任秋云

江蘇蘇邑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋出現(xiàn)于20 世紀(jì)30 年代，并在50 年代以后取得了巨大發(fā)展。牛腿是梁托的別名，是一種外挑結(jié)構(gòu)，為了滿足承受力的要求，通常都把它做得足夠粗大，形似牛腿。由于梁的相互搭接，中間還要設(shè)置傳力支座來傳遞較大的豎直和水平反力，因此牛腿高度已削弱至不到梁高的一半，卻又要傳遞較大的豎直和水平反力，這就使它成為上部結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。常見的牛腿形式主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，常規(guī)混凝土橋采用鋼筋混凝土牛腿形式，主要考慮其剛度大、外觀協(xié)調(diào)及養(yǎng)護(hù)簡單。但其自重較大，尤其當(dāng)掛梁為混凝土箱梁時(shí)，常規(guī)為兩支座設(shè)計(jì)，支座反力較大，牛腿部位容易集中應(yīng)力，設(shè)計(jì)中需要足夠重視牛腿的構(gòu)造。

1 工程概況

某工程主橋、引橋均采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主橋梁高5m，引橋梁高2m，利用梁高差在主橋端橫梁設(shè)置牛腿，引橋支座布置于牛腿上，通過橫梁將荷載傳遞至橋墩。

主橋端橫梁寬1.42m、高5m，牛腿寬1.28m、高2.6m，如圖1 所示。引橋支座距牛腿邊緣0.7m，主橋支座距牛腿邊緣1.4m，橫橋向支座間距均為12m，豎向位置對(duì)應(yīng)布置，減少因橫橋向支反力位置差異引起的橫橋向應(yīng)力。主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，均采用φS15.2mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其中橋面板橫向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力均采用15-3 型φS15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橫梁普通鋼筋對(duì)應(yīng)牛腿考慮增加抗剪箍筋、抗裂斜筋，牛腿頂層鋼筋加強(qiáng)，防止局部受壓開裂。

圖1 主橋端橫梁示意圖（單位：m）

2 模型的建立

為消除邊界條件對(duì)計(jì)算目標(biāo)構(gòu)件的影響，建模時(shí)節(jié)段長度為9.28m，建立端橫梁的幾何實(shí)體和預(yù)應(yīng)力束。對(duì)端橫梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主梁部分材料定義為C55 混凝土，支座部分為鋼材，網(wǎng)格大小為0.3m×0.3m。預(yù)應(yīng)力筋使用自動(dòng)劃分網(wǎng)格線功能，長度為0.3m。

車輛荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）選取，采用偏載布置，車輪位于近伸縮縫位置。橋面二期恒載取4.3kN/m2，人行道二期恒載取2kN/m2。引橋傳遞的最不利集中力為8450kN。

3 計(jì)算結(jié)果

文章主要分析了車輛荷載和引橋支座反力共同作用下的端橫梁受力特性。

3.1 結(jié)構(gòu)變形

三向、豎向位移圖如圖2、圖3 所示。由圖2 可知，端橫梁三向位移的最大值位于上翼緣，數(shù)值為1.16mm。由圖2 可知，車輛荷載對(duì)實(shí)心部分的變形影響較小，對(duì)翼緣的變形影響較大。此外，支座傳遞的局部應(yīng)力雖然已由支座截面分擔(dān)為均布荷載但對(duì)混凝土主梁變形影響仍然較大。

圖2 三向位移圖（單位：mm）

3.2 正截面法向應(yīng)力

縱橋向的正截面法向拉壓應(yīng)力如圖4 所示。正截面最大拉應(yīng)力為1.01MPa ＜1.89MPa；最大壓應(yīng)力為6.69MPa ＜ 24.4MPa。結(jié)構(gòu)縱橋向正截面的拉壓應(yīng)力滿足要求。

圖3 豎向位移圖（單位：mm）

圖4 縱橋向正截面法向應(yīng)力圖（單位：MPa）

橫橋向的正截面法向拉壓應(yīng)力如圖5 所示。正截面最大拉應(yīng)力為0.38MPa ＜1.89MPa；最大壓應(yīng)力為5.81MPa ＜ 24.4MPa。結(jié)構(gòu)橫橋向正截面的拉壓應(yīng)力滿足要求。

豎向的正截面法向拉壓應(yīng)力如圖6 所示。正截面最大拉應(yīng)力為0.50MPa ＜1.89MPa；最大壓應(yīng)力為1.98MPa ＜ 24.4MPa。結(jié)構(gòu)豎向正截面的拉壓應(yīng)力滿足要求。

圖5 橫橋向正截面法向應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6 豎向正截面法向應(yīng)力圖（單位：MPa）

3.3 斜截面主拉應(yīng)力

結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算主要關(guān)心的數(shù)據(jù)是構(gòu)件的主應(yīng)力，該模型出現(xiàn)最大主應(yīng)力圖如圖7 所示。由圖7 可知，由于承受三向預(yù)應(yīng)力的作用箱梁應(yīng)力分布復(fù)雜，不考慮錨固區(qū)局部影響最大主拉應(yīng)力為2.68MPa ＞0.5MPa×2.74MPa=1.37MPa。

主拉應(yīng)力超限區(qū)域圖如圖8 所示。由圖8 可知，可以看出大體積的主應(yīng)力超限區(qū)域主要集中在端橫梁牛腿上緣支座附近。其余的應(yīng)力集中區(qū)域體積較小，且主要集中在預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)和車輛荷載加載位置附近，可忽略。

圖7 最大主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 主拉應(yīng)力超限區(qū)域圖

總之，抗裂計(jì)算結(jié)果顯示端橫梁牛腿上緣出現(xiàn)較大體積的應(yīng)力超限區(qū)域，應(yīng)力超限區(qū)域位于引橋支座位置。

4 結(jié)論

文章采用空間有限元分析軟件進(jìn)行建模分析，通過對(duì)混凝土箱梁帶牛腿橫梁的結(jié)構(gòu)變形、正截面法向應(yīng)力及斜截面主拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，可以發(fā)現(xiàn)：（1）端橫梁處預(yù)應(yīng)力筋分布較密，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的受力存在一定影響。設(shè)計(jì)時(shí)可通過合理的預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，特別是縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的彎起位置及角度、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的形狀位置、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的加密設(shè)置等，減少預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的影響，增加橫梁結(jié)構(gòu)的變形、抗剪、抗裂能力；（2）牛腿上設(shè)置的引橋支座傳遞的支座反力使支座附近出現(xiàn)應(yīng)力超限現(xiàn)象，進(jìn)行類似工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)抗裂措施，對(duì)橫梁普通鋼筋設(shè)置時(shí)對(duì)應(yīng)牛腿位置應(yīng)考慮增加抗剪箍筋、抗裂斜筋等。