当芜大桥主桥结构设计及受力分析

程春其

(中铁城市规划设计研究院有限公司，安徽 芜湖 241060)

大跨径连续梁桥因其具有经济性好、刚度大、行车舒适以及跨度大的优点，在城市桥梁建设工程中得到了广泛的应用。因此，需要对大跨径连续梁桥的结构特性进行研究分析。石云等[1]研究了连续梁桥合龙顺序对结构受力的影响；
李国平等[2]研究了施工控制对大跨连续梁桥的线形影响；
何庭国等[3]对乌龙江特大桥的桥梁线形和桥梁减隔震进行了分析，刘天培等[4]对将金山特大桥的桥墩受力和箱梁横向受力进行了分析。

本文依托当芜大桥工程实例，通过数值对比分析，对其230 m三跨预应力连续箱梁的纵向整体受力和横向受力进行分析，以确保桥梁结构满足设计安全要求。

1.1 总体设计

当芜大桥位于安徽省马鞍山市当涂县与芜湖市的交界处，是赤铸山路跨越青山河的一座大型桥梁，其主桥跨径为65 m+100 m+65 m三跨预应力连续箱梁。桥梁跨越处规划为Ⅲ级航道，两岸防汛大堤之间的距离为270 m左右。整体桥跨布置为3联3×30 m+4×30 m+(65+100+65) m+(48+73+48) m+4×30 m+3×30 m=999 m。全桥横断面布置为2×[2.5 m(人行道)+14.5 m(车行道)+0.5 m(防撞护栏)]+3 m(镂空)=38 m。

1.2 主桥结构设计

当芜大桥桥型立面布置、支点截面及跨中截面如图1～4所示。桥面全宽38 m，由上、下行分离的两个单箱双室箱型截面组成，单个箱梁顶板宽17.5 m，厚0.28 m，设2%的横坡；
底板宽12.3 m，厚度为0.28～0.9 m，横桥向横坡也为2%；
箱梁根部梁高5.8 m，端部和跨中梁高2.6 m；
箱梁梁高及底板厚度按2次抛物线变化；
腹板厚度为0.5～0.8 m；
翼缘板悬臂长为2.6 m，端部厚0.18 m，根部厚0.6 m。除在主墩墩顶设置一道厚2.5 m的横隔梁，边跨端部设厚1.5 m的横隔梁外，其余部位均不设横隔板。箱梁混凝土采用C50，采用三向预应力体系，纵梁、横梁预应力采用预应力钢绞线，竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，布置在腹板及中横隔梁内。

图1 当芜大桥桥型立面布置图(cm)

图2 当芜大桥边支点截面图(cm)

图3 当芜大桥中墩支点截面图(cm)

图4 当芜大桥跨中截面图(cm)

桥梁下部结构采用钢筋混凝土双柱式墩身，低桩承台，群桩基础。主航道桥墩柱直径为3.0 m，承台厚度为3.0 m，每个承台下方布置双排共计8根φ180 cm钻孔灌注桩。

当芜大桥为大跨径连续梁桥，受到其桥下水文环境因素限制，桥梁在施工过程中不能中断水运航道，因此主桥采用悬臂法施工[5-6]。由于主桥箱梁构造和结构受力均较为复杂，为了确保桥梁结构的安全，需要对全桥进行整体静力分析。

本文建立了大桥的纵向整体模型，对当芜大桥的受力性能进行分析对比。

2.1 有限元模型

为了确保模型计算结果的安全可靠，本文采用了两种独立的有限元软件对模型进行平行计算，并将计算结果进行对比分析。

分别采用中铁大桥勘测设计院集团有限公司自主研发的平面有限元计算程序SCDS和桥梁博士软件建立了整体有限元模型(图5)，模拟了悬臂0#块到合龙成桥共23个施工阶段。挂篮和模板总重按100 t计，边跨合龙段及中跨合龙段的模板吊架总重按30 t计。

根据相关规范[7-10]规定，当芜大桥主要技术标准为：道路等级：城市主干道；
设计车速：60 km/h；
汽车荷载等级：城—A级，人群荷载3.5 kPa；

设计洪水位：11.60 m；
最高通航水位：10.62 m；
最低通航水位：1.84 m；
航道等级：按规划Ⅲ级(净宽≥70 m，净高≥7 m)；
设计基准期：100年。

图5 当芜大桥主桥有限元模型图

2.2 结果对比分析

为了更直观地对比分析当芜大桥的纵受力特性，本文选取了其中7个典型截面，分别是边跨的端部和1/2L处以及中跨的1/2L处和支点处。具体如图6所示。

图6 当芜大桥典型截面选取示意图(cm)

分别提取桥梁博士和SCDS模型中典型截面的内力和应力对比分析，具体的对比结果如下。

2.2.1 内力结果对比分析

由图7～9可知，在成桥阶段，SCDS和桥梁博士计算的弯矩数值大小基本一致，结果误差较小；
活载作用下，可以发现SCDS的计算结果和桥梁博士直接误差较大，正弯矩时在桥梁的跨中位置处误差较大，负弯矩时在结构的支点处误差较大。由此可知，SCDS的计算结果更为不利。

图7 成桥阶段弯矩对比曲线图

图8 活载作用下最大正弯矩对比曲线图

图9 活载作用下最大负弯矩对比曲线图

2.2.2 应力结果对比分析

由图10～11可知，标准组合下，SCDS和桥梁博士计算的箱梁截面应力变化趋势基本一致，应力误差较小。箱梁的上下缘应力在主梁跨中位置误差较大，最大截面误差在2 MPa左右，SCDS计算结果更为不利。

通过两种软件的对比分析，进一步了解了桥梁的受力特性。由分析结果可知，SCDS和桥梁博士的计算结果吻合较好，沿主梁纵向的内力及应力变化趋势一致，验证了有限元模型的准确性。SCDS软件计算数值较桥梁博士更大。为了确保桥梁结构的安全，在结构设计中两个模型均能通过验算。

图10 标准组合箱梁上缘正应力对比曲线图

图11 标准组合箱梁下缘正应力对比曲线图

在大跨径连续梁桥的计算中，由于结构的跨径大以及桥面宽，除了对主桥纵向进行静力分析外，还需要对箱梁的横向受力进行分析，以确保结构在车辆横向加载时的安全。

本文建立主桥箱梁的横向有限元模型，对主桥的横向局部进行分析，从而全面了解主桥的受力特性，为大桥结构设计安全提供重要依据。

3.1 箱梁横向分析

本文采用SCDS软件建立箱梁的横向有限元模型。沿桥梁纵向选取6 m的节段，采用杆系单元模拟，二期荷载采用均布荷载加载，汽车荷载采用城—A级[11]，局部模型的约束主要在箱梁腹板与底板交接位置，采用常规的一般支承模拟。箱梁横向有限元模型见图12。

图12 二维箱梁有限元模型图

横向分析中为了考虑汽车荷载横向移动对结构的影响，分别计算车道居中加载和车道偏载两种工况。车道布置的具体情况如图13所示。

(a)车道居中加载

(b)车道偏载加载

3.2 分析结果

本文着重分析了箱梁顶底板的横向受力以及箱梁顶、底板在基本组合下的内力结果，具体如图14、图15所示。

由图14可知，顶板最大负弯矩分别在边腹板和中腹板处，边腹板最大的弯矩为-126.18 kN·m，中腹板最大负弯矩为-177.47 kN·m；
顶板最大正弯矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中为42.285 kN·m，右箱室跨中为48.524 kN·m；
顶板最大剪力分别在边腹板和中腹板处，左侧边腹板最大的剪力为71.914 kN，中腹板最大剪力为145.85 kN，右侧边腹板最大的剪力为132.97 kN。

由图15可知，底板最大负弯矩分别在边腹板和中腹板处，边腹板最大的弯矩为-48.325 kN·m，中腹板最大负弯矩为-38.097 kN·m；
底板最大正弯矩在箱室的跨中位置，左箱室跨中为25.485 kN·m，右箱室跨中为25.427 kN·m；
底板最大剪力分别在边腹板和中腹板处，左侧边腹板最大的剪力为25.778 kN，中腹板最大剪力为23.667 kN，右侧边腹板最大的剪力为23.34 kN。

综上分析可知，箱梁顶板其抗弯承载力由负弯矩控制，其边腹板和中腹板处的弯矩和剪力均较大，在设计该位置处其配筋构造需要加强；
箱梁底板处弯矩和剪力较小，其与腹板位置处需要加强构造钢筋即可。

(a)基本组合箱梁顶板弯矩(kN·m)

(b)基本组合箱梁顶板剪力(kN)

(a)基本组合箱梁底板弯矩(kN·m)

(b)基本组合箱梁底板剪力(kN)

本文为了研究大跨径连续梁桥的受力特性，以当芜大桥为依托工程，采用了纵向整体分析和横向局部分析相结合的研究方法，对主桥的纵向整体受力和箱梁横向局部受力进行了分析，得到了以下结论：

(1)成桥阶段，SCDS和桥梁博士计算结果误差较小，有限元模型的准确性可以得到验证。

(2)活载作用下，SCDS和桥梁博士计算结果误差较大，最大正弯矩时在桥梁的跨中位置处误差较大，最大负弯矩时在结构的支点处误差较大。

(3)标准组合下，SCDS和桥梁博士计算的应力误差较小，其反映的趋势均为跨中处应力较大，支点处应力较小，SCDS计算结果更为保守，设计中为了偏于安全，本文以SCDS计算结果控制设计。

(4)箱梁横向分析对桥梁的结构安全有重要意义，通过计算结果分析可以表明，箱梁腹板和翼缘板交接处的弯矩和剪力均较大，此处的受力较为复杂，设计过程中需要加强该位置。

(5)横向分析结果分析表明，箱梁顶板受力较底板更为不利，其翼缘与边腹板交接处，以及中腹板与顶板交接处，弯矩和剪力是底板的3～5倍，故在设计中，顶板横向钢筋应加密。

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