宽体混凝土主梁斜拉桥计算方法研究

李 健

（四川省公路规划勘察设计研究有限公司，四川 成都 610041）

1 引言

随着城市化进程快速发展，市政桥梁中宽度在36m以上的宽体斜拉桥越来越多，为提高主梁纵、横向刚度，宽体混凝土主梁斜拉桥首选双边箱主梁结构形式。除晏辉煌[1]依托武汉某特大桥（主梁宽43.6m）采用比拟杆法研究了双边箱的剪应力滞分布特征，并通过局部阶段模型验证了结果的正确性以外，曹新垒等[2-10]均采用ANSYS 有限元软件建立斜拉桥主梁的实体模型，研究施工、成桥状态下斜拉桥主梁受力特点，这种计算方法虽得到的结果可信度高，但存在两个制约生产效率的问题：一是需要建立实体模型的工作量太大，对斜拉桥这种施工过程受力、变形复杂，且施工过程的受力和变形累加直接影响成桥应力和线型的结构，如每个施工阶段均单独建模，完成全桥计算可能需要建立几十乃至百个独立模型，整个项目设计工作中建模工作量非常大；二是计算结果处理非常困难，采用ANSYS程序进行斜拉桥计算，无论是每个施工阶段之间结构受力、变形等计算结果的传递，还是成桥阶段不同荷载效应的组合，数据分析、整理均需人工辅助完成，增加了计算工作量和计算结果的处理难度。随着桥梁计算分析软件的成熟，结合国内学术界多年来对宽体混凝土斜拉桥计算的研究成果，本文尝试采用MIDAS 软件分别建立宽体混凝土主梁斜拉桥的全桥和主梁横隔板的空间杆模型，按规范要求分施工阶段和成桥阶段，对不同荷载组合下的双边箱主梁、主梁横隔板的承载能力、抗裂性分别进行计算，确定主梁尺寸和预应力布置等结构参数，并将采用MIDAS 程序进行纵横向计算确定的主梁结构参数与已建的五河口大桥主梁进行对比，验证采用MIDAS软件设计建立斜拉桥纵、横向空间杆模型对宽体混凝土主梁斜拉桥计算方法的可行性和计算结果的可靠性。

2 工程概况

某宽体混凝土主梁斜拉桥为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，主桥跨径组成为32m+85m+300m+85m+32m，桥型布置如图1所示。

图1 主桥桥型布置图（m）

主梁采用如图2所示的带加劲肋的双边箱断面，主梁中心高3.2m，宽39.1m，桥面板厚0.3m，桥面板设2%的双向横坡。全桥共划分为109个梁段，分为索塔区现浇段、标准梁段、边跨现浇段和边中边跨合拢段等4 种梁段类型。索塔为花瓶型，塔高146.872m，下塔柱为单箱三室墙式断面，高度为11.572m；中塔柱高45m，纵桥向宽度8m～9.5m，横桥向宽度5.6m；上塔柱高75.3m，纵桥向宽度8m，横桥向宽度4.8m。

图2 主梁一般布置图（cm）

斜拉索采用环氧涂层钢绞线，每个桥塔设置24 对斜拉索，全桥拉索共192根。斜拉索在主塔上的间距分别为4.0m+3.0m+2.5m+2.7m+19×2.2m，在中跨主梁上的间距分别为10.0m+23×6m，在边跨主梁上的间距分别为10.0m+13×6m+10×2.5m。

主梁采用C60 混凝土，宽度为0.25m 风嘴+2.0m 人行道+1.3m斜拉索锚固区＋0.5m防撞栏杆+3.0m紧急停车带＋3×3.75m 行车道＋0.5m 左侧路缘带+1.5m 中央分隔带＋0.5m右侧路缘带+3×3.75m行车道+3.0m紧急停车带+0.5m防撞栏杆＋1.3m斜拉索锚固区+2.0m人行道+0.25m 风嘴＝39.1m。桥梁采用公路-Ⅰ级荷载，按双向六车道设计；地震烈度Ⅷ，按Ⅸ设防。

3 计算方法研究

桥梁设计计算采用有限元分析软件MIDAS/CIVIL计算，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）（以下简称桥规JTGD60）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）（以下简称桥规JTGD62）等现行规范进行计算。计算模型包含618 个单元，809节点，其中斜拉索采用只受拉单元模拟，其余全部单元采用梁单元模拟。本桥为半飘浮体系，主梁在索塔和过渡墩处均设竖向约束；在索塔处设置横向抗风支座，索塔塔柱与主梁间采用横向约束，索塔塔柱底采用固定约束，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

3.1 主梁纵向计算

3.1.1 主要施工阶段结构计算结果

根据本桥主梁施工方案，主梁施工过程中有5种状态控制主梁结构安全，第一种状态是主梁施工阶段挂第一对斜拉索时，主梁施工方式从搭架现浇转换为挂篮悬浇时的状态，第二种状态是主梁第八阶段施工完成后主梁处于最大双悬臂时的状态，第三种状态是边跨合拢后中跨大单悬臂时的状态，第四种是中跨合拢后主梁完成结构体系转换时的状态，第五种是成桥时的状态。采用MIDAS 程序对上述5 种控制状态时主梁上下缘应力进行计算，计算结果如图4～图8所示，经计算满足桥规JTGD62等规范要求，主梁在施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力均小于0.7 倍短暂状况施工阶段混凝土轴心抗压、抗拉强度标准值。

图4 对称悬浇2#梁段张拉斜拉索后主梁上下缘正应力（MPa）

图5 对称悬浇8#梁段张拉斜拉索后主梁上下缘正应力（MPa）

图6 边跨合龙施工阶段主梁上下缘正应力（MPa）

图7 中跨合龙施工阶段主梁上下缘正应力（MPa）

图8 成桥阶段主梁上下缘正应力（MPa）

3.1.2 成桥阶段结构承载能力计算结果

根据前述规范要求，对在基本弯矩组合作用下的主梁抗弯承载能力和抗剪承载力进行计算，计算结果如图9、图10 所示，构件正截面抗弯承载力均大于作用效应的组合设计值，且有一定的富余；构件斜截面抗剪承载力均大于作用效应的组合设计值，且绝大部分截面安全系数均较大；截面承载能力满足桥规JTGD62的相关要求。

图9 主梁正截面抗弯承载力包络图（kN·m）

图10 主梁斜截面抗剪承载力包络图（kN·m）

3.1.3 成桥阶段结构正常使用状态计算结果

为确保成桥在各种荷载组合下结构安全，对全桥在使用过程中可能发生荷载组合下，对主梁截面抗裂、抗压等进行验算。

①对持久状况短期效应组合下主梁正截面抗裂性、斜截面抗裂等性能进行验算，计算结果如图11、图12 所示。主梁最小压应力储备为1.04 MPa，均未出现拉应力；主梁最大主拉应力为0.42MPa，均小于规范限值1.14MPa；主梁正、斜截面抗裂验算满足桥规JTGD62相关要求。

图11 主梁短期效应组合下上下缘正应力（MPa）

图12 主梁短期效应组合下最大主拉应力（MPa）

②对持久状况标准组合效应下主梁正截面混凝土的压应力进行验算，计算结果如图13所示。不计10年收缩徐变时标准组合下，主梁最大正截面压应力为18.6 MPa；计10年收缩徐变时标准组合下，主梁正截面压应力为16.8 MPa，均小于规范限值19.25MPa，主梁持久状况正截面压应力验算满足桥规JTGD62相关要求。

图13 主梁标准组合下最大压应力（MPa）

3.2 主梁横向计算

主梁横隔板有4种类型，标准段横隔板厚度45cm，索塔顶横隔板厚200cm，辅助墩顶横隔板厚250cm，交界墩顶横隔板厚380cm，采用MIDAS 建立空间杆模型，对每种横隔板进行正常使用极限状态、持久状况构件应力和承载能力极限状态强度进行验算，计算结果均满足规范要求。以标准段横隔板为例，计算模型划分为26 个单元和27 个节点，单元宽度按照桥规JTGD62中4.2.2 条取截面翼缘有效宽度，计算模型如图14 所示，计算结果如图15、图16 所示。经计算，主梁各横隔板在正常使用极限状况和持久状况作用下，正截面均未出现拉应力，斜截面主拉应力均小于1.425 MPa，正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力均大于作用效应的组合设计值，各横隔板的抗弯、抗剪承载能力满足桥规JTGD62相关要求。

图14 标准段横隔板有限元模型

图15 基本组合作用下正截面抗弯承载力包络图（kN·m）

图16 基本组合作用下斜截面抗剪承载力包络图（kN）

4 计算结果验证

本桥与已建成五河口斜拉桥的桥梁跨径、车道数量、荷载等级及主梁结构形式基本相同，因此将本桥计算确定的主梁截面尺寸、刚度、主要材料强度及用量等参数，与五河口大桥的相关参数进行比较，以验证计算方法的可行性和计算结果的可靠性，对比结果见表1。对比可知，二者主梁参数和刚度基本一致，证明采用MIDAS 程序对宽体混凝土主梁斜拉桥进行纵、横向计算的方法可行，计算结果可靠，但因新建大桥采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），新建大桥主梁个别参数比采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的五河口大桥略高。

表1 新建大桥与五河口大桥主梁参数对比表

5 结语

通过对比验证宽体混凝土主梁斜拉桥的两种计算方法可知，此类斜拉桥可采用MIDAS软件建立全桥、主梁横隔板的空间杆模型，通过对双边箱主梁进行纵、横向组合计算的方法进行设计计算，计算确定的主梁结构参数与采用ANSYS建立实体三维模型的方法确定的主梁结构参数基本一致，计算结果可信，计算方法相对简便，可在实际设计工作中推广应用。