典型宽斜梁桥结构优化与受力分析

王俊侠

（江苏森尚工程设计研究院有限公司，江苏 无锡 214031）

0 引言

近年来随着城市建设发展日益完善，各个城市路网规划也趋于完善，桥梁服从规划路网思维模式在城市道路建设中越来越普遍。城市道路功能要求比较多，要设置人行道、非机动车道、绿化带、机动车道及中央分隔带，城市道路要满足不同路权分配，宽度相对较窄；城市空间布局较为紧凑，桥梁布置受河道、规划道路及周边构筑物的影响。实践中，宽斜梁桥在城市桥梁中的选用优势突出。南通市圩角河桥斜角为55°，桥面单幅正宽18m，斜宽约31.4m，该桥最大桥跨径35m，是典型的宽斜梁桥，本文对其桥梁结构的优化与受力状态进行分析。

1 项目概况和技术标准

丝绸路从江海路起向西跨越圩角河，至富江路，规划断面40m。其中圩角河为内河七级航道，最高通航水位2.10m（黄海高程），桥位处水面宽度约58.1m，线路中心线与航道中心线斜交145°，圩角河两侧均规划有一条景观行车道。该桥桥位距起点江海路交叉口只有220m，纵坡对桥型选择影响很大。桥梁桥跨布置为28m+35m+28m，全桥长97.06m。桥梁结构形式采用整体现浇连续混凝土刚构形式。下部结构桥墩采用板式墩、桥台采用扶壁式桥台，基础均为钻孔灌注桩。

道路等级设计荷载：城市主干道；设计行车速度：50km/h；桥梁标准横断面：40（m）=5.25m（人行道）+4.25m（非机动车道）+8m（机动车道）+5m（中央分隔带）+8m（机动车道）+4.25m（非机动车道）+5.25m（人行道）；设计荷载：城-A，人群3.5kN/m2；通航标准：七级航道，通航净宽18.0m，净空2.5m，最高通航水位2.10m（黄海高程）；地震裂度：按基本烈度6度设防。

2 桥梁方案与结构优化

圩角河桥斜角角度达到55°，桥面单幅正宽18m，斜宽约31.4m，而最大桥跨斜向只有35m，是典型的宽斜梁桥，针对该桥方案，我院多次聘请专家讨论，综合考虑桥梁外观、施工难度、工程造价等因素，最终确定采用预应力混凝土连续刚构。

2.1 初定桥梁断面

桥型方案确定以后，初拟定的桥梁上部结构采用整体式空心板断面，在桥墩处设置4m的中横梁，横梁斜向布置如图1所示。

图1 桥梁横断面（单位：cm）

2.2 方案计算

通过对整体板以上诸多受力点进行了平面计算和空间计算。通过平面计算出桥梁的正常使用状态应力和极限承载能力均能满足规范要求。空间计算具体如下：为满足设计要求，取3个控制截面分别计算1#墩顶最大拉应力、一跨跨中下缘及二跨跨中下缘最大拉应力。

（1）工况一。结构自重：γ=2600kg/m3；桥面铺装：50kN/m，防撞护栏：10kN/m，人行道栏杆及人行道板：10kN/m，外侧花盆：6kN/m；支座沉降6mm；整体升温20℃；顶底板负温差；一、二两跨三车道满载外偏设置，荷载集度按城A取值。工况一1＃墩墩顶正应力图如图2所示。

图2 工况一

（2）工况二。结构自重：γ=2600kg/m3；桥面铺装：50kN/m，防撞护栏：10kN/m，人行道栏杆及人行道板：10kN/m，外侧花盆：6kN/m；4 支座沉降6mm；整体升温20°；顶底板正温差；一、三两跨三车道满载外偏设置，荷载集度按城A 取值。工况二第一跨跨中截面正应力图如图3所示。

图3 工况二

（3）工况三。结构自重：γ=2600kg/m3；桥面铺装：50kN/m，防撞护栏：10kN/m，人行道栏杆及人行道板：10kN/m，外侧花盆：6kN/m；3 支座沉降6mm；整体降温20℃；顶底板正温差；第二跨三车道满载外偏设置，荷载集度按城A 取值。工况三第二跨跨中截面正应力图如图4所示。

图4 工况三

2.3 计算结果

桥梁平面杆系和空间计算结果表明整体板横桥向正应力及竖向正应力都偏大，达2MPa左右；在最不利荷载作用下，端横梁靠近锐角及钝角处支座存在脱空的可能。根据计算结果发现采用整体式空心板存在如下问题：

（1）这种断面空心圆顶部容易出现裂缝（纵向）；

（2）这种挖空方式应力集中现象比较严重，夏天温差影响颇大，一般比规范要大5～6倍（试验测量）；

（3）这种断面刚度分配不太均匀，横向刚度差异较大，纵向刚度分部不均匀，易开裂；

（4）斜角角度较大的结构形式纵向预应力对桥梁下部构造会产生扭转效应。

2.4 调整断面

针对整体式空心板断面在斜角角度较大的结构中存在的诸多问题，对桥梁结构进行如下优化：

（1）为了减少宽斜梁桥受力上的不均衡，设计过程中将上部结构整体板式结构改成开口的箱型截面；

采用标准筛分实验分析第⑩土层全风化片麻岩颗粒组成，如表6所示。该土层颗粒一般含砾丰富，颗粒也以粗粒组中的砂为主，砂粒级含量平均达61.4%，细粒组平均含量达14.9%。按照GB/T50145-2007划分其工程分类，该土层基本属于粉土质砂，个别为粘土质砂。

（2）为了避免小箱梁发生平面转动，造成落梁事故，设计工程将结构调整为连续刚构，桥墩采用实体墩；

（3）为了减少结构在锐角处的应力集中现象，在上部箱梁结构锐角处设置倒角，在埋置于下部的承台两端设置成倒角，这样可以减少一部分的应力集中给结构带来的受力不均匀。

最终桥梁横断面如图5所示。

图5 最终桥梁横断面（单位：cm）

由图5 可看出调整后的结构形式：单幅桥顶板宽18.5m，底板宽17.5m，顶板与底板与道路横坡一致，梁体在纵向为变高，梁高由1.4～2.6m按圆曲线变化；横向有6片小箱梁，每片箱梁间距3.12m，边板悬臂50cm，箱梁顶板厚度均18cm，底板厚度正常段为18cm，腹板厚度40cm。梁体内纵向设置预应力钢束，采用两端张拉。主梁桥墩采用板式桥墩下设承台，下接8×Ф150cm单排桩。

3 桥梁结构受力分析

圩角河桥斜角为55°，桥面单幅正宽18m，斜宽约31.4m，该桥最大桥跨径35m，是典型的宽斜梁桥，单纯的平面计算已经不能很好地真实地反映该桥的受力状态。故在设计过程中分别用平面杆系和空间实体单元对该桥受力情况进行了多方位的分析和计算。

3.1 平面杆系计算

对主梁进行了承载能力验算、持久状态正常使用状态验算、持久状态和短暂状态应力计算。

该桥主梁采用预应力混凝土小箱梁，结构连续的刚构形式，正常段梁高1.40m（小箱梁顶底板均采用2.0%的横坡），支点处梁高2.5m变化、桥面全宽18.0m，顶板厚0.18m，底板为变厚度，腹板厚0.4m。端横梁1.743m，中横梁4.0m。按部分预应力混凝土A 类构件进行验算。本次计算将下部桩基一起模拟进去计算，桩基根据地下土层的地基土比例系数m计算出桩基水平方向的弹簧刚度，给每个桩基单元加上一个水平弹簧约束，桩基考虑地下15m的深度，由于顺桥向为单排桩桩基底缘设置竖向支撑。主梁按平面杆系单元承载能力、正常使用极限状态均满足部分预应力混凝土A类构件的规范要求。

3.2 空间实体模型计算

由于圩角河桥是典型的宽斜梁桥，呈现出很强的空间受力特性，故对该桥进行空间建模验算是必需的。

3.2.1 计算模型的建立

对于该桥空间模型的建立，不仅要考虑上部结构采用何种单元模拟，还要考虑预应力和下部桩基的模拟。

常用的空间建模手段主要有空间梁格体系、空间板壳体系、空间实体模型体系三大类，空间梁格体系可直接得到设计需要的各控制截面的荷载内力，用于设计方便实用，但不能反映局部结构受力状态；空间板壳体系对于薄壁箱梁的模拟较为准确，但对实体墩的模拟显得有些粗糙；空间实体模型体系可全面地反映结构的受力状态，并能反映出局部受力特点，然而模型的建立最为复杂且相对计算时间成本最大。

由于该桥为预应力连续刚构体系，且中间薄壁实体墩相对梁刚度较大，其与小箱梁的连接部位应为重点研究对象之一。为确保计算尽量准确，本文采用了空间实体单元对上部结构（包括实体墩）进行了建模，下部桩基采用空间梁单元模拟，在梁与实体相接处采用刚臂处理。

在实体模型的建立中，最难准确考虑的是纵向预应力的模拟，为此，本文采用了两种常用模拟预应力效应的方法进行对比分析：（1）等效荷载法，将平面计算得到的有效预应力转化为荷载作用在实体单元的各个截面上；（2）初应变法，运用杆单元的初应变功能直接建立预应力束并将其与实体相接部位的节点自由度耦合（即假设为有粘结预应力）。通过对初始空心板截面两种方法计算结果的对比，发现结果基本一致，故在改进后结构的计算中，采用了其中一种建模相对快捷的初应变法进行分析计算。全桥空间计算模型如图6所示。

图6 空间有限元模型

3.2.2 计算结果

该桥建模计算为满足设计要求，取3个控制截面分别计算1＃墩顶最大拉应力、边跨跨中下缘最大拉应力及中跨跨中下缘最大拉应力。3个控制截面的最不利效应分别对应3个不同的荷载工况,各控制截面的计算结果如图7~图9所示。

图7 1#墩顶正应力图（单位：Pa）

图8 边跨跨中正应力图（单位：Pa）

图9 中跨跨中正应力图（单位：Pa）

计算结果表明：墩顶两侧在其最不利荷载作用下最大拉应力达1.14MPa，最大压应力为6.38MPa，墩顶中间部分应力要比两侧小。边跨跨中在其最不利荷载作用下全截面受压，最大压应力达10.1MPa，最小压应力为1.27MPa，全截面应力比较均匀。中跨跨中在工况三荷载作用下全截面受压，最大压应力达8.95MPa，最小压应力为3.69MPa，应力从车行道侧到人行道侧递减。优化后箱型断面比原整体空心板断面应力明显均匀，这主要是两者横向刚度上的差别引起的。

4 桥梁设计过程中细部处理

（1）为了减少结构在锐角处的应力集中现象，在上部箱梁结构锐角处设置倒角，在埋置于下部的承台两端设置成直角，这样可以有效减少一部分的应力集中给结构带来的受力不均匀。

（2）圩角河桥两侧地块要开发，并且桥边孔下有汽车通道，为了不占用周围的地块，桥台前面和侧面均无法放坡，桥台须做扶壁式桥台。由于该桥斜角角度比较大，桥梁下部结构工程量很大，为了减少下部桥台工程量，降低工程造价，将桥台形式改为薄壁式桥台，薄壁式桥台承受水平力和水平弯矩的能力比较差，为了解决这个问题，台后填土采用了新型材料固化粉煤灰[1]。

5 结束语

该桥自2008年建成以来，已运营15年，桥梁结构状况良好。对其宽斜梁大角度受力进行了初步验算分析，这种大角度的斜梁受力十分复杂，计算模式、参数等虽然还比较粗略，但对指导设计、施工还是有参考价值。