大跨双主肋式斜拉桥面板受载抗裂性能仿真分析

龙 磊，肖 磊，龚睿民

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410001;2.九江市公路管理局直属分局，江西九江 332000;3.长沙拓正交通科技有限公司，湖南长沙 410001)

0 引言

双主肋式主梁的特点是明显减轻主梁的自重，使整个桥梁构造都更为轻盈和柔软，其截面形式也明显简单于封闭箱形截面，并且斜拉索可以直接锚固在边肋内，不需要设置专门的锚固装置，这让混凝土斜拉桥的设计和施工都得到了方便。跟其它梁式桥不同，这种体系下斜拉桥的主梁以承受沿桥纵向的压轴力为主，整个斜拉桥的受力特点则像是一个由主梁、索塔和斜拉索组成的一个庞大的三角形桁架，主梁在整个结构中起到一个受压杆的作用，与主要承受纵向弯矩的梁式桥不一样，桥梁跨径的增加对主梁高度的影响相对较小。双主肋式主梁是由边肋、桥面板和横隔梁构成，双主肋式主梁的边肋和横隔梁往往具有较大的刚度，桥面板则往往较薄，刚度较小，桥面板可以看出是一块四边支承的薄板。桥面板处于主梁上部直接承受着车辆荷载的作用，是主梁上对车辆荷载最为敏感的一个部位［1］。双主肋式主梁桥面板的主要受力特点是承受局部车辆荷载作用下产生的弯矩，大量科研学者对此展开了较多的研究，主要集中于受力分析及施工技术等方面［2－5］，而车辆荷载对双主肋式主梁桥面板的作用及其抗裂性能的研究还比较少［6，7］。

1 工程背景

某待建特大斜拉桥主梁采用双主肋式，混凝土强度标号为C60，主梁截面宽24.1 m，高2.7 m。主梁边肋分为有带底板翼缘截面和实体截面两种，底板翼缘的宽度为2.95 m，实体截面的宽度分别为2.95，3.25，4.15，4.85 m。主塔与主梁连接处在主梁施工过程中临时固结，全桥合拢后解除。斜拉桥斜拉索布置为双索面、扇形密索体系，每个主塔布有27 对空间索，主跨斜拉索在梁上的索距为7.8 m，边跨随着节段长度的变化，索距相应变化为6.5、5.5 m。斜拉索采用PES7－283、PES7－241、PES7－233、PES7－199、PES7－163、PES7－139 等6 种规格。锚具采用相应规格的PESM 冷铸锚。索塔外形为“钻石型”，混凝土强度标号为C50。下横梁以下塔高46 m，下横梁以上塔高111.6 m。上塔柱横向宽4.5 m，顺桥向宽7.2 m，中塔柱横桥向宽4.5 m，顺桥向宽7.2 ～8.8 m，下塔柱横桥向宽4.5 ～7.6 m，顺桥向宽8.8 ～10.8 m。桥面板厚度0.32 m，沿桥横向为17.2 m，沿桥纵向每个梁段是7.8 m。

2 斜拉桥面板抗裂性能数值分析

在许多混凝土桥梁的检测与加固中，混凝土裂缝是当中危害最广的病害。混凝土裂缝的产生会使外界的水分与混凝土内的钢筋接触，使钢筋腐蚀，从而导致钢筋的强度丧失和结构承载能力的下降。除此之外，混凝土裂缝还会影响结构的美观。

很多桥梁检测都发现混凝土斜拉桥，尤其是双主肋式主梁的桥面板出现了较为明显的沿车辆方向的纵向裂缝，而且裂缝宽度和长度往往超出了《公路桥涵施工技术规范》的规定。这种纵向裂缝在刚修建不久的桥梁中也会常常出现。各种数据表明纵向开裂(裂缝宽度一般在0.2 ～2 mm 内)是双主肋式主梁最为常见的问题之一。由于斜拉桥主要受纵向弯矩，且双主肋主梁的桥面板往往被当作单向板来看待，过去人们在设计时所关注的重点是桥面板下缘出现的沿桥宽方向的横向裂缝，对沿车辆方向的纵向裂缝受力性能及抗裂设计研究不多。

汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载主要用于桥梁结构的整体计算，车辆荷载主要用于桥梁结构的局部加载。本文建立主梁空间模型，选用车辆荷载。车辆荷载为一辆总重550 kN 的五轴车，其纵向和横向布置如图1、图2 所示。

图1 车辆荷载纵向布置

图2 车辆荷载横向布置(单位:m)

在主梁空间模型中，将车轮换算成面荷载施加在桥面板上。桥面板上有0.1 m 的铺装层厚度，所以轮子的长和宽都要各加0.1 m。该斜拉桥在桥横向设计了预应力筋，以集中力的形式模拟，整个有限元图形如图3 所示。

图3 考虑横向预应力筋的车辆布载图

通过ANSYS 的后处理可得到结构的最大横向拉应力为1.252 MPa。总的横向拉应力分布如图4所示。

图4 1 倍车辆荷载下的横向拉应力分布图

该斜拉桥主梁的混凝土采用的是C60 混凝土，设计抗拉强度为2.04 MPa，通过有限元分析可知主梁的抗拉强度在设计上满足要求。当把图3 的车辆荷载重量变成1.5 倍的时候，通过Ansys 后处理可得到结构的最大横向拉应力为1.878 6 MPa，小于C60 的抗拉强度。此时，从设计来说，不会产生混凝土纵向裂缝。总的横向拉应力分布如图5 所示。

图5 1.5 倍车辆荷载下横向拉应力分布图

当把图3 的车辆荷载重量变成2 倍的时候，通过Ansys 的后处理可得到结构的最大横向拉应力为2.505 3 MPa，大于C60 的抗拉强度，此时，结构将会被破坏。总的横向拉应力分布如图6 所示。

图6 2 倍车辆荷载下横向拉应力分布图

通过上面的3 次加载可以发现，当1 倍车辆荷载时，最大横向拉应力为1.252 MPa;当1.5 倍车辆荷载时，最大横向拉应力为1.878 6 MPa;当2 倍车辆荷载时，最大横向拉应力为2.505 3 MPa。近似的满足公式为y=1.252x。其中y 为最大横向拉应力(单位为MPa)，x 为车辆荷载的倍数。将C60 的抗拉设计强度2.04 MPa 带入上面公式，可得x=1.63。将图3 的车辆荷载重量变成1.63 倍的时候，通过Ansys 的后处理可得到结构的最大横向拉应力为2.041 6 MPa，刚刚大于C60 混凝土的设计抗拉强度。总的横向拉应力分布如图7 所示。通过以上分析可以得到，从设计角度来看斜拉桥的车辆荷载不超过1.63 倍车辆荷载的标准值为宜。

图7 1.63 倍车辆荷载下横向拉应力分布图

3 抗裂措施方案比选分析

从以上数值计算分析可知桥面底板纵向应力主要为压应力，横向出现较大的拉应力且应力分布位置及形式与最小主应力分布相同。在该桥设计中预应力钢绞线孔道中心间距0.16 m，底板的预应力束对底板下缘受力影响较大。而顶板横向预应力钢绞线采用内径60 mm×19 mm 的扁形波纹管，间距0.7～1.0 m。在进行抗裂设计时拟定以下3 种方案:①顶板横向预应力筋不变而底板纵向预应力筋由原19φ15.24 钢绞线降低其直径为15φ15.24 配束;②顶板横向预应力筋不变而底板纵向筋改为12φ 15.24;③底板纵向筋不变而顶板横向预应力筋由3φ15.24 改为2φ15.24。该桥底板翼缘的宽度为2.95 m，在合拢段布设应力计算特征值点如图8 所示。

图8 应力值点位置布设示意图

通过图9 与图10 可知，底板纵向筋的第1 主应力与横向应力要比顶板横向应力筋的影响程度要大，随着预应力筋束减小其应力值均有所减小。因此根据减小配束方案而降低第1 主应力及横向应力。通过3 方案与原方案的综合比较可知方案2(配束12φ15.24)的第1 主应力最大值为2.813 MPa，小于C60 混凝土抗拉标准强度值2.85 MPa，满足施工结构可靠度要求。

图9 各位置与第1 主应力关系图

图10 各位置与横向应力关系图

4 结论

通过在建斜拉桥桥面板的在纵向支点截面最不利车辆荷载布载下桥面板的纵向裂缝进行了分析，得到了以下结论:桥面板在纵向支点最不利车辆荷载布载下的最大横向拉应力为1.252 MPa，斜拉桥主梁的混凝土为C60，设计抗拉强度为2.04 MPa，因此桥面板从设计角度出发不会产生纵向裂缝。当车辆荷载超过1.63 倍车辆荷载的标准值时，桥面板可能会出现纵向裂缝。通过方案计算分析，建议采用底板纵向配束20 根12φ15.24 预应力钢筋束，顶板横向配筋采用2φ15.24，初始张拉应力为75%标准强度。

［1］刘 伟.双主肋宽体斜拉桥主梁纵向变形协调研究［D］.西安:长安大学，2012.

［2］黄文通.具有大边肋截面的混凝土斜拉桥主梁的二维温度效应分析［J］.中外公路，2012，32(5):146－149.

［3］熊 佳.横隔板横肋式钢箱梁与砼梁混合斜拉桥施工计算和钢箱梁计算［D］.成都:西南交通大学，2012.

［4］熊治华，刘永健，宋松林，等.大跨组合斜拉桥梁腹板及加劲肋合理设计［J］.桥梁建设，2014，44(5):103－107.

［5］何志芬，梁 才，欧阳平.PC 斜拉桥肋板式主梁截面优化分析［J］.公路交通科技(应用技术版)，2014(4).

［6］樊 帅.大跨度组合梁斜拉桥辅助墩区桥面板受力研究［J］.湖南交通科技，2015，41(1):109－111.

［7］李晗之.预应力混凝土桥简支箱梁静载弯曲抗裂试验研究［J］.湖南交通科技，2010，36(1):74－76.