广西西江扶典口特大桥2#主桥设计与计算分析

凌 冬，黄 珠，李思艺

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

桥梁作为我国交通基础设施网中至关重要的枢纽工程，其性能要求被不断提高。传统的简支梁桥结构形式简单，应用最为广泛，但其整体刚度较弱，若要增加桥梁的跨径，只有通过增大主梁截面尺寸来抵抗自重产生的跨中弯矩，但这具有一定的局限性且经济性能较差，不适用于跨越深沟峡谷、江河湖泊等极端地形地貌[1]。

为克服简支梁桥刚度较弱、跨径较小的缺点，墩梁固接、主梁连续的连续刚构体系应运而生，这种体系的桥梁整体具有较强的纵向抗弯刚度与横向抗扭刚度，使其对主梁截面尺寸的要求较小，能够有效减轻桥梁结构自重，增大跨径[2]。而且，随着预应力技术的日趋成熟，预应力混凝土连续刚构桥的跨越能力被进一步提升，目前已知主跨跨径最大可超过300 m[3]。针对预应力混凝土连续刚构桥，许多专家学者对其开展了模型试验或数值模拟研究其力学特性[4-6]。

本文以跨径组合为131 m+198 m+131 m的广西西江扶典口特大桥2#主桥为工程背景，结合有关设计规范条文，采用有限元计算软件Midas Civil建立了全桥结构的计算模型，对该预应力混凝土连续刚构桥的各项设计指标进行了验算。

1 桥梁工程概况及设计参数

西江扶典口特大桥是广西梧州市环城高速公路项目中最大的控制性工程，位于梧州市环城公路K29公里处，地属梧州市城东，自北向南跨越西江。其中，2#主桥采用预应力混凝土连续刚构桥体系，跨径组合为131 m+198 m+131 m=460 m，其桥型布置图如图1所示。整体桥宽28.5 m，采用分幅设置，单幅桥宽12.75 m，两幅桥间净宽3 m。主梁采用单箱单室，边墩墩顶及中跨跨中梁高4.2 m，中墩墩顶梁高11.5 m。主墩采用双肢薄壁矩形断面，桩基础为2.2 m钻孔灌注桩。

图1 西江扶典口特大桥2#主桥桥型布置图(mm)

该桥主梁采用C60型号混凝土，主墩采用C50型号混凝土，承台与桩基础则采用C30型号混凝土，预应力钢绞线采用φs15.2型号。

2 有限元模型

采用有限元计算软件Midas Civil建立全桥结构模型进行分析。全桥的施工过程共划分为30个施工阶段，有限元模型共有414个节点，393个单元。其中，1-130号单元为主梁单元。桩基础梁单元按照实际桩长建立，在桩底采用固结，其中，左侧墩为4#墩，右侧墩为5#墩。桩侧采用土弹簧约束纵向和横向位移，土弹簧刚度采用“m”法计算。群桩与承台采用主从约束，承台与墩、墩与主梁采用刚臂连接，边墩处约束竖向位移。

3 荷载取值

3.1 恒载

主要包括结构自重与二期恒载。结构自重按混凝土容重取26 kN/m3，二期恒载包括桥面铺装与护栏等，线分布荷载取72 kN/m。

3.2 汽车荷载

该桥梁的荷载标准为公路-Ⅰ级，综合考虑横向分布系数、横向折减系数、偏载系数、超载系数以及冲击系数的影响，由于建设时间为2018年，故各项影响系数及荷载取值所参考的设计规范为2004版的《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)。

3.3 附加荷载

温度荷载主要包括体系升温25 ℃，体系降温23 ℃；温度梯度按规范中100 mm沥青混凝土铺装层取值。支座沉降按各支座下沉2 cm计。风荷载取百年一遇基本风速24.0 m/s。

3.4 施工荷载

施工荷载主要包括挂篮荷载和悬臂现浇混凝土的湿重。挂篮荷载取最大悬浇段重的0.55倍，为1 500 kN，湿重取相应悬浇混凝土的重量。

4 计算结果分析

4.1 应力计算

由有限元计算结果可得，在张拉体外预应力钢束阶段出现最大应力，如图2所示。其中，最大法向压应力为15.1 MPa，拉应力为0.38 MPa，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)(以下简称设计规范)中第7.2.7和7.2.8条的规定，其应力值满足规范要求。

(a)上缘应力

(b)下缘应力

考虑成桥十年收缩徐变后，有限元计算结果如图3所示。由图3可知，成桥十年后主梁上缘最大压应力为11.7 MPa，下缘最大压应力为12.0 MPa，上下缘均未出现拉应力。最大竖向位移为向下8.1 cm，位置在4#墩边跨跨中，均满足规范要求。

(a)上缘应力

(b)下缘应力

5 持久状况承载能力极限状态计算

在承载能力极限状态下，通过有限元软件计算可得，结构的弯矩包络图及抗力图如图4所示。由图4可知，弯矩抗力曲线能够将内力曲线完全包络。

图4 正截面抗弯承载能力计算图

按照设计规范中第5.1.5条的要求，根据结构的重要性需要考虑放大系数γ，本文取1.1，放大后的作用效应仍应不大于构件的承载能力，限于篇幅本文只选取部分典型截面进行考虑重要性放大系数的抗弯承载力验算。计算结果如表1所示。由表1可见，各典型截面的安全系数均大于1，故该桥梁正截面抗弯承载能力满足规范要求。

表1 典型截面抗弯承载力验算表(kN·m)

6 结语

本文针对广西西江扶典口特大桥2#主桥进行了设计

计算分析，通过有限元计算软件Midas Civil建立了全桥模型，结合有关规范要求，分别在施工阶段、持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态下对桥梁整体进行了模拟计算，并在持久状况与短暂状况下计算了构件的应力，还验算了支座反力及下部结构。研究结果表明，该桥梁的各项设计指标均在相应规范要求的容许范围之内，其计算结果可为类似桥梁结构的设计与计算提供参考。