混凝土箱梁带牛腿横梁结构受力分析

任秋云

江苏苏邑设计集团有限公司，江苏 南京 210000

预应力混凝土梁桥出现于20 世纪30 年代，并在50 年代以后取得了巨大发展。牛腿是梁托的别名，是一种外挑结构，为了满足承受力的要求，通常都把它做得足够粗大，形似牛腿。由于梁的相互搭接，中间还要设置传力支座来传递较大的竖直和水平反力，因此牛腿高度已削弱至不到梁高的一半，却又要传递较大的竖直和水平反力，这就使它成为上部结构中的薄弱部位。常见的牛腿形式主要有钢筋混凝土结构和钢结构，常规混凝土桥采用钢筋混凝土牛腿形式，主要考虑其刚度大、外观协调及养护简单。但其自重较大，尤其当挂梁为混凝土箱梁时，常规为两支座设计，支座反力较大，牛腿部位容易集中应力，设计中需要足够重视牛腿的构造。

1 工程概况

某工程主桥、引桥均采用等截面预应力混凝土连续箱梁，主桥梁高5m，引桥梁高2m，利用梁高差在主桥端横梁设置牛腿，引桥支座布置于牛腿上，通过横梁将荷载传递至桥墩。

主桥端横梁宽1.42m、高5m，牛腿宽1.28m、高2.6m，如图1 所示。引桥支座距牛腿边缘0.7m，主桥支座距牛腿边缘1.4m，横桥向支座间距均为12m，竖向位置对应布置，减少因横桥向支反力位置差异引起的横桥向应力。主桥箱梁采用三向预应力体系，均采用φS15.2mm 预应力钢绞线，其中桥面板横向预应力和竖向预应力均采用15-3 型φS15.2mm预应力钢绞线。横梁普通钢筋对应牛腿考虑增加抗剪箍筋、抗裂斜筋，牛腿顶层钢筋加强，防止局部受压开裂。

图1 主桥端横梁示意图（单位：m）

2 模型的建立

为消除边界条件对计算目标构件的影响，建模时节段长度为9.28m，建立端横梁的几何实体和预应力束。对端横梁模型进行网格划分，主梁部分材料定义为C55 混凝土，支座部分为钢材，网格大小为0.3m×0.3m。预应力筋使用自动划分网格线功能，长度为0.3m。

车辆荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）选取，采用偏载布置，车轮位于近伸缩缝位置。桥面二期恒载取4.3kN/m2，人行道二期恒载取2kN/m2。引桥传递的最不利集中力为8450kN。

3 计算结果

文章主要分析了车辆荷载和引桥支座反力共同作用下的端横梁受力特性。

3.1 结构变形

三向、竖向位移图如图2、图3 所示。由图2 可知，端横梁三向位移的最大值位于上翼缘，数值为1.16mm。由图2 可知，车辆荷载对实心部分的变形影响较小，对翼缘的变形影响较大。此外，支座传递的局部应力虽然已由支座截面分担为均布荷载但对混凝土主梁变形影响仍然较大。

图2 三向位移图（单位：mm）

3.2 正截面法向应力

纵桥向的正截面法向拉压应力如图4 所示。正截面最大拉应力为1.01MPa ＜1.89MPa；最大压应力为6.69MPa ＜ 24.4MPa。结构纵桥向正截面的拉压应力满足要求。

图3 竖向位移图（单位：mm）

图4 纵桥向正截面法向应力图（单位：MPa）

横桥向的正截面法向拉压应力如图5 所示。正截面最大拉应力为0.38MPa ＜1.89MPa；最大压应力为5.81MPa ＜ 24.4MPa。结构横桥向正截面的拉压应力满足要求。

竖向的正截面法向拉压应力如图6 所示。正截面最大拉应力为0.50MPa ＜1.89MPa；最大压应力为1.98MPa ＜ 24.4MPa。结构竖向正截面的拉压应力满足要求。

图5 横桥向正截面法向应力图（单位：MPa）

图6 竖向正截面法向应力图（单位：MPa）

3.3 斜截面主拉应力

结构抗裂验算主要关心的数据是构件的主应力，该模型出现最大主应力图如图7 所示。由图7 可知，由于承受三向预应力的作用箱梁应力分布复杂，不考虑锚固区局部影响最大主拉应力为2.68MPa ＞0.5MPa×2.74MPa=1.37MPa。

主拉应力超限区域图如图8 所示。由图8 可知，可以看出大体积的主应力超限区域主要集中在端横梁牛腿上缘支座附近。其余的应力集中区域体积较小，且主要集中在预应力锚固区和车辆荷载加载位置附近，可忽略。

图7 最大主拉应力图（单位：MPa）

图8 主拉应力超限区域图

总之，抗裂计算结果显示端横梁牛腿上缘出现较大体积的应力超限区域，应力超限区域位于引桥支座位置。

4 结论

文章采用空间有限元分析软件进行建模分析，通过对混凝土箱梁带牛腿横梁的结构变形、正截面法向应力及斜截面主拉应力进行计算分析，可以发现：（1）端横梁处预应力筋分布较密，预应力次内力对混凝土结构的受力存在一定影响。设计时可通过合理的预应力钢束的布置，特别是纵向预应力钢束的弯起位置及角度、横向预应力钢束的形状位置、竖向预应力钢束的加密设置等，减少预应力次内力的影响，增加横梁结构的变形、抗剪、抗裂能力；（2）牛腿上设置的引桥支座传递的支座反力使支座附近出现应力超限现象，进行类似工程设计时应注意加强抗裂措施，对横梁普通钢筋设置时对应牛腿位置应考虑增加抗剪箍筋、抗裂斜筋等。