曹新垒， 郝 翠

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

矮塔斜拉桥兼有连续梁桥和斜拉桥两种桥型的特性，其主梁刚度较大，在轴向压力作用的同时还承载部分弯矩和剪力[1,2]，随着纵向跨径和主梁横向宽度的增大，空间应力分布不均匀，主梁受力较为复杂[3,4]。

本文以在建的某矮塔斜拉桥为工程背景，采用MIDAS计算软件建立全桥杆系有限元模型，对主梁进行整体受力分析；再通过建立主梁拉索梁段有限元模型，分析在索力作用下宽幅双主梁的受力特点，验证桥梁设计方案的合理性。

1 工程概况

在建的某矮塔斜拉桥桥梁总长610.0 m，跨河主桥采用(100+170+100) m预应力混凝土矮塔斜拉桥，引桥采用8×30 m现浇大箱梁，桥台采用桩接盖梁式桥台。主跨170 m跨越通航水域，主梁采用宽幅混凝土双主梁，横桥向宽度为41.0 m，其中单箱室宽度为8.5 m，悬臂宽度为5.5 m，双主梁之间横梁宽度为13.0 m。

(1)道路等级：城市主干路。

(2)设计车速：60 km/h。

(3) 主桥标准横断面：3.0(人行道)+3.0(非机动车道)+2.5(分隔带)+11.5(机动车道)+1.0(中分带)+11.5(机动车道)+2.5(分隔带)+3.0(非机动车道)+3.0(人行道)=41.0 m。主桥断面如图1所示。

图1 主桥标准横断面图(单位:cm)

2 整体计算分析

2.1 全桥计算模型

根据矮塔斜拉桥的结构特点，建立全桥空间杆系模型，计算结构在运营阶段最不利组合下内力、应力、位移等，验算结构的强度和刚度。

全桥整体静力分析计算采用有限元软件MIDAS Civil 2019。主梁及桥塔模拟为梁单元，拉索采用只受拉桁架单元。承台底部采用固结，塔梁采用刚臂固结。有限元结构离散模型如图2所示。

图2 整体静力分析模型图

2.2 设计荷载取值

(1)恒载。一期恒载包括主梁、主塔、拉索等结构材料自重，均按实际设计尺寸和数量取值。二期恒载包括护栏、桥面铺装和管线等附属设施自重，按照均布力荷载施加于主梁上，荷载取值为218 kN/m。

(2)活载。城市-A级，按双向6车道计算；人群荷载及非机动车道荷载按《城市桥梁设计规范》执行；汽车制动力按6车道计算。

(3)温度荷载。结合规范计算体系整体温度荷载为整体升温25℃，整体降温20℃，混凝土主梁上下缘温差采用非线性梯度温度14℃、5.5℃、0℃，按照规范对以上正温差取0.5倍以后计入负温差效应。斜拉索与桥塔、主梁之间温差采用±10℃，索塔左右侧温差采用±5℃。

(4)基础变位：过渡墩及辅助墩基础沉降0.01 m，主墩基础沉降0.02 m。

2.3 主梁计算结论

(1)主梁抗弯承载力。主梁抗弯承载力包络图如图3所示。

图3 主梁抗弯承载力包络图 (单位: kN)

由图3可见，预应力混凝土主梁抗弯承载能力满足设计要求。

(2)主梁抗剪承载力。主梁抗剪承载力包络图如图4所示。

图4 主梁抗剪承载力包络图 (单位: kN)

由图4可见，预应力混凝土主梁抗剪承载力满足规范要求。

3 主梁横向空间计算分析

3.1 有限元分析模型

在索力作用下宽幅双主梁横向结构受力复杂，特建立局部MIDAS FEA有限元模型，建立了节段主梁的局部分析模型(如图5、图6所示)。箱梁采用实体单元模拟，预应力采用钢筋梁单元模拟。

图5 节段主梁的几何模型

图6 节段主梁的有限元模型

3.2 边界条件及加载荷载

对桥梁梁段进行局部应力分析时，运用圣维南原理，采用空间杆系结构分析和三维实体结构分析相结合的方法，即把用梁单元进行整体计算所得内力和位移作为局部剖面的外力和位移边界条件的方法，解决求解桥梁局部应力和变形状况问题。根据圣维南原理，这种处理方式对于距离该力系作用足够远处的受力状态将不会产生较大影响。梁端位置受到边界条件的影响，结果失真，因此截取不受边界影响部分对受力结果进行分析，结果如图7～图12所示。

图7 横梁横桥向应力云图(单位：MPa)

图8 横梁纵桥向应力云图(单位：MPa)

图9 横梁第一主应力云图(单位：MPa)

图10 横梁第三主应力云图(单位：MPa)

图11 横梁位置剖面横桥向应力云图(单位：MPa)

图12 横梁位置剖面纵桥向应力云图(单位：MPa)

3.3 计算结果及分析

计算结果表明，横桥向最大拉应力为2.03 MPa，在箱室人孔角点处会出现局部应力集中现象，拉索齿块区域应力水平较高；竖向最大拉应力为2.62 MPa，出现在箱梁人孔拐角处，箱室内隔板位置倒角应力数值也较大；在应力较高区域应保证刚度过度平顺，考虑增设钢筋配置。

4 结束语

本文介绍了在建的某矮塔斜拉桥的工程概况，通过建立全桥杆系模型，对全桥在成桥阶段结构内力和应力进行计算分析，验证了方案的合理性。同时，建立了拉索区梁段的有限元模型，进行空间有限元分析，分析在索力作用下宽幅双主梁的受力特点，主梁在倒角、人孔、齿块等区域出现了局部的应力集中，应通过细化构造或通过考虑增设钢筋配置可以缓解应力集中影响。