斜、弯、宽箱梁分析与设计
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摘 要：文章结合了一大跨径大斜交角现浇箱梁的设计，介绍了斜、弯、宽箱梁的受力特点，分析了此类现浇箱梁结构设计上的特点及需验算的主要内容，以期为同类型桥梁的设计提供一定的参考。
关键词：大斜交角；现浇箱梁；结构计算
1 项目概况
随着城市化进程的逐步推进，社会对交通基础设施的需求为城市立交、高架桥的发展提供了良好的社会环境。由于受地形、地物、地下管线及占地面积等诸多条件的限制，城市高架桥梁经常会采用斜交形式。斜交桥按截面形式可以分为斜板桥、斜肋梁桥和斜箱梁桥。其中斜箱梁多用于连续体系的桥梁上，它具有抗扭刚度大、整体性好等特点，且满足斜交桥的受力要求。
工程背景：寿山路互通主线桥位于苏州市中环快速路太湖度假区连接线段。主线第4联跨越绕城高速，采用斜交预制组合箱梁，第3、5联均采用预应力混凝土现浇箱梁，均为一端正交、一端斜交的方式。其中第3联主线桥下有DN400高压输油管道通过，为保证管道运营不受影响，高架桥桩基需与输油管道保证不小于5m的净距，全联箱梁受力比较复杂。平面布置如图1所示。
桥梁上部结构采用斜腹板预应力箱梁，跨径组合为（33.35+30）m，单箱三室断面，桥梁全宽25.5m，主梁断面示意如图2所示。箱梁位于半径600m的平曲线上，首跨边支点及中支点正交，末跨边支点斜交角度达41.67°，导致内外侧腹板长度差异很大，内侧边腹板长度约56m，外侧边腹板长度约70m，相差约14m。
2 斜交箱梁受力特点
2.1 各腹板受力不同
由于主梁的“弯、扭”耦合效应，即便在对称荷载作用下，除产生弯矩内力外还要产生扭矩，发生弯扭耦合作用，并会会出现外梁超载、内梁卸载现象；由于各腹板长度不一，内外梁的跨径不同，这些均使斜交箱梁在支撑边上的反力很不均匀，钝角区域出现的反力比锐角区域大很多，甚至锐角区域可能出现负反力。[1]
2.2 纵、横向受力异常
随着斜交角的增大，斜梁桥的纵梁弯矩减小，而横梁的弯矩则增大，在斜度较大时，纵向跨中弯矩比同等跨径的正交桥小，横向弯矩远大于同等跨径的正交桥。即使在对称荷载作用下，同一纵梁上的弯矩也不对称，弯矩峰值向钝角方向靠拢。
2.3 梁移不同于正交桥
斜桥在其平面内具有转动特性。在外荷载作用下，会以转动中心产生不平衡的力矩及合力，引起斜桥在其平面的转动及平移，从而引起“斜桥的爬行”。桥梁均应设置防转动措施，以阻止梁板的“爬移”，即在箱梁各支承处设侧向挡块，挡块与梁板间以侧向橡胶支座相隔。相应地，墩台挡块或桥台耳墙必须有足够的配筋。
3 斜交箱梁设计及计算
3.1 分析模型探讨
斜度φ是斜梁桥中重要的指标，对反力分布和弯矩折减均有较大影响。一般情况下，斜桥的斜度小于20°时可用斜跨径按正桥计算，计算跨径取斜长，计算横截面尺寸取垂直断面尺寸；大于20°时应按斜桥采用空间计算程序进行分析计算[2]。一般可采用空间网格模型、折面梁格模型和自由度单梁模型。其中，梁格法可以直接输出主梁内力，便于利用规范进行强度验算，整体精度能满足设计和工程的精度要求。
梁格法的主要思路是将上部结构用一个等效梁格模拟，将分散在箱梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格，横向刚度则集中于横向梁格内。理论上要求：当原型结构和对应的等效梁格承受相同荷载时，两者的挠曲应恒等，而且在任一梁格内的弯矩、剪力和扭矩应等于该梁格所代表的实际结构部分的内力。
3.2 斜交箱梁主要验算内容
（1）主梁截面应力验算：短期效应组合、长期效应组合、基本组合下主梁截面应力是否满足规范要求，结合前述分析模型取用原则，当斜度较大时，各个腹板受力不同应有所反映。
（2）主梁截面承载能力极限状态验算：包括抗弯、抗剪、抗扭等。
（3）各支反力：验算最不利工况下最小支反力，以防止支座脱空。
（4）结构变形：除竖向变形外，还需考虑横向及扭转变形。核查模型中各部位位移是否合理，如：支座处位移是否满足要求；支座变形是否需修正分析模型；各处位移是否与抗震设施位置冲突。
4 工程实例验算
本节主要结合背景工程，介绍斜交箱梁空间模型验算。建模时把上部结构在腹板之间纵向切开成多个工字梁，根据梁格等效的基本原理，使划分后各个纵梁的中性轴和划分前上部结构的中性轴一致，如图 3 所示。
分别计算各道纵梁的上、下缘有效宽度以模拟其剪力滞效应；将各道腹板对应的腹板束及顶、底板束分别输入，同时为模拟实际各腹板间内力情况，将各横梁钢束按实际输入。空间计算模型如图4所示。其中将各道腹板按由长到短的顺序增加a～d的后缀分别表示。
4.1 件应力验算
对各个腹板应力综合分析可知，短期效应组合，构件最小拉应力为-0.84MPa，构件最大主拉应力0.95MPa
4.2 构件承载力验算
对该纵向主梁各个腹板进行承载能力极限状态验算主要包含两个内容，即正截面抗弯承载能力验算和斜截面抗剪承载能力验算。并根据《通规》4.1.6，分别按照基本组合和偶然组合对各项内力进行组合，从而对结构进行验算。
5 主要重难点及解决措施
5.1 钝角区负弯矩问题
E.C.汉勃利在《桥梁上部构造性能》书中指出，斜交箱梁在靠近钝角出现很大的上拱弯矩，同时在钝角角隅处将出现较大的反力和剪力，在锐角处出现较小的反力，还可能出现翘起现象。针对此类问题，本项目主桥结合空间计算结果，对钢束配置、钢筋配置及支撑方式进行反复优化调整。
由于本桥斜交侧与预制组合箱梁相接，过渡墩采用盖梁形式，使得本桥斜交侧可通过设置多个支座以平衡各腹板扭矩并可得到较好的支座反力储备。同时，钢束采用斜交侧设置张拉端的单端张拉的方式（联长较短且张拉端侧与组合箱梁相接，对施工无影响），并使腹板束通过边支点，极大的改善了钝角侧腹板的受力情况。
5.2 钝角区桥面板横向计算
由于本桥梁端斜交角度很大，且箱梁采用斜腹板大悬臂箱梁（悬臂长度达4.5m），在锐角区域必然出现较大的三角区域无法布置横向预应力钢束。为解决此类问题，将斜交侧端横梁完全挑出，减小锐角三角区面积，简化传力路径，并辅助配置一定的横向加强钢筋，如图7所示。
6 结束语
大斜度箱梁，因其结构受力特性比同等跨径的正交箱梁复杂许多，为保证结构安全，其设计时需验算的内容较直线桥多，应引起设计人员的足够重视。
参考文献
[1]易辉.斜交箱梁桥有限元计算分析[J].中国水运，2011.
[2]E.C.汉勃利.桥梁上部构造性能[Z].
[3]JTG D62-2004.路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].