斜腿刚构斜桥上部结构分析

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年21期

（湖南省公路设计有限公司，湖南长沙 410011）

1 概述

斜腿刚构桥在结构上兼具有梁和拱的特点，因此呈现良好的受力特点，与普通连续刚构桥相比，斜腿的作用使主梁跨度缩短，并为跨中提供免费的预应力，大大消弱了结构的内力峰值，使构件变得轻巧。一般的斜腿刚构桥都为正桥，但在特定的条件下（地形条件限制、特殊构造物要求）会产生一部分斜腿刚构斜桥，下面结合望城区旺旺东路张家湖中桥的实际工程设计，就斜腿刚构斜桥的上部构造在计算理论和受力特点方面谈一下设计体会。

2 工程实例

2.1 工程概况

图1 桥型总体布置图

桥梁上部结构为现浇变截面箱型梁，箱梁主跨跨径为25m，边跨跨径为12m，边、主跨跨径比为0.48。由于桥梁较宽，且为斜桥，考虑对桥梁的受力进行优化，设计时需对主梁的长宽比进行控制，故而本桥设置为2幅，单幅主梁设置为2个箱体，中间以箱梁悬臂板相连。主梁跨中梁高为1.2m，斜腿处梁高为2m，刚结点距梁端为12m。箱梁均采用单箱单室截面，底板宽5.5m，腹板厚0.5m，悬臂长2m，顶板厚0.25m，底板厚0.25m；主梁梁端、斜腿顶、跨中均设置横梁。由于受规划河道的影响，本桥设计为右偏112°。斜腿为变厚度的钢筋砼板，各分幅斜腿分离，斜腿中心轴线倾角为55°，与主梁相连处厚为1.5m，与承台相连处厚为0.7m。中幅、边幅斜腿横桥向与箱梁底板同宽。

下部构造桥台采用肋板式桥台，台帽厚度为1.2m，肋板厚度为1m，下设整体式承台，承台厚度3m，基础为φ150cm的钻孔灌注群桩，桥梁所有桩基均为钻孔灌注桩，按端承桩设计。

箱梁采用普通钢筋混凝土结构，其中跨中腹板底部配置4层直径32的钢筋，横向间距为12cm，共计16根；斜腿处腹板顶部配置4层直径32的钢筋，横向间距为12cm，共计16根；其余位置顶底板均按照间距10cm配置直径32的钢筋。

图3 空间结构计算模型图

2.2 计算分析

2.2.1 桥梁博士软件计算分析

本桥先采用桥梁博士平面杆系软件进行分析，按照单梁模式进行建模，考虑到斜腿部分对桩基存在水平推力，采用上下部整体建模，全桥划分为161个单元。

计算主要结果如下：上部主梁承载能力均满足规范要求；上部主梁跨中最大挠度为1.8cm，小于规范容许值L/600;上部主梁截面最大裂缝为0.13mm，小于规范容许值0.2mm。桩顶最大水平位移0.8cm，小于规范容许值1cm。

2.2.2 Midas软件计算分析

为了分析斜腿刚构桥在有斜度的情况下与正桥的差异，特别是主梁的受力情况差异，本桥又采用Midas空间计算软件进行分析，全桥共分为379个节点，402个单元，全桥采用杆系单元建模，其中，桥梁上部结构采用梁格法模拟。

计算结果为：上部主梁承载能力均满足规范要求；上部主梁跨中最大挠度为1.5cm，小于规范容许值L/600; 上部主梁截面最大裂缝为0.11mm，小于规范容许值0.2mm。桩顶最大水平位移0.5cm，小于规范容许值1cm。

3 设计体会

通过采用桥梁博士和Midas计算软件对斜腿刚构进行有限元分析，得出如下设计体会。

3.1 斜腿刚构斜桥上部结构的受力特点

斜腿刚构斜桥上部结构综合了斜梁桥、拱桥和连续刚构桥上部结构的受力特点，从计算分析上表明结构受力非常复杂，主要特点如下：

①由于斜交角的影响，通过midas空间计算软件得出主梁钝角处受力远大于锐角处，钝角处支座反力达到2000kN，锐角处支座反力仅为1000kN。

②斜桥在外荷载作用时，外荷载产生的合力不通过转动中心，对转动中心产生不平衡的力矩，引起桥梁在平面内的平移。

③由于斜交角影响，在特定条件会丧失预压力。

④由于荷载作用于斜梁桥的平面形心时，反力分布不对称，导致主梁产生比较大的纽矩。

3.2 斜腿刚构斜桥上部构造的结构设计处理

根据有限元计算结果和结合其它斜梁桥、拱桥及连续刚构桥的设计经验，作出如下处理措施：①斜腿刚构桥在有斜交角的情况下，在特定条件会丧失预压力，因此本次设计主梁在梁高尺寸均按照竖直连续刚构桥的尺寸考虑，并且增加了含筋量。②斜腿刚构桥在有斜交角的情况下，钝角处受力较大，因此在钝角处增加了角耦加强钢筋。③考虑到扭矩效应，本次设计采用箱形断面，同时加强了腹板抗扭箍筋，均采用16号钢筋。④由于斜腿刚构桥具有拱桥的一些性质，因此对水平位移非常敏感，本次设计通过计算最大水平位移值为0.8cm，小于规范容许值1cm，但为了增大安全储备，在承台后设置齿板，增大抗滑作用，抑制斜腿水平位移。⑤本次斜腿刚构桥桥台基础没有嵌入岩石，而是通过承台及桩基础承担推力，为减小斜腿的推力作用，本次设计增大了斜腿的水平角（水平角为55°）。