寬體混凝土主梁斜拉橋計算方法研究

李 健

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究有限公司，四川 成都 610041）

1 引言

隨著城市化進程快速發(fā)展，市政橋梁中寬度在36m以上的寬體斜拉橋越來越多，為提高主梁縱、橫向剛度，寬體混凝土主梁斜拉橋首選雙邊箱主梁結(jié)構(gòu)形式。除晏輝煌[1]依托武漢某特大橋（主梁寬43.6m）采用比擬桿法研究了雙邊箱的剪應(yīng)力滯分布特征，并通過局部階段模型驗證了結(jié)果的正確性以外，曹新壘等[2-10]均采用ANSYS 有限元軟件建立斜拉橋主梁的實體模型，研究施工、成橋狀態(tài)下斜拉橋主梁受力特點，這種計算方法雖得到的結(jié)果可信度高，但存在兩個制約生產(chǎn)效率的問題：一是需要建立實體模型的工作量太大，對斜拉橋這種施工過程受力、變形復雜，且施工過程的受力和變形累加直接影響成橋應(yīng)力和線型的結(jié)構(gòu)，如每個施工階段均單獨建模，完成全橋計算可能需要建立幾十乃至百個獨立模型，整個項目設(shè)計工作中建模工作量非常大；二是計算結(jié)果處理非常困難，采用ANSYS程序進行斜拉橋計算，無論是每個施工階段之間結(jié)構(gòu)受力、變形等計算結(jié)果的傳遞，還是成橋階段不同荷載效應(yīng)的組合，數(shù)據(jù)分析、整理均需人工輔助完成，增加了計算工作量和計算結(jié)果的處理難度。隨著橋梁計算分析軟件的成熟，結(jié)合國內(nèi)學術(shù)界多年來對寬體混凝土斜拉橋計算的研究成果，本文嘗試采用MIDAS 軟件分別建立寬體混凝土主梁斜拉橋的全橋和主梁橫隔板的空間桿模型，按規(guī)范要求分施工階段和成橋階段，對不同荷載組合下的雙邊箱主梁、主梁橫隔板的承載能力、抗裂性分別進行計算，確定主梁尺寸和預應(yīng)力布置等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將采用MIDAS 程序進行縱橫向計算確定的主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與已建的五河口大橋主梁進行對比，驗證采用MIDAS軟件設(shè)計建立斜拉橋縱、橫向空間桿模型對寬體混凝土主梁斜拉橋計算方法的可行性和計算結(jié)果的可靠性。

2 工程概況

某寬體混凝土主梁斜拉橋為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，主橋跨徑組成為32m+85m+300m+85m+32m，橋型布置如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置圖（m）

主梁采用如圖2所示的帶加勁肋的雙邊箱斷面，主梁中心高3.2m，寬39.1m，橋面板厚0.3m，橋面板設(shè)2%的雙向橫坡。全橋共劃分為109個梁段，分為索塔區(qū)現(xiàn)澆段、標準梁段、邊跨現(xiàn)澆段和邊中邊跨合攏段等4 種梁段類型。索塔為花瓶型，塔高146.872m，下塔柱為單箱三室墻式斷面，高度為11.572m；中塔柱高45m，縱橋向?qū)挾?m～9.5m，橫橋向?qū)挾?.6m；上塔柱高75.3m，縱橋向?qū)挾?m，橫橋向?qū)挾?.8m。

圖2 主梁一般布置圖（cm）

斜拉索采用環(huán)氧涂層鋼絞線，每個橋塔設(shè)置24 對斜拉索，全橋拉索共192根。斜拉索在主塔上的間距分別為4.0m+3.0m+2.5m+2.7m+19×2.2m，在中跨主梁上的間距分別為10.0m+23×6m，在邊跨主梁上的間距分別為10.0m+13×6m+10×2.5m。

主梁采用C60 混凝土，寬度為0.25m 風嘴+2.0m 人行道+1.3m斜拉索錨固區(qū)＋0.5m防撞欄桿+3.0m緊急停車帶＋3×3.75m 行車道＋0.5m 左側(cè)路緣帶+1.5m 中央分隔帶＋0.5m右側(cè)路緣帶+3×3.75m行車道+3.0m緊急停車帶+0.5m防撞欄桿＋1.3m斜拉索錨固區(qū)+2.0m人行道+0.25m 風嘴＝39.1m。橋梁采用公路-Ⅰ級荷載，按雙向六車道設(shè)計；地震烈度Ⅷ，按Ⅸ設(shè)防。

3 計算方法研究

橋梁設(shè)計計算采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL計算，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）（以下簡稱橋規(guī)JTGD60）和《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）（以下簡稱橋規(guī)JTGD62）等現(xiàn)行規(guī)范進行計算。計算模型包含618 個單元，809節(jié)點，其中斜拉索采用只受拉單元模擬，其余全部單元采用梁單元模擬。本橋為半飄浮體系，主梁在索塔和過渡墩處均設(shè)豎向約束；在索塔處設(shè)置橫向抗風支座，索塔塔柱與主梁間采用橫向約束，索塔塔柱底采用固定約束，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

3.1 主梁縱向計算

3.1.1 主要施工階段結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

根據(jù)本橋主梁施工方案，主梁施工過程中有5種狀態(tài)控制主梁結(jié)構(gòu)安全，第一種狀態(tài)是主梁施工階段掛第一對斜拉索時，主梁施工方式從搭架現(xiàn)澆轉(zhuǎn)換為掛籃懸澆時的狀態(tài)，第二種狀態(tài)是主梁第八階段施工完成后主梁處于最大雙懸臂時的狀態(tài)，第三種狀態(tài)是邊跨合攏后中跨大單懸臂時的狀態(tài)，第四種是中跨合攏后主梁完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時的狀態(tài)，第五種是成橋時的狀態(tài)。采用MIDAS 程序?qū)ι鲜? 種控制狀態(tài)時主梁上下緣應(yīng)力進行計算，計算結(jié)果如圖4～圖8所示，經(jīng)計算滿足橋規(guī)JTGD62等規(guī)范要求，主梁在施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力均小于0.7 倍短暫狀況施工階段混凝土軸心抗壓、抗拉強度標準值。

圖4 對稱懸澆2#梁段張拉斜拉索后主梁上下緣正應(yīng)力（MPa）

圖5 對稱懸澆8#梁段張拉斜拉索后主梁上下緣正應(yīng)力（MPa）

圖6 邊跨合龍施工階段主梁上下緣正應(yīng)力（MPa）

圖7 中跨合龍施工階段主梁上下緣正應(yīng)力（MPa）

圖8 成橋階段主梁上下緣正應(yīng)力（MPa）

3.1.2 成橋階段結(jié)構(gòu)承載能力計算結(jié)果

根據(jù)前述規(guī)范要求，對在基本彎矩組合作用下的主梁抗彎承載能力和抗剪承載力進行計算，計算結(jié)果如圖9、圖10 所示，構(gòu)件正截面抗彎承載力均大于作用效應(yīng)的組合設(shè)計值，且有一定的富余；構(gòu)件斜截面抗剪承載力均大于作用效應(yīng)的組合設(shè)計值，且絕大部分截面安全系數(shù)均較大；截面承載能力滿足橋規(guī)JTGD62的相關(guān)要求。

圖9 主梁正截面抗彎承載力包絡(luò)圖（kN·m）

圖10 主梁斜截面抗剪承載力包絡(luò)圖（kN·m）

3.1.3 成橋階段結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)計算結(jié)果

為確保成橋在各種荷載組合下結(jié)構(gòu)安全，對全橋在使用過程中可能發(fā)生荷載組合下，對主梁截面抗裂、抗壓等進行驗算。

①對持久狀況短期效應(yīng)組合下主梁正截面抗裂性、斜截面抗裂等性能進行驗算，計算結(jié)果如圖11、圖12 所示。主梁最小壓應(yīng)力儲備為1.04 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；主梁最大主拉應(yīng)力為0.42MPa，均小于規(guī)范限值1.14MPa；主梁正、斜截面抗裂驗算滿足橋規(guī)JTGD62相關(guān)要求。

圖11 主梁短期效應(yīng)組合下上下緣正應(yīng)力（MPa）

圖12 主梁短期效應(yīng)組合下最大主拉應(yīng)力（MPa）

②對持久狀況標準組合效應(yīng)下主梁正截面混凝土的壓應(yīng)力進行驗算，計算結(jié)果如圖13所示。不計10年收縮徐變時標準組合下，主梁最大正截面壓應(yīng)力為18.6 MPa；計10年收縮徐變時標準組合下，主梁正截面壓應(yīng)力為16.8 MPa，均小于規(guī)范限值19.25MPa，主梁持久狀況正截面壓應(yīng)力驗算滿足橋規(guī)JTGD62相關(guān)要求。

圖13 主梁標準組合下最大壓應(yīng)力（MPa）

3.2 主梁橫向計算

主梁橫隔板有4種類型，標準段橫隔板厚度45cm，索塔頂橫隔板厚200cm，輔助墩頂橫隔板厚250cm，交界墩頂橫隔板厚380cm，采用MIDAS 建立空間桿模型，對每種橫隔板進行正常使用極限狀態(tài)、持久狀況構(gòu)件應(yīng)力和承載能力極限狀態(tài)強度進行驗算，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。以標準段橫隔板為例，計算模型劃分為26 個單元和27 個節(jié)點，單元寬度按照橋規(guī)JTGD62中4.2.2 條取截面翼緣有效寬度，計算模型如圖14 所示，計算結(jié)果如圖15、圖16 所示。經(jīng)計算，主梁各橫隔板在正常使用極限狀況和持久狀況作用下，正截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，斜截面主拉應(yīng)力均小于1.425 MPa，正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均大于作用效應(yīng)的組合設(shè)計值，各橫隔板的抗彎、抗剪承載能力滿足橋規(guī)JTGD62相關(guān)要求。

圖14 標準段橫隔板有限元模型

圖15 基本組合作用下正截面抗彎承載力包絡(luò)圖（kN·m）

圖16 基本組合作用下斜截面抗剪承載力包絡(luò)圖（kN）

4 計算結(jié)果驗證

本橋與已建成五河口斜拉橋的橋梁跨徑、車道數(shù)量、荷載等級及主梁結(jié)構(gòu)形式基本相同，因此將本橋計算確定的主梁截面尺寸、剛度、主要材料強度及用量等參數(shù)，與五河口大橋的相關(guān)參數(shù)進行比較，以驗證計算方法的可行性和計算結(jié)果的可靠性，對比結(jié)果見表1。對比可知，二者主梁參數(shù)和剛度基本一致，證明采用MIDAS 程序?qū)掦w混凝土主梁斜拉橋進行縱、橫向計算的方法可行，計算結(jié)果可靠，但因新建大橋采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），新建大橋主梁個別參數(shù)比采用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的五河口大橋略高。

表1 新建大橋與五河口大橋主梁參數(shù)對比表

5 結(jié)語

通過對比驗證寬體混凝土主梁斜拉橋的兩種計算方法可知，此類斜拉橋可采用MIDAS軟件建立全橋、主梁橫隔板的空間桿模型，通過對雙邊箱主梁進行縱、橫向組合計算的方法進行設(shè)計計算，計算確定的主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與采用ANSYS建立實體三維模型的方法確定的主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致，計算結(jié)果可信，計算方法相對簡便，可在實際設(shè)計工作中推廣應(yīng)用。