摘 要：斜拉桥是高次超静定结构，其受力状态复杂，局部应力问题突出，其中，横梁显著影响其横向弯曲效应，文章通过ANSYS软件对鸭池河大桥的边跨的三种横梁建立局部实体模型，进行仿真分析，通过对成桥阶段、运营阶段短期和标准组合的应力的考察，保证横梁结构的安全性，并用于指导设计和施工。并提出：对于相关类似桥梁，为保证其结构受力的准确模拟，需进行局部仿真分析。
关键词：斜拉桥；横梁；局部模型；仿真分析。
1 引言
斜拉桥是高次超静定结构，同时也是大跨度的柔索结构[1]，因此，对于斜拉桥来说，在结构体系、恒载和二期铺装等荷载确定而梁体的受力状态尚未确定，需要调节索力的分配比例，以确定其最合理的线形和内力状态[2]。换句话说，斜拉桥空间结构复杂，传统的平面分析已不能反映构件的真实受力状态，设计中只有通过建立局部空间模型来验证结构的安全性[3]。在众多的斜拉桥空间问题中，混凝土斜拉桥主梁的空间问题有剪力滞效应、活载偏载效应和横向弯曲效应。横向弯曲效应则与横梁的平面尺寸和横梁预应力有关，鲜少见相关研究。横梁虽然不被看作是斜拉桥的主要构件，但斜拉桥横梁是将斜拉索索力均匀传递至主梁的结构构件，对于加强结构的横向联系、保证结构的整体性起到很大作用[4]。尤其是当前，桥梁结构愈来愈宽，车辆荷载也愈来愈大，横梁的正确受力及设计计算成为设计中不可或缺的一部分。除索力外，横梁均受到自重、活载、温度等荷载的影响，此外，混凝土横梁还会施加预应力效应，受力时，拉索横梁受到斜拉索和主梁的联合约束，共同承担荷载作用，其受力情况复杂[5]。本文通过对鸭池河大桥边跨混凝土梁上的三种不同横梁的仿真分析，为相关设计提供参考。
2 工程概况
鸭池河大桥为主跨800m的双塔双索面半漂浮体系的混合梁斜拉桥，其跨径布置为(72+72+76+800+76+72+72)m。中跨主梁为正交异性钢桥面板结合钢桁梁，边跨主梁为预应力混凝土箱梁，中跨钢桁梁与边跨预应力混凝土箱梁间采用钢箱过渡。桥型布置如图1所示。
图1 桥型布置(m)
边跨混凝土主梁采用等截面预应力混凝土边箱梁结构，标准梁宽27.7m，钢混结合段前4m变至与主桁同宽的28.0m，双向2%横坡，边箱外腹板边缘高7.924m，边箱底宽7.4m，顶板厚0.3m，底板厚0.3m，靠近路边缘侧腹板厚0.7m，靠近路中心线侧腹板厚0.6m。边跨混凝土主梁标准断面见图2。
为加强混凝土主梁的横向联结，沿桥纵向每8m设置一道标准混凝土横梁，箱梁中心线处高3.5m，厚0.4m；在过渡墩、辅助墩及主塔支座位置增加一道横梁，箱梁中心线处高8.201m，过渡墩处端横梁厚3m，辅助墩处横梁厚2m，主塔支座处横梁厚4m。横梁均设有预应力钢绞线，按全应力构件设计。
边跨斜拉索沿桥纵向标准间距为8m，在边跨混凝土主梁两外侧腹板处设置锚固孔进行锚固，锚固处对应设置有标准混凝土横梁，以利于索力的传递。
图2 边跨混凝土主梁横梁处断面图
3 结构计算模型
计算取标准混凝土横梁、过渡墩处及辅助墩处混凝土横梁进行分析，分别为两个辅助墩之间九个梁段，共72m范围；过渡墩处附近的四个梁段，共38m范围；主梁辅助墩处附近的七个梁段，共55.6m范围。为充分还原结构受力的实际状态，防止预应力施加时在横桥向中心对称面附近产生大的局部应力，本文的仿真模型采用全截面建立。
3.1 仿真模型建立
由于三维实体单元能够详尽地描述桥梁结构，计算结果更真实地反映实际受力情况和横截面的变化情况。因此，本文利用大型通用有限元结构分析程序ANSYS,采用空间实体模型进行分析[6]。
主梁混凝土为C55混凝土，弹性模量E=3.55×1010N/m2，预应力钢筋采用钢绞线，弹性模量E=1.95×1011N/m2。
主梁混凝土采用solid实体单元，钢绞线采用beam4单元模型，根据节段处在弹性工作阶段的物理力学性质，本次计算中采用线弹性有限元计算，有限元模型如图3所示。模型考虑斜拉索对梁段的支撑作用，在主梁上施加对应的内力及适当的平动约束，在过渡墩和辅助墩处安装支座设置弹性支撑。
(a)标准混凝土横梁
(b)过渡墩处横梁
(c)辅助墩处横梁
图3 横梁有限元模型
3.2 荷载工况
模型考虑结构的真实受力状态，施加自重、桥面铺装、行车道护墙及检修道护栏等恒载；预应力荷载的施加采用杆单元降温的方式模拟，实际施加预应力考虑预应力钢筋与管道壁之间的摩擦损失、锚具变形钢筋回缩和接缝压缩的损失及混凝土收缩徐变导致的损失，其计算方法按规范严格执行[7]，汽车荷载和梯度温度亦按照规范[8]进行布设。横梁预应力损失如表1所述。
表1 横梁预应力损失
模型计算考虑三种工况，分别为成桥阶段、运营阶段短期组合及运营阶段标准值组合。其荷载组合如下：
工况一：自重+二期恒载+预应力荷载；
工况二：自重+二期恒载+预应力荷载+汽车荷载+温度梯度；
工况三：自重+二期恒载+预应力荷载+汽车荷载+温度梯度；
4 横梁横向应力分布
4.1 标准混凝土横梁
对于普通横梁进行局部分析，成桥阶段，设计中对在预应力锚固段及截面突变处横梁出现部分应力集中区域进行加强，除此以外，其余各部分应力状况分布均衡，横梁顶底部均处于受压状态。
a)顶板应力
b)底部应力
图4 普通横梁工况一下横梁应力
图4给出成桥阶段横梁横向应力图，此外，普通横梁在运营阶段短期组合及运营阶段标准值组合下均满足规范对全预应力构件的要求。在运营阶段短期组合下，除个别应力集中区域外，横梁底中部的最小压应力基本小于0.7MPa，横梁附近顶板基本处于受压状态，最小压应力为1.5MPa。在工况三荷载组合下，横梁附近的横向压应力最大为10MPa。
4.2 过渡墩处横梁
过渡墩处主梁横梁在成桥阶段整体处于受压状态，压应力富裕度较大，基本在1.5MPa以上。在运营阶段，由于顶板的梯度温度效应，横梁顶部产生0.2MPa～0.6MPa的拉应力，但该区域仅限于横梁顶面，横梁顶面以下位置，拉应力很快消失，满足A类预应力构件要求。横梁底部则处于全部受压状态，最小压应力基本小于0.4MPa，如图5所示。
a)顶板应力
b)底部应力
图5 过渡墩横梁工况二下横梁应力
在运营阶段标准值组合下，横梁的横向应力不超过10MPa，因此过渡墩处横梁在底部满足规范对全预应力构件的要求，顶部满足A类预应力构件要求。
4.3 辅助墩处横梁
a)顶板应力
b)底部应力
图6 辅助墩横梁工况三下横梁应力
与过渡墩横梁类似，辅助墩处主梁横梁在成桥阶段整体处于受压状态，横梁顶压应力富裕度基本在1.5MPa以上，横梁底压应力富余基本在2MPa以上。在运营阶段，同样由于顶板的梯度降温作用，横梁顶部少部分位置产生0.3MPa以内的拉应力，横梁顶面以下位置，拉应力很快消失，基本满足全预应力构件要求。横梁底部则处于全部受压状态，最小压应力基本小于0.4MPa。图5为在运营阶段标准值组合下，横梁的横向应力图，其应力不超过10MPa，因此辅助墩处横梁基本满足规范对全预应力构件的要求。
5 结语
虽然横梁是斜拉桥的次要构件，但却有其存在的必要性。在车辆荷载和桥宽不断增大的情况下，横梁的正确受力分析、设计计算以及材料的使用逐渐成为斜拉桥设计中不可或缺的一部分[4]。
传统的平面分析不能真实反映横梁受力状态，简化方法分析不仅误差较大，且不能得到空间的内力分配情况。为了模拟横梁的真实受力状态，就必须对横梁进行局部分析来验证结构的安全性[3]。本文通过对于鸭池河大桥边跨三种横梁进行局部仿真分析，得出横梁的横向应力满足规范要求，故其结构是安全的。与传统的梁杆体系的桥梁计算方法相比，局部仿真分析方法具有直观、详尽、精确、可靠等特点，比传统桥梁计算方法有实质性的改进和提高。文章为横梁为混凝土斜拉桥的横梁设计计算提供了技术参考，具有指导意义。
