寬幅大跨混凝土斜拉橋橫梁構造與計算分析

王 琳

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

1 工程背景

繁華大道東延工程南淝河大橋主橋跨徑布置為(120+160)m，橋長280 m，橋寬44 m，為寬幅獨塔雙索面斜拉橋，塔梁墩固結體系,如圖1所示。

圖1 南淝河大橋實景圖

主梁為預應力混凝土雙邊箱斷面，主塔采用鋼-混組合橋塔，下部采用圓形承臺接群樁基礎。本通航孔按限制性Ⅲ級航道考慮，通航孔凈空為87.5 m×8 m，由主橋160 m的主跨跨越，滿足通航凈空要求。

主塔采用帆船造型，由鋼筋混凝土主塔和鋼副塔組成，遠遠望去，大橋猶如揚帆起航的輪船矗立在南淝河上，氣勢磅礴，獨樹一幟。

2 橫梁構造

本橋為塔墩梁固結體系，主塔間設置一道橫梁，橫梁采用箱形截面，長度為32.5 m，中心梁高6.0 m，寬度6.8 m。主梁采用雙邊箱結構，梁高3.5 m，此處與其固結，橫梁孔與主梁雙邊箱對應。橫梁預應力采用54束φs15.24-19鋼絞線，水平通長布置，縱橫剖面如圖2所示。

圖2 主塔橫梁預應力構造縱橫斷面圖

主塔橫梁采用三向預應力布置，除上圖所示橫梁預應力外，還布置有主梁通長的縱向預應力和豎向預應力，受力狀態復雜。

3 橫梁計算

為研究主塔橫梁的受力特點，本文采用ANSYS軟件實體建模分析。

橫梁采用C50混凝土，選取橫梁前后各15 m建立節段模型。采用Solid 45號單元模擬，模型兩端采用剛域單元連接形心節點，以符合平截面假定，實體模型節點內力從全橋桿細模型(MIDAS Civil)中提取，同時核對兩者反力一致，確保結果的準確性。具體如圖3、圖4所示。

圖3 模型選取示意圖

圖4 三維實體模型

因分析工況較多，本文選取分析成橋狀態下橫梁的受力情況,如圖5～圖12所示。

圖5 箱梁頂板主拉應力

圖6 箱梁頂板主壓應力

圖7 箱梁底板主拉應力

圖8 箱梁底板主壓應力

圖9 主塔豎向壓應力

圖10 塔下橫梁主拉應力

圖11 主塔豎向壓應力剖面

圖12 塔下橫梁主壓應力

根據ANSYS計算，選取部分結果，見表1。

表1 主塔橫梁計算結果表

4 構造建議

根據計算結果，可有如下優化建議可供同類橋梁參考：

(1)本項目采用的箱型截面橫梁，對于雙邊箱主梁的混凝土斜拉橋是適用的，可供同類型橋梁提供參考。

(2)對于無上塔柱橫梁的寬幅混凝土斜拉橋，需設置剛度較大的主塔下橫梁，同時可以設置副塔，提升塔柱尺寸，改善橋塔受力性能。

(3)本橋為混凝土主梁，橋寬44 m，橫梁均設置大型號鋼絞線，錨固于雙邊箱的斜底板上，位置相對集中，集中應力較大，達到5 MPa，應注重橫向預應力錨下鋼筋的設置。

(4)在主副塔交接處，由于存在混凝土銳角構造，在荷載的作用下，產生較大的應力集中，最大豎向拉應力為4 MPa，最大豎向壓應力為20 MPa，設計時應避免銳角構造，各構件過渡合理，同時對于難以更改的構造，可增大鋼筋型號或設置鋼筋網片。

(5)在主塔和橫梁交接位置處出現最小的主拉預應力，大小為4 MPa，設計時可酌情考慮交接位置處的構造處理，適當增大橋面配筋。

(6)主塔橫梁人孔附近出現2.5 MPa主拉應力，設計時應加強橫梁人孔配筋，合理選擇人孔尺寸，不宜過大，建議圓形人孔直徑80 cm，多邊形人孔100 cm×80 cm，同時各箱室均可通過人孔連通，方面檢修和內模板的取出。

(7)主塔梁高6 m，在與主塔交接位置處設置了500 cm×80 cm的倒角，有效地增大了橫梁與塔柱的接觸面積，同時鈍角構造有利于力的傳遞，從計算中可以看出此處應力均勻，設置合理。

5 結束語

繁華大道東延南淝河大橋是寬幅獨塔雙索面斜拉橋，主塔橫梁作為塔墩梁固結體系的重要核心連接構件，其在三向預應力的作用下受力復雜，結構構造及鋼束配置十分關鍵。

本文采用有限元軟件ANSYS對主塔橫梁進行三維實體分析計算，明確了主塔橫梁整體構造尺寸的合理性，得到各位置處的受力特點，對于存在應力集中或受力過大的位置處給出合理的構造建議和措施，對同類型橋梁的設計具有一定的參考意義。