混凝土箱梁帶牛腿橫梁結構受力分析

任秋云

江蘇蘇邑設計集團有限公司，江蘇 南京 210000

預應力混凝土梁橋出現于20 世紀30 年代，并在50 年代以后取得了巨大發展。牛腿是梁托的別名，是一種外挑結構，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構中的薄弱部位。常見的牛腿形式主要有鋼筋混凝土結構和鋼結構，常規混凝土橋采用鋼筋混凝土牛腿形式，主要考慮其剛度大、外觀協調及養護簡單。但其自重較大，尤其當掛梁為混凝土箱梁時，常規為兩支座設計，支座反力較大，牛腿部位容易集中應力，設計中需要足夠重視牛腿的構造。

1 工程概況

某工程主橋、引橋均采用等截面預應力混凝土連續箱梁，主橋梁高5m，引橋梁高2m，利用梁高差在主橋端橫梁設置牛腿，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，豎向位置對應布置，減少因橫橋向支反力位置差異引起的橫橋向應力。主橋箱梁采用三向預應力體系，均采用φS15.2mm 預應力鋼絞線，其中橋面板橫向預應力和豎向預應力均采用15-3 型φS15.2mm預應力鋼絞線。橫梁普通鋼筋對應牛腿考慮增加抗剪箍筋、抗裂斜筋，牛腿頂層鋼筋加強，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

為消除邊界條件對計算目標構件的影響，建模時節段長度為9.28m，建立端橫梁的幾何實體和預應力束。對端橫梁模型進行網格劃分，主梁部分材料定義為C55 混凝土，支座部分為鋼材，網格大小為0.3m×0.3m。預應力筋使用自動劃分網格線功能，長度為0.3m。

車輛荷載按《公路橋涵設計通用規范》（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 計算結果

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 結構變形

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，數值為1.16mm。由圖2 可知，車輛荷載對實心部分的變形影響較小，對翼緣的變形影響較大。此外，支座傳遞的局部應力雖然已由支座截面分擔為均布荷載但對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 正截面法向應力

縱橋向的正截面法向拉壓應力如圖4 所示。正截面最大拉應力為1.01MPa ＜1.89MPa；最大壓應力為6.69MPa ＜ 24.4MPa。結構縱橋向正截面的拉壓應力滿足要求。

圖3 豎向位移圖（單位：mm）

圖4 縱橋向正截面法向應力圖（單位：MPa）

橫橋向的正截面法向拉壓應力如圖5 所示。正截面最大拉應力為0.38MPa ＜1.89MPa；最大壓應力為5.81MPa ＜ 24.4MPa。結構橫橋向正截面的拉壓應力滿足要求。

豎向的正截面法向拉壓應力如圖6 所示。正截面最大拉應力為0.50MPa ＜1.89MPa；最大壓應力為1.98MPa ＜ 24.4MPa。結構豎向正截面的拉壓應力滿足要求。

圖5 橫橋向正截面法向應力圖（單位：MPa）

圖6 豎向正截面法向應力圖（單位：MPa）

3.3 斜截面主拉應力

結構抗裂驗算主要關心的數據是構件的主應力，該模型出現最大主應力圖如圖7 所示。由圖7 可知，由于承受三向預應力的作用箱梁應力分布復雜，不考慮錨固區局部影響最大主拉應力為2.68MPa ＞0.5MPa×2.74MPa=1.37MPa。

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

圖7 最大主拉應力圖（單位：MPa）

圖8 主拉應力超限區域圖

總之，抗裂計算結果顯示端橫梁牛腿上緣出現較大體積的應力超限區域，應力超限區域位于引橋支座位置。

4 結論

文章采用空間有限元分析軟件進行建模分析，通過對混凝土箱梁帶牛腿橫梁的結構變形、正截面法向應力及斜截面主拉應力進行計算分析，可以發現：（1）端橫梁處預應力筋分布較密，預應力次內力對混凝土結構的受力存在一定影響。設計時可通過合理的預應力鋼束的布置，特別是縱向預應力鋼束的彎起位置及角度、橫向預應力鋼束的形狀位置、豎向預應力鋼束的加密設置等，減少預應力次內力的影響，增加橫梁結構的變形、抗剪、抗裂能力；（2）牛腿上設置的引橋支座傳遞的支座反力使支座附近出現應力超限現象，進行類似工程設計時應注意加強抗裂措施，對橫梁普通鋼筋設置時對應牛腿位置應考慮增加抗剪箍筋、抗裂斜筋等。