宽幅大跨混凝土斜拉桥横梁构造与计算分析

王 琳

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

1 工程背景

繁华大道东延工程南淝河大桥主桥跨径布置为(120+160)m，桥长280 m，桥宽44 m，为宽幅独塔双索面斜拉桥，塔梁墩固结体系,如图1所示。

图1 南淝河大桥实景图

主梁为预应力混凝土双边箱断面，主塔采用钢-混组合桥塔，下部采用圆形承台接群桩基础。本通航孔按限制性Ⅲ级航道考虑，通航孔净空为87.5 m×8 m，由主桥160 m的主跨跨越，满足通航净空要求。

主塔采用帆船造型，由钢筋混凝土主塔和钢副塔组成，远远望去，大桥犹如扬帆起航的轮船矗立在南淝河上，气势磅礴，独树一帜。

2 横梁构造

本桥为塔墩梁固结体系，主塔间设置一道横梁，横梁采用箱形截面，长度为32.5 m，中心梁高6.0 m，宽度6.8 m。主梁采用双边箱结构，梁高3.5 m，此处与其固结，横梁孔与主梁双边箱对应。横梁预应力采用54束φs15.24-19钢绞线，水平通长布置，纵横剖面如图2所示。

图2 主塔横梁预应力构造纵横断面图

主塔横梁采用三向预应力布置，除上图所示横梁预应力外，还布置有主梁通长的纵向预应力和竖向预应力，受力状态复杂。

3 横梁计算

为研究主塔横梁的受力特点，本文采用ANSYS软件实体建模分析。

横梁采用C50混凝土，选取横梁前后各15 m建立节段模型。采用Solid 45号单元模拟，模型两端采用刚域单元连接形心节点，以符合平截面假定，实体模型节点内力从全桥杆细模型(MIDAS Civil)中提取，同时核对两者反力一致，确保结果的准确性。具体如图3、图4所示。

图3 模型选取示意图

图4 三维实体模型

因分析工况较多，本文选取分析成桥状态下横梁的受力情况,如图5～图12所示。

图5 箱梁顶板主拉应力

图6 箱梁顶板主压应力

图7 箱梁底板主拉应力

图8 箱梁底板主压应力

图9 主塔竖向压应力

图10 塔下横梁主拉应力

图11 主塔竖向压应力剖面

图12 塔下横梁主压应力

根据ANSYS计算，选取部分结果，见表1。

表1 主塔横梁计算结果表

4 构造建议

根据计算结果，可有如下优化建议可供同类桥梁参考：

(1)本项目采用的箱型截面横梁，对于双边箱主梁的混凝土斜拉桥是适用的，可供同类型桥梁提供参考。

(2)对于无上塔柱横梁的宽幅混凝土斜拉桥，需设置刚度较大的主塔下横梁，同时可以设置副塔，提升塔柱尺寸，改善桥塔受力性能。

(3)本桥为混凝土主梁，桥宽44 m，横梁均设置大型号钢绞线，锚固于双边箱的斜底板上，位置相对集中，集中应力较大，达到5 MPa，应注重横向预应力锚下钢筋的设置。

(4)在主副塔交接处，由于存在混凝土锐角构造，在荷载的作用下，产生较大的应力集中，最大竖向拉应力为4 MPa，最大竖向压应力为20 MPa，设计时应避免锐角构造，各构件过渡合理，同时对于难以更改的构造，可增大钢筋型号或设置钢筋网片。

(5)在主塔和横梁交接位置处出现最小的主拉预应力，大小为4 MPa，设计时可酌情考虑交接位置处的构造处理，适当增大桥面配筋。

(6)主塔横梁人孔附近出现2.5 MPa主拉应力，设计时应加强横梁人孔配筋，合理选择人孔尺寸，不宜过大，建议圆形人孔直径80 cm，多边形人孔100 cm×80 cm，同时各箱室均可通过人孔连通，方面检修和内模板的取出。

(7)主塔梁高6 m，在与主塔交接位置处设置了500 cm×80 cm的倒角，有效地增大了横梁与塔柱的接触面积，同时钝角构造有利于力的传递，从计算中可以看出此处应力均匀，设置合理。

5 结束语

繁华大道东延南淝河大桥是宽幅独塔双索面斜拉桥，主塔横梁作为塔墩梁固结体系的重要核心连接构件，其在三向预应力的作用下受力复杂，结构构造及钢束配置十分关键。

本文采用有限元软件ANSYS对主塔横梁进行三维实体分析计算，明确了主塔横梁整体构造尺寸的合理性，得到各位置处的受力特点，对于存在应力集中或受力过大的位置处给出合理的构造建议和措施，对同类型桥梁的设计具有一定的参考意义。