斜腿倾角对预应力混凝土斜腿刚构桥受力性能的影响

陈 铭，梁西建，李晓克

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄050021;2.河南省交院工程检测加固有限公司，河南 郑州450001;3.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州450045)

在城市桥梁中，采用下部斜构方式可以起到增加桥梁整体结构灵动性，增强美观效果，减小下构阻水系数，提高过水能力的作用［1－2］.从桥梁结构受力角度考虑，斜构可以为中间跨提供轴向压力，有利于桥梁主梁受力状态的改善，因此适于在中型跨度桥梁中推广应用［3－4］.笔者结合工程实例设计，分析了斜腿倾角对预应力混凝土斜腿刚构桥受力性能的影响规律.这种有推力结构所用的材料较省，建筑高度较低，目前已成为大多数发达国家高等级公路跨线桥的首要选择.其中该桥型的斜腿倾角是影响桥梁控制截面内力、应力和位移的关键因素.

1 桥梁结构及计算模型

1.1 桥梁结构概况

某预应力混凝土斜腿刚构桥梁跨径90 m，边中跨比值约为0.8.采用单箱三室箱型截面，跨中截面梁高1.50 m，梁腿刚结处梁高2.80 m，支座处截面梁高1.50 m，箱梁顶板厚0.25 m，底板厚度以抛物线形式从0.20 m 过渡到0.50 m. 斜腿采用矩形截面，厚度为1.00 m，主梁刚结处的斜腿宽度(垂直斜腿中线)为2.686 m，斜腿底部宽度为1.50 m，斜腿总长为9.646 m，斜腿从腹板边缘沿桥宽方向依次布置4 个.箱梁的纵断面如图1所示.

图1 箱梁纵断面(单位:cm)

该桥设计车速为60 km/h，桥宽19 m，桥面布置为:1.50 m 人行道+2 ×3.50 m 机动车道+2.00 m中间带+2 ×3.50 m 机动车道+1.50 m 人行道.跨中断面如图2所示.

该桥的预应力钢束采用1860 级钢绞线，控制应力为1 395 MPa，跨中处和梁腿刚结处的预应力钢束布置如图3所示，其中钢束1、钢束2、钢束3 的规格为25φs15.2，钢束4 的规格为16φs15.2.

图2 跨中断面图(单位:cm)

图3 中腹板处预应力钢束布置图(括号内为边腹板处钢束数据，单位:cm)

1.2 桥梁计算模型

采用有限元分析软件MIDAS/Civil 建立模型，模拟桥梁结构及其受力状态，其中斜腿倾角分别采用35°，40°，45°，50°，55°，60°.荷载有桥梁结构自重(包括二期铺装)、预应力、车辆荷载、人群荷载、温度荷载和支座沉降.汽车荷载取公路－Ⅰ级，人群荷载取3.5 kN/m2，温度荷载根据当地气候情况取整体升温、降温20 ℃，局部温度变化按现行规范规定计算［5］，支座沉降根据工程地质情况取为20 mm，混凝土收缩徐变期考虑10 a. 边界条件为斜腿底三向铰接，箱梁与斜腿采用刚性连接，桥台处采用竖向支座.

2 计算结果分析

2.1 控制截面内力分析

经过对计算结果的综合分析，得到该桥各关键部位最大内力随斜腿倾角变化的关系，如图4所示.斜腿倾角的变化对主梁边跨跨中和梁腿刚结处的弯矩影响较大，对中跨跨中弯矩影响相对较小(图4(a)).随着斜腿倾角的增加，边跨跨中弯矩减小较快，每5°的减小幅度为3%左右，从边跨受弯有利角度分析，斜腿倾角宜取较大值45° ～60°;随着斜腿倾角的增加，主梁与斜腿刚结处的负弯矩增加较快，每5°的增加幅度为2%左右，从梁腿刚结处受弯矩有利角度分析，斜腿倾角宜取较小值35° ～50°;随着斜腿倾角的增加，中跨跨中处弯矩有所增加，但是增幅较小，每5°的增加幅度为0.5%左右，因此从中跨跨中受弯有利角度考虑，斜腿倾角宜取较小值，推荐取值范围为35° ～50°.斜腿倾角的变化对斜腿承受的弯矩影响较大(图4(b))，随着斜腿倾角的增加，斜腿顶部和中部承受的正弯矩均较快减小，斜腿顶部和底部承受的负弯矩均较快增大，较大的弯矩对斜腿不利，从斜腿受弯有利角度分析，斜腿倾角不宜过大或者过小，取值范围宜为40° ～55°. 从有利于该桥梁承受弯矩角度，斜腿倾角宜为40° ～50°.

斜腿倾角的变化对桥梁结构剪力的影响较大(图4(c))，随着斜腿倾角的增加，边支座处剪力较快减小，每5°剪力减小的幅度为1.5%左右，从支座抗剪有利角度分析，斜腿倾角宜取较大值45° ～60°;随着斜腿倾角的增加，主梁与斜腿刚结处的剪力增加较快，每5°增加的幅度为0.7%左右，从梁腿刚结处抗剪有利角度分析，斜腿倾角宜取较小值35°～50°;随着斜腿倾角的增加，斜腿顶部剪力增加较大，每5°平均增幅为4%左右，从斜腿顶部抗剪有利角度分析，斜腿倾角宜取较小值35° ～50°;随着斜腿倾角的增加，斜腿底部剪力减小较大，每5°平均增幅为12%左右，从斜腿顶部抗剪有利角度分析，斜腿倾角宜取较大值45° ～60°. 从有利于桥梁各部位承受剪力的角度综合考虑，斜腿倾角宜为40° ～50°.

图4 关键部位的内力最大值随斜腿倾角的变化曲线

斜腿倾角的变化对桥梁中跨的轴力影响较大(图4(d))，随着斜腿倾角的增加，中跨压力迅速减小，每5°轴向压力减小的幅度为14%左右，轴向压力能为中跨提供预压应力，较大的轴向压力对桥梁有利，斜腿倾角宜取较小值35° ～45°;随着斜腿倾角的增加，斜腿顶部和底部的轴力都逐渐减小，变化规律相似，每5°轴向压力减小的幅度为5%左右，过大的轴向压力对斜腿受力不利，所以从斜腿受力有利角度分析，斜腿倾角宜取大值45° ～60°. 从有利于桥梁各部位承受轴力角度综合考虑，斜腿倾角宜为35° ～45°.

2.2 控制截面应力分析

该桥各关键部位最大应力随斜腿倾角的变化关系如图5所示.斜腿倾角的变化对桥梁关键部位的拉应力影响较大(图5(a))，随着斜腿倾角的增加，边跨跨中最大拉应力逐渐减小，每5°减小幅度约为2.5%，过大的拉应力对桥梁不利，从边跨跨中受力有利角度分析，斜腿倾角宜取较大值45° ～60°;随着斜腿倾角的增加，刚结处的最大拉应力逐渐增大，每5°增大幅度约为3.3%，从刚结处受力有利角度分析，斜腿倾角宜取较小值35° ～50°;随着斜腿倾角的增加，中跨跨中处的最大拉应力逐渐增大，每5°增大幅度约为3.0%，从中跨跨中处受力有利角度分析，斜腿倾角宜取较小值35°～50°;随着斜腿倾角的增加，斜腿顶部和中部的最大拉应力减小较快，每5°减小幅度约为17%，从斜腿受力有利角度分析，斜腿倾角宜取较大值50°～60°.从有利于该桥梁抵抗拉应力角度综合考虑，斜腿倾角宜为45°～50°.

图5 关键部位的应力随斜腿倾角的变化曲线

斜腿倾角的变化对桥梁的压应力影响较大(图5(b))，随着斜腿倾角的增加，桥梁各关键部位压应力均减小，较大的压应力对桥梁结构有利，所以斜腿倾角宜取较小值35° ～45°.

2.3 控制截面位移分析

该桥各关键部位处的最大位移随斜腿倾角的变化关系如图6所示.随着斜腿倾角的增加，桥梁各关键部位的竖向位移均出现不同程度的减小(图6(a))，从减小竖向位移角度分析，斜腿倾角宜取较大值50° ～60°;随着斜腿倾角的增加，桥梁关键部位的水平位移总体来说变化不大(图6(b))，推荐倾角的取值范围为35° ～50°.

图6 关键部位的位移随斜腿倾角的变化曲线

3 结 语

预应力混凝土斜腿刚构桥的斜腿倾角，对箱梁和斜腿的受力性能具有明显影响，是一个需要优化取值的设计参数.结合工程实例，采用整桥设计计算模型进行计算分析，得到了相对于桥梁关键部位内力、应力和位移等设计控制目标的斜腿倾角合适取值范围.综合分析各取值范围之后，指出有利于该实例整桥受力的合理斜腿倾角在40° ～50°比较适宜.同时，该预应力混凝土斜腿刚构桥边中跨比为0.8左右，所得结论对同类桥梁有参考应用价值.

［1］刘世明，杨竹林，杨建中，等.钢筋混凝土斜腿刚架桥静力计算分析［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(2):30－33.

［2］刘世明，杨建中，杨竹林，等.V 型墩预应力混凝土连续刚架桥结构设计分析［J］. 华北水利水电学院学报，2009，30(5):40－43.

［3］Li Xiaoke，Liang Xijian，Liu Shiming.Static analysis of prestressed concrete bridge with slant-legged rigid frame［J］.Advanced Materials Research，2012(446－449):1172－1175.

［4］郭健，刘世忠，孙柄楠. 大跨度预应力斜腿刚构桥的结点应力分析［J］.中国公路学报，2002，15(1):78－81.

［5］中交公路规划设计院.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.