V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力特性分析

徐治芹 馬春佳

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋外形輕巧、美觀、新穎，結(jié)構(gòu)受力性能良好，兼有拱橋和梁橋的特點，橋梁景觀效果好，已成為現(xiàn)在比較流行的一種橋型[1]。尤其在景觀要求較高的地區(qū)，出現(xiàn)了大量的V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋。

雖然此種橋型已建成很多，但其設(shè)計、施工中依然存在較多問題，比如：V型墩的施工方法、局部節(jié)點構(gòu)造形式的確定、水平力引起的拉應(yīng)力過大問題等。其中由整體升降溫等產(chǎn)生的水平力對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大拉應(yīng)力的問題是較為突出的問題之一。

1 概況

V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诙樟汗探Y(jié)體系，橋梁縱向剛度較大[2]。影響其縱向剛度的主要因素有斜腿厚度、豎墩厚度、豎墩高度以及墩底連接形式等，本文以一座典型的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋為實例，建立有限元模型，分析上述四種因素對橋梁受力的影響，并結(jié)合其它條件，探討優(yōu)化設(shè)計的措施。

昆獨侖三號橋位于鄂爾多斯市中央大道上，主橋長220 m，跨徑布置為（60+100+60）m，為一座V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁全寬42 m，分左右幅，單幅橋?qū)?9.5 m，中央分隔帶寬3 m。主橋結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[3]。

2 有限元分析模型

圖1 橋梁立面簡圖（單位：m）

由于該橋主梁及V型墩的長細比較大，并且結(jié)構(gòu)對稱規(guī)整，對于分析主橋縱向剛度，采用平面桿系有限元軟件進行計算是合理的[4]。計算模型共劃分268個梁單元，8個剛臂，如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

模型中各部位尺寸及鋼絞線線形、參數(shù)依照該橋原設(shè)計參數(shù)輸入，具體為：邊跨梁高由3 m漸變高4.5 m，中跨梁高最矮處3 m。截面為箱型截面，單箱四室。V型腿厚度2 m，寬度15.5 m，與水平方向夾角55°。豎墩厚度4 m，寬度15.5 m。邊界條件為：兩端為滑動支座，兩個V型墩底初始設(shè)為固結(jié)。

模型施加荷載主要有：（1）自重：軟件自動計算，集度為26 kN/m3。（2）二期恒載：主要為橋面鋪裝、防撞護欄、人行道板及欄桿，用線荷載模擬。（3）活載：公路I級，單幅橋布置4車道，偏載系數(shù)取1.2，并考慮1.3倍的放大系數(shù)；人群荷載3 kN/m2，單幅橋單側(cè)布置人行道，寬度4 m。

3 各影響因素計算結(jié)果對比分析

3.1 斜腿厚度的影響

V型墩兩個斜腿的厚度直接影響V型墩的整體剛度，從而影響橋梁整體的受力性能。以初始模型中其他條件不變，V型墩斜腿厚度分別取1 m、1.5 m、2 m和3 m來進行對比分析。

對比內(nèi)容為主梁和V型墩的控制設(shè)計指標(biāo)：（1）短期效應(yīng)組合下，主梁上下緣最大拉應(yīng)力；（2）標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁上下緣最大壓應(yīng)力；（3）短期效應(yīng)組合下，V型墩斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩斜腿的強度。

對比結(jié)果如圖3～6所示：

圖3 主梁上下緣最大拉應(yīng)力（單位:MPa）

圖4 主梁上下緣最大壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖5 斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖6 斜腿最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著斜腿厚度的增大，（1）主梁下緣最大拉應(yīng)力變化不大，上緣最大拉應(yīng)力隨之增大；（2）主梁上下緣最大壓應(yīng)力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之增大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，斜腿強度隨著厚度增大而增大，均滿足要求。

3.2 豎墩厚度的影響

豎墩厚度也是V型墩剛度的影響因素之一。以初始模型中其他條件不變，豎墩厚度分別取3m、4 m、5 m和6 m來進行對比分析。

對比內(nèi)容為：（1）短期效應(yīng)組合下，主梁上下緣最大拉應(yīng)力；（2）標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁上下緣最大壓應(yīng)力；（3）短期效應(yīng)組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩豎墩的強度。

對比結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 主梁上下緣最大拉應(yīng)力（單位:MPa）

圖8 主梁上下緣最大壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖9 豎墩及斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖10 豎墩最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著豎墩厚度的增大，（10主梁上下緣最大拉應(yīng)力均隨之增大；（2）主梁上下緣最大壓應(yīng)力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之增大，豎墩裂縫寬度變化不大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，豎墩的強度均滿足要求，只是隨著厚度增大，豎墩強度增大。

3.3 豎墩高度的影響

以初始模型中其他條件不變，豎墩高度分別取4 m、6 m、7 m、10 m來進行對比分析。

對比內(nèi)容為：（1）短期效應(yīng)組合下，主梁上下緣最大拉應(yīng)力；（2）標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁上下緣最大壓應(yīng)力；（3）短期效應(yīng)組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩豎墩的強度。

對比結(jié)果如圖11～14所示：

圖11 主梁上下緣最大拉應(yīng)力（單位:MPa）

圖12 主梁上下緣最大壓應(yīng)力（單位:MPa）

圖13 豎墩及斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖14 豎墩最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著豎墩高度的增大，（1）主梁上下緣最大拉應(yīng)力均隨之減小；（2）主梁上下緣最大壓應(yīng)力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之減小，豎墩裂縫寬度隨之增大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，豎墩的強度均滿足要求，只是隨著高度增大，豎墩內(nèi)力隨之減小。

3.4 墩底連接形式的影響

為改善V型墩剛構(gòu)橋的順橋向剛度，將墩底做成鉸接形式是一個可供嘗試的方法。以初始模型中其他條件不變，墩底連接形式分別設(shè)為剛接和鉸接兩種，來進行對比。

對比內(nèi)容為：（1）短期效應(yīng)組合下，主梁上下緣最大拉應(yīng)力；（2）標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁上下緣最大壓應(yīng)力；（3）短期效應(yīng)組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）主梁變形。

對比結(jié)果如表1所示：

表1 V型墩底剛接與鉸接對結(jié)構(gòu)的影響對比表

從上表中數(shù)據(jù)可知：墩底設(shè)鉸，則（1）主梁上下緣最大拉應(yīng)力未出現(xiàn)；（2）主梁上下緣最大壓應(yīng)力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度明顯減小；（4）主梁變形明顯減小。

4 結(jié)語

（1）合理減小V型墩斜腿及豎墩厚度，可有效減小全橋縱向剛度，優(yōu)化全橋受力狀況。但也應(yīng)注意斜腿及豎墩厚度的減小對其本身強度、穩(wěn)定性及變形的影響；同時也應(yīng)注意下部構(gòu)件尺寸與上部構(gòu)件尺寸的外觀協(xié)調(diào)性，避免出現(xiàn)“頭重腳輕”的情況。

（2）增大V形墩豎墩高度，可優(yōu)化全橋縱向剛度。豎墩高度不僅由結(jié)構(gòu)受力性能控制，同時也受結(jié)構(gòu)的外形、地形條件、標(biāo)高等因素控制，具體設(shè)計中應(yīng)結(jié)合所有條件全方位綜合考慮，選取最優(yōu)墩高。

（3）將V型墩底設(shè)置為鉸接，釋放彎矩約束，墩底可轉(zhuǎn)動，全橋受力狀況可明顯改善，特別是由整體升降溫等引起的水平力對橋梁的作用會明顯降低。但受力鉸構(gòu)造十分復(fù)雜，且跨徑越大，對設(shè)計、施工要求越高；同時因鉸處于墩底，容易受水腐蝕，后期維護成本較高，因此，對于跨徑不太大的V型墩剛構(gòu)橋可以考慮運用；大跨徑V型墩剛構(gòu)橋建議優(yōu)先考慮其他改善水平剛度的做法。

總之，改善V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)λ搅Φ某惺苣芰Γ瑧?yīng)結(jié)合其實際情況，考慮采用以上一種或幾種方式來優(yōu)化橋梁的縱向剛度，使橋梁受力更趨合理。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]趙會東，李承根.V形支撐連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋合攏段設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2002(5)：39-42.

[3]中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司.鄂爾多斯市東勝鐵西三期開發(fā)片區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施工程昆獨侖3號橋施工圖[Z].天津：中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，2010.

[4]宋雨，項貽強，徐興，等.預(yù)應(yīng)力混凝土V型墩連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的空間分析[J].中國市政工程，2003(2)：28-30.