超宽预应力混凝土箱梁横向受力分析_吕为

载、汽车活载及温度荷载。二期恒载按均布荷载施 加于桥面板上，汽车活载首先按纵向结构计算求得 单车道活载，然后再进行横向加载，温度荷载包括 整体升降温和梯度温度。
内力验算组合包括了承载能力极限状态基本组
16
-0.1 -0.0 -0.1
-0.0
-0.9
-0.1 -0.1
-0.0
-0.5 -0.1
-0.1
【收稿日期】2014-02-18 【作者简介】吕为（1981—），男，重庆合川人，工程师，大学本科，主要从事桥梁设计工作。
15
西南公路
1325
425
150 60
690
28 30
60
45
575
750
图 1 箱梁断面示意图（单位： cm ）
为了使大悬臂宽箱梁结构满足受力要求，对主 梁的横向预应力进行了细致的配筋计算，通过计算 横向预应力采用钢绞线，纵向一般布置间距为 50cm ，横隔板附近进行局部加密。
7.9
6.4
3.9
6.3
2.7 -0.5
1.6
3.2 5.4
3.2 3.4
8.9
1.2 2.2
7.4 10.2
9.0
10.1
图 4 短期效应正截面应力（单位： MPa ）
σst -σpc ＜ 0.7ftk = 0.7×2.74 = 1.92MPa 可以看出结构在短期荷载作用下主梁的最大拉
应力小于控制拉应力 1.92MPa ，主梁验算是满足要
梁中所有预应力钢束和车辆轮轴荷载。计算中车辆 荷载 P=140/2 kN ，按照《公路桥涵设计通用规范》[7] 中车辆荷载重车后轮轮重采用。通常计算正常使用 极限状态下构件整体的抗裂、裂缝宽度时可不计汽 车的冲击系数，但是在计算车辆荷载的局部加载时 要考虑冲击系数，箱梁悬臂板上的冲击系数采用 0.3 。故在实体有限元模型中考虑车辆的冲击系数， 冲击系数按 0.3 采用。 2.2.1 无索区梁段分析
2 箱梁横向计算
箱梁横向计算采用两种手段进行分析，分别是 平面杆系分析和实体有限元分析，采用的软件分别 为桥梁博士有限元软件和 ANSYS 有限元软件。桥梁 博士软件中将计算对象作为平面梁单元进行有限元 离散，杆系有限元模型离散见图 2所示，在桥梁博 士软件的杆系有限元模型中对横向预应力也进行了 模 拟 。 在 ANSYS 有 限 元 软 件 中 取 跨 中 主 梁 纵 向 24m 长的梁段进行实体有限元建模，将汽车荷载模 拟为集中力加载到有限元模型上，集中力大小取值 按照《公路桥涵设计通用规范》 [9] 中规定的荷载进 行取值，横向预应力钢筋采用 link8 单元进行模拟。 有限元计算结果验算按 A类预应力混凝土构件进 行。实体有限元模型见图 3 所示。
梁结构体系满足公路行车安全的要求，采用大悬臂翼缘外加挑梁加劲的设计可以减轻主梁自重，在节约造价
的同时使桥梁看起来更加轻盈美观，同时对箱梁受力的计算分析可以为类似超宽单箱三室箱梁的横向计算分
析提供参考。
【关键词】超宽箱梁；横向计算；桥梁设计
【中图分类号】 U441.2
【文献标识码】 A
近年来，为适应交通现代化的需求，我国高等 级公路与城市立交工程的建设迅速发展。随着桥用 材料性能与施工工艺水平的不断进步，采用混凝土 箱梁的桥梁建设越来越多。由于箱梁截面抗扭刚度 大，动力特性好，能有效抵抗正负弯矩，便于上、 下层车道分流与管线布置，适应悬臂法与顶推法施 工要求，因此，箱型截面梁往往是公路混凝土梁桥 最佳的选择 [1] 。
Байду номын сангаас
出结构边腹板处出现最大拉应力，最大拉应力为
0.9MPa 。 C55 混凝土主梁按 A 类预应力混凝土受弯
构件的最大拉应力控制如下：
10.0
9.8
9.1 6.1 6.7
6.4
7.9
0.5
3.8
2.7
2.7 -0.9
3.9
1.5
3.5
3.1
3.1 5.3
6.1 6.1
2.0 2.1 0.6 0.6 2.8 2.7
1 工程背景
某矮塔斜拉桥主跨 238m ，采用预应力混凝土主 梁 ， 桥 面 全 宽 26.5m ， 桥 梁 边 跨 与 中 跨 的 比 为 0.54 。主梁采用预应力混凝土箱梁，主梁支点处梁 高为 7.2m ，跨中梁高 3.2m ，边跨和跨中从支点起 104.0m 范围内梁高按 1.8 次抛物线变化，跨中等高梁 段长 24m ，边跨等高梁段长 20.8m 。为减轻桥梁自 重，主梁采用单箱三室大悬臂同时外加挑梁加劲梁 的变截面混凝土连续箱梁。箱梁顶宽 26.5m ，悬臂 板长 5.75m ，箱梁底宽 15m ，两外腹板厚 60cm ，两 中间腹厚 45cm ，顶板厚度不变，边室为 30cm ，中 室为 60cm ；底板厚 28 ～ 100cm ，斜拉索锚固点布 置在箱梁中室内。主梁除支点处设横隔板外，在斜 拉索锚固点处均设横隔板，同时横隔板外伸形成挑 梁加劲，横隔板和加劲梁的间距均为 4m ，边室横隔 板厚度为 30cm ，中室横隔板厚度为 50cm 。大悬臂 箱梁标准断面如图 1 所示。
-8493.605 0
5.382
10.764
16.146
箱梁横向距离（m）
图 10 横桥向应力（工况 2 ）
21.528
（x10**3） 1402.890
306.593 -789.700 -1885.994 -2982.288 -4078.582 -5174.876 -6271.170 -7367.464 -8463.758 -9560.052
0
5.382
10.764
16.146
箱梁横向距离（m）
图 11 横桥向应力（工况 3 ）
21.528
（x10**3） 1411.817 312.794 -786.233 -1885.261 -2984.289 -4083.317 -5182.345 -6281.373 -7380.401 -8479.429 -9578.457
中腹板处顶缘应力 0.41 0.40 0.30 0.30 0.31
应力（pa）
应力（pa）
(x10**3) 1412.123
421.183 -5693754
-1560.692
-2551.630
-3542.568
-4533.506
-5524.444 -6515.382
-7506.320
-8497.258 0
图 6 主拉应力（单位： MPa ）
通过杆系有限元模型分析，可以看出箱梁横桥 向总体计算是满足规范要求的，说明在大跨度预应 力混凝土主梁中采用大悬臂超宽箱梁是可行的。 2.2 实体计算
为了进一步验证结构的可靠性，采用 ANSYS进 行有限元实体模型分析。实体模型精确模拟超宽箱
吕为：超宽预应力混凝土箱梁横向受力分析
顶板横向分布情况，图 16为考虑主梁自重，拉索索 力及纵横向预应力等因素下的纵向应力沿箱梁顶板横 向分布情况。从图 15 和图 16 中均可以看出在箱梁边 腹板处（横向距离 5.75m 、 20.75m ）压应力较大， 其他区域压应力要小些，说明箱梁顶板出现了正剪 力滞现象。从图 16 中可以看出在边腹板处的压应力 为 1.0MPa ， 但 是 在 箱 梁 边 缘 处 的 压 应 力 减 小 为 0.18MPa ，说明箱梁大悬臂段的剪力滞现象比较明 显。通过计算，工况 1 的剪力滞系数达到 1.3 左右， 工况 2 的剪力滞系数在 1.2 左右，说明在实际应力状 态下箱梁的剪力滞系数较仅有斜索力作用下的剪力 滞系数要小，但在设计中仍然不能忽视其影响。
2014 年第 1 期
西南公路 XINANGONGLU
超宽预应力混凝土箱梁横向受力分析
吕 为
（四川省交通运输厅交通勘察设计研究院 四川成都 610017 ）
【摘 要】某矮塔斜拉桥混凝土主梁顶板宽 26.5m ，采用大悬臂单箱三室截面，其中悬臂长度达到 5.75m 。
通过建立空间杆系模型和实体有限元模型，对大悬臂箱梁的横向受力进行了分析。分析结果表明大悬臂宽箱
求的。长期荷载作用下半幅箱梁正截面抗裂验算主
梁横向正应力见图 5所示，图中可以看出在长期荷
载作用下边腹板和顶板交接的地方出现了较小的拉
应力，但数值不大，仅为 0.3MPa ，这是由于采用杆
系结构导致该处有应力集中现象。
9.1
4.6
4.8
3.9
4.8
2.6 2.6
4.8
3.9 4.2
8.9
0.5
4.1 3.6
3.2
4.2
0.6
-0.3
3.5 7.4 5.9
1.0
54..03
2.3 2.3
1.4 1.4 2.3 2.2
4.2
3.2 2.7
-0.2
4.4 5.1
1.1 3.4
6.5
1.2 1.3
8.3
图 5 长期效应正截面应力（单位： MPa ）
半幅箱梁斜截面抗裂验算主梁的主应力见图
6 所示，图中可以看出主梁在边腹板处出现最大主拉
0
5.382
10.764
16.146
箱梁横向距离（m）
图 12 横桥向应力（工况 4 ）
21.528
17
应力（pa）
应力（pa）
西南公路
应力（pa）
（x10**3） 1412.498 313.829 -784.836 -1883.502 -2982.168 -4080.834 -5179.500 -6278.166 -7367.832 -8475.498 -9574.164
图 2 杆系有限元模型
合，正常使用极限状态短期效应组合和正常使用极
限状态长期效应组合。通过计算结果验算结构在运
营阶段的应力是否满足承载力要求、结构耐久性要
求和结构的整体刚度要求。
由于箱梁左右对称，以下计算结果均为半幅箱
梁的计算结果。短期荷载作用下半幅箱梁正截面抗
裂验算主梁横向正应力见图 4所示，从图中可以看
表 1为不同工况下箱梁不同腹板处的应力情 况，表中可以看出，在所有工况下边腹板和顶板交
接处均处于受压状态，在中腹部和顶板交接处出现 了小范围的拉应力区域，数值小于容许拉应力。
表 1 不同工况下腹板应力（单位： MPa ）
工况编号
1
2
3
4
5
边腹板处顶缘应力 -3.6 -3.7 -3.3 -3.0 -3.1
5.382
10.764
16.146
箱梁横向距离（m）
图 9 横桥向应力（工况 1 ）
21.528
（x10**3） 1412.676
422.046 -5683581 -1559.209 -2549.837 -3540.465 -4531.093 -5521.721 -6512.349
-7502.977
虽然桥梁采用箱型截面形式有很多的优点，但 从已建成部分桥梁来看，箱型截面梁也存在一些问 题，主要表现在以下几个方面 [2~8] ：
（ 1）箱型截面梁自重较大。对于大跨径桥 梁， 90% 以上的承载力用于抵抗梁的自重，其技术 经济效益受到影响。
（ 2）混凝土箱梁桥的后期变形大。近年来， 通过对已建成的部分桥梁的观测发现箱型截面梁的 后期变形很大。
0
5.382
10.764
16.146
箱梁横向距离（m）
图 13 横桥向应力（工况 5 ）
21.528
2.2.2 有索区梁段分析 选取跨中有索区梁段为研究对象，为了研究在
斜拉索索力作用下主梁的受力特性，作者采用空间 有限元程序 ANSYS 对该超宽箱梁的在拉索作用下的 力学行为进行分析。有限元模型见图 14 所示。
选取跨中无索区梁段为研究对象，根据车道布 置五种较为不利的工况，五种计算工况分别如下：
工况一：偏载布置 2 车道汽车活载 工况二：偏载布置 3 车道汽车活载（见图 7 ） 工况三：对称布置 2 车道汽车活载（见图 8 ） 工况四：对称布置 4 车道汽车活载 工况五：对称布置 6 车道汽车活载
125 180 130 180 130 180
P
PP
PP
P
图 7 荷载布置示意（工况 2 ）
图 8 荷载加载示意（工况 3 ）
图 9~ 图 13 为箱梁顶板上缘横向应力沿箱梁横向 的分布情况。图中可以看出所有工况下箱梁顶板应 力大部分均处于压应力状态，但在箱梁中腹板处出 现了 0.3MPa 左右的小幅拉应力，该数值和杆系计算 结果中长期效应下的拉应力相差不大，但所有拉应 力数值均小于 1.92MPa 的容许拉应力，说明箱梁在 5 种较不利工况下仍能满足要求。
（ 3 ）箱型截面梁桥的开裂。近几年在对腹板间 距大、箱壁薄的钢筋混凝土连续箱梁进行调查中， 发现有许多严重的横向裂缝，它的存在与发展将在 一定程度上对桥梁结构安全与使用寿命造成损害。
产生以上问题的主要原因是混凝土箱梁自重较 重，如果能有效降低混凝土主梁的自重，上面几个
问题能得到较大的改善。超宽混凝土大悬臂箱梁由 于采用了大悬臂结构，能较大程度的减轻主梁自 重，但采用大悬臂箱梁应加强箱梁横向的验算，本 文主要是通过有限元模型对该类型预应力混凝土箱 梁进行横向计算分析。
应力，最大主拉应力为 0.9MPa ，最大主压应力出现
在翼缘上，最大主压应力为 10.2MPa ，箱梁的主拉
应力和主压应力均小于 C55 混凝土的主应力限值。
10.2
10.1
10.0
9.8
9.0
6.4
7.9
6.1 6.1
7.9
6.4
图 3 实体有限元模型
2.1 平面杆系计算 平面杆系计算中荷载考虑主梁自重、二期恒