四跨V型墩連續剛構橋結構設計

李建斌

（杭州市城建設計研究院有限公司，浙江杭州 310001）

0 引言

V型墩連續剛構橋造型美觀，結構簡潔輕巧，后期維護費用少，自桂林漓江大橋建成以后得到很廣泛的應用，特別是隨著預應力材料、設備、施工工藝的發展及高強混凝土的應用，使得該橋型不斷發展和完善，橋梁結構向連續體系、大跨徑及多跨聯發展。本文結合某四跨V型墩連續剛構橋的設計研究，對該橋型設計中的跨徑布置、墩身厚度及傾角、頂板厚度、溫度作用及合攏溫度選定、配重調整結構內力等問題提出見解，為同類橋型提供設計參考。

1 工程概況

1.1 橋型布置

某橋全長293.2 m，橋寬34.5 m。設計道路等級為城市主干道，設計荷載為城-A級。其中主橋為（54+72+72+54）m四跨V型墩連續剛構橋，主橋布滿河道。主橋墩采用擴大基礎直接嵌入微風化基巖。具體見圖1所示。

1.2 結構設計

1.2.1 上部結構

主橋采用三墩四跨V型墩預應力混凝土連續剛構，跨徑布置為（54+72+72+54）m。全橋橫斷面雙幅布置，中間懸臂采用后澆帶剛性連接。單幅橋采用單箱雙室箱梁，箱梁橋墩處梁高為3.3 m，中跨跨中及橋臺處梁高為1.8 m。梁高按二次拋物線變化。

箱梁底寬12.25 m，頂寬17.25 m，單室凈寬4.925～5.150 m，共設置三道腹板，厚度80～65 cm，頂部外側箱梁挑臂2.5 m，箱梁頂板厚度30 cm，在V墩處為40 cm，懸臂端部厚25 cm，根部75 cm，底板厚度由跨中的30 cm增至根部的50 cm，按二次拋物線設置，并且在V墩處的厚度為50 cm。

全橋單幅設置8道橫梁，除2道端橫梁寬度為150 cm外，其余中橫梁寬度均為2 m。

箱梁采用預應力混凝土結構。縱橋向預應力布置于腹板及頂底板，為主要受力配筋，采用12φs15.2及9φs15.2兩種預應力束。腹板預應力束局部下彎形成豎向預應力體系。在橋墩橫梁處設置9φs15.2預應力束以改善墩梁固結處結構受力。

箱梁采用C55混凝土。

1.2.2 下部結構

全橋半幅采用三個V墩。墩身為變寬度變厚度薄壁，墩頂寬度12.25 m，厚度1 m，墩底寬度10.45 m，厚度1.5 m。墩身內設局部豎向預應力以改善結構受力。

1號、5號橋墩采用墻式橋墩，墩厚220 cm。承臺厚度為1.5 m。

承臺采用 C30混凝土，V型墩墩身及其它墩身、墩帽采用C40混凝土。

1.2.3 基礎

V墩基礎采用剛性擴大基礎，持力層為⑤3層微風化粉砂巖。基礎橫橋向12.45m，順橋向7m，高度為5.8～6.8 m。

1號、5號橋墩基礎采用樁基礎，樁徑150 cm，基礎持力層為微風化基巖層。

樁基礎采用 C30水下混凝土，擴大基礎采用C30混凝土。

2 主要結構設計研究

2.1 橋梁布跨

現已建成的V型墩連續剛構的邊中跨之比約在0.55～0.7之間，基本與一般連續梁或連續剛構邊中跨之比約為0.6相近。表1列出了幾座橋梁的邊中跨比。但由于V型墩連續剛構結構受力特性，對溫度作用敏感，溫度作用占總活載作用的40%左右，適當增加邊跨而減小中跨，可減小結構受溫度作用的影響。

表1 已建V型墩連續剛構橋邊中跨比一覽表

該橋按（54+72+72+54）m布跨，邊中跨之比為0.75，有效地減小溫度作用。同時由于橋位處河道兩岸為斜坡防洪堤，加大邊跨使得橋墩不受防洪堤影響，總體布置協調、美觀。

2.2 墩身厚度及傾角

2.2.1 墩身厚度

一般情況下，連續剛構設計時為減少溫度作用，總是以減小橋墩剛度來實現。在墩身高度受限的情況下，則盡量減小墩身截面尺寸。但在V型墩連續剛構設計時，由于V型墩與梁體間形成強大的三角固定結構，三角整體轉動變形作用占主要部分，真正水平位移與連續剛構相比，明顯變小。

該橋設計時，對墩身厚度采用100 cm、120 cm、150 cm三種情況進行計算對比，其梁體應力變動幅度僅在2 MPa以內，說明改變墩身厚度來降低橋墩剛度，從而減少溫度作用影響，效果不明顯。

具體在該橋設計時，墩身厚度按構造及配筋需要取定。實際墩身厚度墩頂為100 cm，墩底為150 cm，墩身寬度呈倒梯形，以減少基礎尺寸。

2.2.2 V型墩傾角

V型墩傾角（墩身與水平夾角）一般在60°～45°之間，當傾角較大時更趨近于連續剛構的H型墩，結構受力也更接近于連續剛構；當傾角較小時，結構受溫度作用更加明顯。然而V型墩傾角的確定除受結構受力影響外，很大程度上取決于橋位處地形及河道形式，當地形開闊，河道以淺灘的形式布置時，采用較大的傾角更能體現V型墩連續剛構的剛勁之美，而當地形局促，河道設置較高防洪堤時，傾角不宜太小，否則不能與地形、地貌相協調。

根據該橋所處位置的地形、地貌及防洪堤形式，結合結構長聯溫度作用影響大，為盡量減小該影響，V型墩傾角采用60°。

2.3 頂板厚度

在V型墩連續剛構橋的計算過程中，往往會發生頂板應力超規范的現象，在該橋的設計時，對頂板采用25 cm、28 cm、30 cm三種情況進行計算對比，其主要斷面應力變化明顯。這與該種橋型結構受力特性是相符合的，即溫度作用占比較大，特別在均勻升溫的情況下，其中跨幾乎全截面均勻受壓。該橋頂板厚度實際采用30 cm。

2.4 溫度作用及合攏溫度選定

2.4.1 溫度作用

溫度作用按規范要求有均勻溫度作用和梯度溫度作用。梯度溫度作用規范有明確要求，一般橋梁上部結構均應作為荷載進行組合，但為使這種作用效應達到最小，常采用瀝青混凝土鋪裝層的方法。該橋橋面鋪裝采用10 cm瀝青混凝土。

均勻溫度作用對V型墩連續剛構結構受力非常敏感，其作用效應會達到全部活載效應的40%以上，在常規狀態下甚至會使受壓區產生拉應力。因此對該作用進行深入研究極為必要。規范給出了在缺乏實際調查資料時最高和最低有效溫度標準值，在溫熱地區混凝土結構最高溫度為34℃，最低溫度為-3℃。在計算圬工拱圈時，考慮徐變作用，溫差效應應乘以0.7的折減系數，但對V型墩連續剛構橋等結構并未提出要求。鐵路橋規規定“計算溫差應力時，對于日照溫差宜采用混凝土受壓彈性模量；對于降溫溫差宜采用0.8倍受壓彈性模量”。同時規定“計算主力與溫差應力組合，可不再與其它附加力組合。此時，材料容許應力可提高20%”。可見，對于梁式橋是否應考慮徐變影響對溫度應力進行折減，各規范偏差較大。現階段，為保證橋梁的安全度，往往都未進行折減。

該橋在考慮均勻溫度作用時，未進行折減。另由于近年來，氣溫常常失常，時有暴冷暴熱現象出現，局部地區最高氣溫已達到42℃，路面最高溫度可達70℃。在如此高的溫度下，很多既有橋梁也產生了因溫度作用引起病害。為保證安全，該橋實際溫度取值為最高45℃，最低-5℃。

2.4.2 合攏溫度的選定

鑒于V型墩連續剛構橋的受力特性，溫度作用效應占比較大，且在約束區梁體在均勻升降溫時，其截面應力變化較均勻，因此，合理選擇合攏溫度意義重大。一般混凝土結構抗壓性能好，而抗拉性能較差，為發揮混凝土較好的抗壓性能，選擇較低的合攏溫度是合適的。

該橋經過試算，選定合攏溫度為10℃，全橋受力性能較好地滿足規范要求。

2.5 內力調整

超靜定結構在合攏時可采用外力對結構內力進行調整，以使結構受力合理。一般情況下，可采用兩種方法，一是在合攏口進行頂推，主要用于當合攏溫度偏高時，為使結構受力符合合攏時，計算的受力狀況；二是當結構受力復雜，調整預應力束很難使結構符合規范要求，可采用配重對其進行調整。該方法也可用于調整連續剛構橋及V型墩剛構橋墩身受力。

該橋采用配重方法對結構內力進行調整。在中跨合攏時，在邊V墩內側進行配重調整，經試算，取用配重1 500 kN時，結構受力滿足規范要求，且V墩兩墩身受力較均勻。

3 結語

V型墩連續剛構結構受力較復雜，特別是均勻溫度作用影響結構受力較大，當基礎為嵌巖的剛性擴大基礎，且為多跨結構時，可采用適當增大邊跨、增大墩身傾角及降低合攏溫度等措施減小溫度作用影響。適當增加頂板厚度，可充分發揮混凝土抗壓能力強的優點，易于結構配置預應力鋼索。在合攏時，施加配重，可調整結構內力，使結構受力合理，降低費用。

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