(gòu)造縱橫斷面圖

主塔橫梁采用三向預(yù)應(yīng)力布置，除上圖所示橫梁預(yù)應(yīng)力外，還布置有主梁通長的縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力，受力狀態(tài)復(fù)雜。

3 橫梁計算

為研究主塔橫梁的受力特點，本文采用ANSYS軟件實體建模分析。

橫梁采用C50混凝土，選取橫梁前后各15 m建立節(jié)段模型。采用Solid 45號單元模擬，模型兩端采用剛域單元連接形心節(jié)點，以符合平截面假定，實體模型節(jié)點內(nèi)力從全橋桿細模型(MIDAS Civil)中提取，同時核對兩者反力一致，確保結(jié)果的準確性。具體如圖3、圖4所示。

圖3 模型選取示意圖

圖4 三維實體模型

因分析工況較多，本文選取分析成橋狀態(tài)下橫梁的受力情況,如圖5～圖12所示。

圖5 箱梁頂板主拉應(yīng)力

圖6 箱梁頂板主壓應(yīng)力

圖7 箱梁底板主拉應(yīng)力

圖8 箱梁底板主壓應(yīng)力

圖9 主塔豎向壓應(yīng)力

圖10 塔下橫梁主拉應(yīng)力

圖11 主塔豎向壓應(yīng)力剖面

圖12 塔下橫梁主壓應(yīng)力

根據(jù)ANSYS計算，選取部分結(jié)果，見表1。

表1 主塔橫梁計算結(jié)果表

4 構(gòu)造建議

根據(jù)計算結(jié)果，可有如下優(yōu)化建議可供同類橋梁參考：

(1)本項目采用的箱型截面橫梁，對于雙邊箱主梁的混凝土斜拉橋是適用的，可供同類型橋梁提供參考。

(2)對于無上塔柱橫梁的寬幅混凝土斜拉橋，需設(shè)置剛度較大的主塔下橫梁，同時可以設(shè)置副塔，提升塔柱尺寸，改善橋塔受力性能。

(3)本橋為混凝土主梁，橋?qū)?4 m，橫梁均設(shè)置大型號鋼絞線，錨固于雙邊箱的斜底板上，位置相對集中，集中應(yīng)力較大，達到5 MPa，應(yīng)注重橫向預(yù)應(yīng)力錨下鋼筋的設(shè)置。

(4)在主副塔交接處，由于存在混凝土銳角構(gòu)造，在荷載的作用下，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，最大豎向拉應(yīng)力為4 MPa，最大豎向壓應(yīng)力為20 MPa，設(shè)計時應(yīng)避免銳角構(gòu)造，各構(gòu)件過渡合理，同時對于難以更改的構(gòu)造，可增大鋼筋型號或設(shè)置鋼筋網(wǎng)片。

(5)在主塔和橫梁交接位置處出現(xiàn)最小的主拉預(yù)應(yīng)力，大小為4 MPa，設(shè)計時可酌情考慮交接位置處的構(gòu)造處理，適當(dāng)增大橋面配筋。

(6)主塔橫梁人孔附近出現(xiàn)2.5 MPa主拉應(yīng)力，設(shè)計時應(yīng)加強橫梁人孔配筋，合理選擇人孔尺寸，不宜過大，建議圓形人孔直徑80 cm，多邊形人孔100 cm×80 cm，同時各箱室均可通過人孔連通，方面檢修和內(nèi)模板的取出。

(7)主塔梁高6 m，在與主塔交接位置處設(shè)置了500 cm×80 cm的倒角，有效地增大了橫梁與塔柱的接觸面積，同時鈍角構(gòu)造有利于力的傳遞，從計算中可以看出此處應(yīng)力均勻，設(shè)置合理。

5 結(jié)束語

繁華大道東延南淝河大橋是寬幅獨塔雙索面斜拉橋，主塔橫梁作為塔墩梁固結(jié)體系的重要核心連接構(gòu)件，其在三向預(yù)應(yīng)力的作用下受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及鋼束配置十分關(guān)鍵。

本文采用有限元軟件ANSYS對主塔橫梁進行三維實體分析計算，明確了主塔橫梁整體構(gòu)造尺寸的合理性，得到各位置處的受力特點，對于存在應(yīng)力集中或受力過大的位置處給出合理的構(gòu)造建議和措施，對同類型橋梁的設(shè)計具有一定的參考意義。