國內(nèi)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計與研究綜述

唐楊

(重慶交通大學土木工程學院 400074)

引言

21 世紀以來,我國的橋梁工程得到了快速的發(fā)展,不僅在橋梁的跨度、長度、結(jié)構(gòu)難度等方面有了明顯的提高,而且越來越重視橋梁美學在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的體現(xiàn),其中V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁就是橋梁美學運用上的突出表現(xiàn)。20 世紀七八十年代,V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁在我國的建設(shè)較少,只是在國外的相關(guān)文獻中可以見到少量的這種結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)在,我國的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁得到了快速的發(fā)展,出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)形式的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁。

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁近年來得到快速的發(fā)展,與其較多的優(yōu)勢是密不可分的。首先,在結(jié)構(gòu)受力上,V 形支撐的設(shè)置減小了主梁支點之間的距離,降低了墩頂負彎矩和跨中正彎矩; 主梁支點之間距離的降低也同時降低了主梁的撓度,由于主梁的懸臂長度相對較短,使得施工過程中的變形控制更為容易; V 形支撐的設(shè)置也降低了墩身的高度,增強了橋梁的水平剛度。其次,V 形支撐的設(shè)置降低了主梁的彎矩,從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計時降低了主梁的設(shè)計高度。一般認為,V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁比連續(xù)梁經(jīng)濟10% ～15% 左右[1,2]。最后,由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁主梁高度較小,給人以輕盈美觀的感受,同時V 形支撐相比于豎直墩更能給人一種挺拔有力的安全感[3]。

本文首先對V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計參數(shù)進行統(tǒng)計分析,為以后V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計提供更多的參考數(shù)據(jù),然后對V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的關(guān)鍵技術(shù)研究進行總結(jié)歸納,為今后V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的研究指明方向。

1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計參數(shù)研究

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計主要在主梁和V 形支撐上,通過查閱相關(guān)文獻和部分圖紙,統(tǒng)計得到目前我國該類橋型的主梁和V 形支撐的設(shè)計參數(shù)。

1.1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式

目前V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁主要有連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、剛構(gòu)-連續(xù)組合梁、拱梁組合結(jié)構(gòu)以及帶掛梁的剛架等幾種主要結(jié)構(gòu)形式,見表1。在表1 中的結(jié)構(gòu)形式一欄,1 代表連續(xù)剛構(gòu),2 代表連續(xù)梁(V 形支撐下設(shè)支座),3 代表帶掛梁的剛架,4 代表剛構(gòu)-連續(xù)組合梁,5 代表連續(xù)梁(V 形支撐上設(shè)支座),6 代表連續(xù)剛構(gòu)與拱的組合結(jié)構(gòu),7 代表連續(xù)梁與拱的組合結(jié)構(gòu)。以上七種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

表1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁統(tǒng)計Tab.1 Statistics of V-shaped support bridge

續(xù)表

圖1 結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure type

V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋是V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁中最為普遍的結(jié)構(gòu)形式,其V 形支撐頂部與主梁固結(jié),底部與承臺固結(jié),設(shè)計中主要以三跨為主,懷化舞水二橋[4]、青田塔山大橋[5]、上海泐馬河大橋[6]均是其中鮮明的代表。V 形支撐連續(xù)梁橋有兩種結(jié)構(gòu)形式,一種將支座設(shè)置在V 形支撐的底部,一種將支座設(shè)置在V 形支撐的頂部。在V 形支撐的頂部設(shè)置支座的連續(xù)梁橋一般在V 形支撐的上部設(shè)置拉梁,拉梁與上部結(jié)構(gòu)的主梁并沒有連接,在V 形支撐的底部與承臺固結(jié),東莞萬江大橋[7]和洛陽新區(qū)跨伊河橋[8]就是其中典型的代表。在V 形支撐的底部設(shè)置支座的連續(xù)梁橋是一般的簡單結(jié)構(gòu)形式[9],還有V 形支撐的頂部與主梁固結(jié),同時在V 形支撐的兩肢與主梁形成的倒三角區(qū)域內(nèi)部設(shè)置腹拱的復(fù)雜形式,腹拱的拱腳與V 形支撐的跨中附近固結(jié),拱頂與主梁固結(jié),桂林龍門大橋[10]就是很好的例子,結(jié)構(gòu)示意如圖2。為了適應(yīng)江河較寬的情況,出現(xiàn)了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式,剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋一般在橋梁的中間數(shù)墩設(shè)置V 形支撐,在橋梁的兩側(cè)設(shè)置豎直墩,豎直墩的墩頂設(shè)置支座,比如重慶云門試驗段4#橋[11]中間設(shè)置兩個V 形支撐,V 形支撐的兩側(cè)均為豎直墩,豎直墩墩頂設(shè)置支座。梁拱組合的V 形支撐結(jié)構(gòu)可以使得橋梁的單跨跨徑更大,一般在橋梁的主跨設(shè)置系桿拱,這種結(jié)構(gòu)形式是V 形支撐連續(xù)梁橋(連續(xù)剛構(gòu))與拱形成的組合結(jié)構(gòu)形式,黑龍江大黑河島橋[12]就是V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)與拱的組合,北京溫榆河景觀橋[13]就是V 形支撐連續(xù)梁與拱的組合。以上幾種結(jié)構(gòu)形式在整體上均為超靜定結(jié)構(gòu),帶掛梁的剛構(gòu)在橋梁整體結(jié)構(gòu)上為靜定結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)形式上可以理解為將V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)的某一跨或某幾跨的主梁斷開,設(shè)置牛腿安裝掛梁,桂林雉山漓江大橋[1]、贛州砂石大橋[14]就是其中的代表。

圖2 帶腹拱的V 形支撐連續(xù)梁Fig.2 Continuous beam with V-shaped support and abdominal arch

1.2 主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.截面形式

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的主梁截面形式以箱梁為主,也有少量其他的截面形式,比如杭州灣跨海大橋南岸接線工程[15]以及浙江平湖的青陽匯大橋主橋[16]中的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋采用T梁作為主梁截面,重慶云門試驗段4#橋[11]采用鋼-混凝土組合截面作為主梁截面,組合截面由兩片工字鋼梁和混凝土橋面板組合而成。根據(jù)橋?qū)挼牟煌?V 形支撐結(jié)構(gòu)橋采用的箱梁形式有單箱單室、單箱多室以及多箱多室,對于橋面較寬的橋型大多采用單箱單室或者單箱雙室的雙幅布置。絕大部分V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的箱梁都是變板厚的形式,主要表現(xiàn)在底板和腹板的厚度變化,而頂板通常是等厚度的。頂板厚度一般在30cm 左右,底板和腹板的厚度變化幅度較大,底板一般在20cm ～80cm 之間變化,腹板一般在40cm ～80cm 之間變化。由于篇幅限制,部分橋梁的橫截面統(tǒng)計參數(shù)見表2。

表2 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁橫截面參數(shù)部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of V-shaped support structure bridges on cross-section

2.梁長

V 形支撐兩肢之間的主梁長定義為V 撐上梁長,主跨跨徑與V 撐上梁長之差定義為V 撐間梁長。

根據(jù)全部統(tǒng)計數(shù)據(jù),V 撐上梁長在9.5m～48m 之間,浙江平湖青陽匯橋[16]的梁長最小,桂林龍門大橋[10]的梁長最大,V 形支撐兩肢之間的梁長占主跨跨徑約12.2%～46.7%,其中百分比在20%～35%的約占70%,由于篇幅限制,部分橋梁的梁長統(tǒng)計參數(shù)見表3。

表3 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁梁長參數(shù)部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length

3.梁高

一般V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁采用變截面的主梁,通常在V 形支撐頂部與主梁連接的位置處梁高最大,跨中位置梁高最小,故而在統(tǒng)計分析中計算出了兩個高跨比,將V 形支撐頂部與主梁連接位置處的梁高與主跨跨徑之比定義為V 撐處的高跨比,將跨中處的梁高與主跨跨徑之比定義為跨中處的高跨比。同時,將主跨跨徑替換為V 撐間梁長,又計算出一組高跨比數(shù)據(jù)。由于篇幅限制,部分橋梁的梁高統(tǒng)計參數(shù)見表4。

表4 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁梁長與梁高參數(shù)部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.4 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length and beam height

按橋梁的主跨計算,V 撐處的高跨比為1/16.9 ～1/44.6,其中1/20 ～1/30 約占73%,高跨比最小的是蘭州深安黃河大橋[17],高跨比最大的是桂林龍門大橋[10]; 跨中位置的高跨比為1/21.7 ～1/59.9,其中1/25 ～1/45 約占70%,高跨比最大的是福建丘墩大橋[18-20],高跨比最小的是株洲五橋[21]。

按V 形支撐之間的梁長計算,V 撐處的高跨比為1/9.2 ～1/39.2,其中1/10 ～1/25 約占92%,高跨比最大的是桂林龍門大橋[10],最小的是蘭州深安黃河大橋[17]; 跨中位置的高跨比為1/12.8 ～1/39.2,其中1/20 ～1/35 約占71%,高跨比最大的是寶雞金陵河大橋[1],最小的是蘭州深安黃河大橋[17]。

1.3 V 撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.截面形式

V 形支撐的結(jié)構(gòu)類型大致可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu),表5 中V 形支撐結(jié)構(gòu)類型一欄,1 代表鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),2 代表預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),3 代表勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),4 代表鋼結(jié)構(gòu); 表5 中截面形式一欄,1代表矩形實心截面,2 代表空心箱形截面。由于篇幅限制,部分橋梁的V 形支撐結(jié)構(gòu)統(tǒng)計參數(shù)見表5。

表5 V 形支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.5 Statistics of parameters on V-shaped support

從表5 中可以看出,大部分的V 形支撐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),約占統(tǒng)計總量的81%,勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在V 形支撐中使用較少,大多是從施工方便的角度考慮的,但是相對浪費材料,因為勁性骨架使用的鋼材會埋入到V 形支撐中成為結(jié)構(gòu)的一部分,鋼結(jié)構(gòu)的V 形支撐更少,但也有重慶云門試驗段4#橋[22]使用了鋼結(jié)構(gòu)作為V 形支撐的報導(dǎo)。從V 形支撐的截面形式上看,絕大多數(shù)的V 形支撐采用了實心的矩形截面,約占統(tǒng)計總量的83%。大多數(shù)橋梁的V 形支撐橫橋向尺寸很大,一個承臺上只固結(jié)一個V 形支撐或者一個承臺的支座上只支承一個V 形支撐,也有一個承臺上固結(jié)多個V 形支撐作為一幅的情況,這種V 形支撐的橫橋向尺寸較小,通常在V 形支撐的橫向有系梁連接成整體,如赤峰友誼大橋[23,24]橫橋向有4 片V 形支撐,在V 形支撐的跨中有橫系梁,洛陽新區(qū)的跨伊河橋[8]橫橋向也有3 片V 形支撐,但橫系梁設(shè)置在V 形支撐的頂部。V 形支撐的截面大多采用等厚度截面,還有部分變厚度的V 形支撐,一般都是上薄下厚的變化形式,比如浙江千島湖大橋[25]、揚中夾江二橋等[26],也有極少數(shù)上厚下薄的變化形式,比如寧波后塘河大橋[27]、南通通呂4 號橋[28]。V 形支撐除了變厚以外,還有少數(shù)變寬的,一般采用上寬下窄的變化形式,比如廣東中山東明大橋[29]、贛州沙石大橋[30]等。V形支撐的兩肢截面一般情況下是相同或者相差不大的,而小欖水道特大橋[31]的V 形支撐的兩肢截面存在較大差異,靠外側(cè)一肢的截面尺寸為1.2m×10m,靠內(nèi)側(cè)一肢的截面尺寸為2m×13.8m。

2.夾角

V 形支撐與豎線之間的夾角主要在25° ～45°之間,約占統(tǒng)計總量的66.7%,部分統(tǒng)計參數(shù)見表5。V 形支撐的某一肢與豎線的夾角通常相同或者相差不大,也存在V 形支撐與豎線之間的夾角在整座橋梁的內(nèi)側(cè)與外側(cè)相差較大的情況,比如小欖水道特大橋[31],靠內(nèi)側(cè)一肢與豎直線的夾角為55.4°,靠外側(cè)一肢與豎直線的夾角為44.6°。

2 研究現(xiàn)狀

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁目前的研究主要集中在V形支撐的受力特性、V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工方法及施工控制、V 形支撐的混凝土施工步驟、V形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的舊橋加固以及V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動力特性。

2.1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的受力特性研究

1.局部受力特性研究

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的局部受力特性研究一般是對V 形支撐0#號塊的受力特性研究,一般將V撐與上部主梁形成的倒三角區(qū)域稱為0#號塊。0#號塊的空間效應(yīng)明顯,施工過程復(fù)雜,對于板厚較大的V 形支撐可能出現(xiàn)深梁的受力特點,采用普通的梁單元不能夠分析得到較為準確的細部受力狀況,很容易造成混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。對此,很多專家學者對V 形支撐0#號塊都采用實體單元做過精細化的有限元分析[32-38]。

研究表明V 形支撐連續(xù)梁橋(連續(xù)剛構(gòu)橋)在施工過程中極易出現(xiàn)一些不利的施工工況,在這些施工工況下結(jié)構(gòu)的某些局部區(qū)域會出現(xiàn)較高的拉應(yīng)力。郁鈞暉[39]分析寧波奉化江大橋時,在頂推施工階段后,V 形支撐靠邊跨側(cè)內(nèi)表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力達到4.68MPa。李旺豐[40]在用ANSYS 分析某V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋時,在二期恒載施工階段,在V 形支撐邊跨根部的外側(cè)出現(xiàn)2.30MPa 的拉應(yīng)力。胡明[41]在分析八渡南盤江特大橋時,計算荷載工況下在V 腿與主梁形成的夾角位置出現(xiàn)5.45 MPa 的拉應(yīng)力。李立峰[42]在最大支反力的工況下,在V 形支撐根部的外側(cè)出現(xiàn)1.10 MPa 的拉應(yīng)力,在墩梁固結(jié)支座底面出現(xiàn)了0.91MPa 的拉應(yīng)力,橫隔板人孔出現(xiàn)0.89 MPa 的拉應(yīng)力。唐楊[43]在分析龍門大橋0#號塊時,在自重工況下,V 形支撐根部的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)2.28MPa 的主拉應(yīng)力。由此可見,在V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計過程中,V 形支撐0#號塊需要建立實體單元模型進行詳細的細部分析,對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,避免施工過程中V 形支撐0#號塊的混凝土開裂。以上施工工況分析大多將邊界條件理想化,很少考慮精確的邊界模擬。沈明[44]為了精確計算V 形支撐底部在頂推過程中的受力,采用了線性接觸寬度和非線性接觸單元兩種邊界模擬方法進行對比計算分析,最終計算得到V 形支撐根部截面的上緣部分區(qū)域出現(xiàn)1.64MPa 的拉應(yīng)力,考慮到混凝土表面溫度、收縮可能發(fā)生混凝土開裂,提出了在V 形支撐底部截面上緣設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的加強辦法。

以上的V 形支撐0#號塊的施工過程分析一般都針對某一施工階段直接建立有限元模型,鮮有精確考慮施工過程對V 形支撐0#號塊受力的影響。劉孝武[45]采用單元生死技術(shù)模擬了施工過程,真實模擬了施工過程對0#號塊受力的影響。

帶系梁的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁,系梁也是一個容易受破壞的位置。劉一平[8]對帶系梁的V 形支撐建立局部結(jié)構(gòu)實體有限元模型進行分析,通過計算分析系梁在預(yù)應(yīng)力作用下仍處于受壓的工作狀態(tài),保證了結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的安全。李梁等[46]研究了水化熱和混凝土收縮徐變對系梁受力特性的影響,對比分析了整體澆筑施工和分段澆筑施工下系梁的受力。

V 形支撐拱梁組合體系橋的節(jié)點位置更為復(fù)雜,黃玲玉[47]以小欖水道特大橋為研究對象,對V 形支撐、拱和主梁的交匯點進行了有限元分析和試驗研究,有限元理論分析結(jié)果與實測值的誤差能夠控制在30%以內(nèi)。

V 形支撐0#號塊的極限承載能力研究的很少。勾紅葉[48]同樣以小欖水道特大橋為研究對象,對V 形支撐、拱和主梁的交匯點進行了非線性受力行為的極限承載能力試驗研究。袁明軍[49]等以奉化江南翔橋為工程背景,建立了V形支撐0#號塊的三維非線性有限元模型,研究了活載作用下V 形支撐0#號塊的極限承載能力。

2.整體受力特性研究

鄒志翔[50]以一座斜交的V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景,采用梁格法建立了有限元模型,研究了汽車活載和自重、二期恒載作用下的空間受力特性,對V 形支撐斜交橋梁的設(shè)計提出了相關(guān)建議和注意事項。

由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)體系較多,一些專家學者對其受力特性進行了對比研究。龔俊虎[51]等以小欖水道特大橋為研究背景,對比研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋和V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的受力特性,研究表明由于拱肋對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的加勁作用,活載作用下中跨最大彎矩和撓度下降50%,V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋在后期收縮徐變作用下的撓度僅為V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的12%,V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的豎向剛度是V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的2.56倍以上。陳云[14]以贛州沙石大橋為工程背景,通過改變沙石大橋的邊界條件和內(nèi)部連接方式,對比研究了全設(shè)支座連續(xù)梁、不設(shè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)、設(shè)一個掛孔連續(xù)剛構(gòu)、設(shè)三個掛孔連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁與剛構(gòu)組合、拱(V 撐上設(shè)掛孔)共6種結(jié)構(gòu)體系的受力特性。

實際工程結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實中受到自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、溫度(整體溫度、溫度梯度)、收縮徐變等各種外力的作用,所表現(xiàn)出來的受力是各種外力作用下的共同結(jié)果,單獨研究某一項外力作用下的結(jié)構(gòu)受力行為,對控制這種作用下的受力行為具有積極意義。徐治芹等[52]研究了整體升、降溫作用下V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性,從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度,分析了影響V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋水平剛度的各項因素,提出了相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。主要有合理減小V 形支撐下面的豎墩及V 形支撐的厚度,增大豎墩的高度,將有V形支撐的豎墩墩底設(shè)置鉸接,釋放彎矩約束。張緒林[53]等以株洲紅港大橋為工程背景,研究了施工階段和成橋階段收縮徐變對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋引起的內(nèi)力變化規(guī)律。研究表明在施工階段,收縮徐變對三角區(qū)剛構(gòu)及主梁的影響較小,對中跨主梁的內(nèi)力及線形影響較大,在使用階段,收縮徐變效應(yīng)對主梁內(nèi)力和豎向位移影響均較小。

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的穩(wěn)定性也有相關(guān)研究成果,劉迎倩[54]以小欖水道特大橋為工程背景,研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的穩(wěn)定性,研究表明拱肋的穩(wěn)定性較弱,失穩(wěn)模態(tài)為側(cè)傾失穩(wěn),橫撐的數(shù)量、布置形式和剛度對穩(wěn)定性影響較大,“米”字形撐穩(wěn)定性最好,“X”撐與“K”撐次之,“一”字形撐最差,拱肋自身的剛度對拱肋的穩(wěn)定性也有較大影響。

對于箱型截面的主梁,必然存在剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變等空間受力行為。胡國偉[55]以小欖水道特大橋為工程背景,研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋主梁的剪力滯、扭轉(zhuǎn)以及畸變效應(yīng)。

3.結(jié)構(gòu)參數(shù)對受力特性的影響研究

石飛停等[56]以青田塔山大橋為工程背景,研究了基礎(chǔ)剛度、V 形支撐的傾角和厚度以及合龍頂推力對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋整體受力性能的影響,得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的影響規(guī)律。研究表明V 形支撐的傾角對主梁和V形支撐的受力性能有很大的影響,V 形支撐邊跨側(cè)一肢對應(yīng)的主梁截面負彎矩和中跨側(cè)一肢對應(yīng)的主梁截面負彎矩均隨著V 形支撐與豎直線夾角的增大而減小,V 形支撐兩肢之間的主梁負彎矩有相同的變化規(guī)律,主梁的軸力有相反的變化規(guī)律; V 形支撐中跨側(cè)一肢的彎矩隨著V 形支撐與豎直線的夾角的增大而增大,V 形支撐邊跨側(cè)一肢的彎矩有相反的變化規(guī)律,V 形支撐與豎直線的夾角對V 形支撐的軸力影響不大; V 形支撐邊跨側(cè)一肢的彎矩和中跨側(cè)一肢的彎矩隨著V 形支撐厚度的增加而增加,V 形支撐厚度的變化對V形支撐的軸力影響不大; 相對而言,V 形支撐的傾角對主梁和V 形支撐的受力狀態(tài)影響較大,而其他參數(shù)影響較小。張亞東等[57]在對V 形支撐的傾角和厚度對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋受力特性的影響分析上也得到了一致的結(jié)論。

以上V 形支撐的傾角對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性影響規(guī)律是各種荷載作用下的綜合效果,張璽[58]分別研究了自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、整體溫度以及溫度梯度作用下V 形支撐傾角的變化對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋受力特性的影響。

童遠飛[59]以西安地鐵三號線V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景研究了基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)整體受力的影響,不考慮基礎(chǔ)剛度時將承臺以下固結(jié)處理,考慮基礎(chǔ)剛度時將群樁按等剛度原則模擬成兩根短柱,柱底固結(jié),使得群樁和兩根短柱在單位水平位移、單位豎向位移、單位轉(zhuǎn)角下所需施加的外力相等。研究表明是否考慮基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有很大影響。

2.2 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工方法及施工控制研究

1.施工方法研究

總體上來看,V 形支撐部分的施工多采用支架現(xiàn)澆施工,只是設(shè)置支架的形式有所差別,常見的有以下幾種形式： (1)滿堂支架法; (2)平衡內(nèi)支撐法; (3)預(yù)埋勁性骨架法; (4)鷹架+臨時墩; (5)型鋼支架+ 拉桿。桂林龍門大橋、南翔橋均采用滿堂支架法搭設(shè)支架[60]; 千島湖大橋、東陽江大橋、南京集慶門大橋采用平衡內(nèi)撐法搭設(shè)支架[61]; 黃州大橋埋置勁性骨架,通過拉桿形成穩(wěn)定的倒三角結(jié)構(gòu),是典型的預(yù)埋勁性骨架法; 南昆鐵路南盤江大橋采用鷹架+臨時墩[62,63],成功實現(xiàn)了高墩支架的搭設(shè); 懷化市舞水二橋采用型鋼和拉桿組成V 形支撐的支架,型鋼用于制作斜托梁[64]。當?shù)谷墙Y(jié)構(gòu)受力平衡能夠滿足時,也可以不設(shè)置平衡塔架,僅用拉桿代替,同時不設(shè)置勁性骨架[65]。除了支架施工以外,V 形支撐部分也有采用預(yù)制拼裝施工的,一般針對橫橋向有多片V 形支撐的情況,一般來說由于橫橋向尺寸較小,單片V 形支撐的自重也不會太大,采用預(yù)制拼裝施工的有平湖青陽匯大橋。平湖青陽匯大橋施工中,V 形支撐的倒三角桁片一次性安裝到位,為了防止桁片安裝時的傾倒,在V 形框架的底面設(shè)置高為8cm 的榫塊,承臺頂面設(shè)置凹槽,安裝桁片時涂以環(huán)氧水泥砂漿,在承臺上設(shè)置預(yù)埋鋼板與V 形框架底部兩側(cè)預(yù)埋的角鋼焊牢,同時將橫橋向數(shù)個桁片底座澆筑混凝土連成整體,并與承臺伸出的鋼筋相連[16]。

V 形支撐之間的中、邊跨主梁普遍采用懸臂澆筑施工和支架現(xiàn)澆施工,對于地質(zhì)條件較好、河流不太深的橋梁多采用支架現(xiàn)澆施工,對于水流太深、支架過高或者有通航要求的一般采用懸臂澆筑施工。也有少部分的主梁采用頂推施工,一般在V 形支撐施工完成后進行,V 形支撐的頂部可能設(shè)置支座,也可能頂推完成后將主梁與V形支撐頂部固結(jié)。比如福建丘墩大橋、東莞萬江大橋均采用頂推施工法,所不同的是福建丘墩大橋在主梁頂推完成后將主梁與V 形支撐頂部固結(jié)形成V 形支撐連續(xù)剛構(gòu),而東莞萬江大橋在頂推完成后在V 形支撐的頂部設(shè)置支座形成V 形支撐連續(xù)梁[66]。除了頂推施工以外,還有預(yù)制拼裝施工,比如杭州灣跨海大橋南岸V 形墩跨線橋,在中跨和邊跨設(shè)置橫截面為3 片預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁的預(yù)制件,最終形成帶掛梁的剛架結(jié)構(gòu)[15],又如洛陽新區(qū)跨伊河橋,在V 形支撐施工完成后首先架設(shè)小箱梁形成簡支結(jié)構(gòu),然后通過現(xiàn)澆使得簡支變連續(xù)[8]。除此之外,還有少數(shù)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁采用轉(zhuǎn)體施工法,比如鄭西鐵路客運專線洛河特大橋,首先在既有路兩側(cè)平行于既有路方向通過支架現(xiàn)澆施工,梁部施工完成后轉(zhuǎn)體合龍,從而跨越既有路[67]。

2.施工控制研究

相比于普通的連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋,V形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工過程更為復(fù)雜,為了保證橋梁的成橋線形和受力狀態(tài),需要仔細分析施工過程中的受力變化,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的施工步驟,采用有效的應(yīng)對措施。對此,針對V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁施工控制的研究也不少。

趙會東等[68]針對V 形支撐基礎(chǔ)受到較大水平力的特點,分析了產(chǎn)生水平力的各項因素,分析結(jié)果表明活載、均勻溫度、支座沉降變化引起的水平力是雙向的,這部分水平力無法調(diào)整,自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工荷載產(chǎn)生的水平力是單向的,其中混凝土收縮徐變和施工荷載占較大比例,對此提出了內(nèi)力主動調(diào)整的辦法,在中跨合龍之前施加預(yù)頂力,并設(shè)法保持預(yù)頂力,抵消或者部分抵消混凝土收縮和施工荷載產(chǎn)生的水平力,從而減小基礎(chǔ)所承擔的水平力。張飛等[69]針對V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋,研究了合龍溫度對頂推力所引起的結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)受力的影響,研究表明低溫合龍設(shè)置的頂推力要低于高溫合龍,低溫合龍對主梁的豎向變形控制有利,使得成橋后主梁線形更為平順,采用低溫合龍會使得在頂推時、成橋后的結(jié)構(gòu)受力更為安全合理。

李國亮[70]針對一座V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋,研究了滿堂支架的拆除時機對結(jié)構(gòu)受力的影響,研究表明倒三角區(qū)支架的拆除時機對橋梁在施工階段及成橋后的內(nèi)力均有顯著影響,建議在施工過程中早拆支架,使結(jié)構(gòu)受力明確。

吳春朝[71]通過對臥龍湖大橋進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)在V 形支撐二次澆筑時斜肢根部會出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度已經(jīng)超過公路質(zhì)量評定要求,通過優(yōu)化圖紙,在V 形支撐根部添加抗裂鋼筋,將普通鋼筋混凝土改為鋼纖維混凝土,從而限制了裂縫寬度。

另外,較多的V 形支撐施工會張拉臨時預(yù)應(yīng)力鋼束,一般在V 形支撐的兩肢設(shè)置粗鋼筋或者預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行對拉。李中培[72]等對臨時預(yù)應(yīng)力的張拉力進行了優(yōu)化設(shè)計,提出以V 形支撐根部和端部箱梁不利區(qū)域的最大主拉應(yīng)力以及單根圓鋼立柱的最大豎向和水平反力為控制目標的最優(yōu)張拉力。

2.3 V 形支撐的混凝土施工步驟研究

不同的施工步驟將對結(jié)構(gòu)的受力有著較大的影響,不僅影響結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值還會影響結(jié)構(gòu)受力的分布,V 形支撐0#號塊的施工過程復(fù)雜,施工步驟多樣,在制定具體施工方案時需要制定多套施工方案進行比選。

V 形支撐的施工主要有一次澆筑和多次澆筑兩種,V 形支撐上主梁的施工步驟形式多樣,主要有豎向分層澆筑、縱橋向分段澆筑和豎向縱向混合澆筑,豎向的分層最多一般為三層,即底板部分、腹板部分、頂板部分,縱橋向分段主要有兩種分法,其一為三段式分法,分為左側(cè)主梁段、跨中2m 合龍段、右側(cè)主梁段,其二為五段式分法,分為左側(cè)匯合段、左側(cè)2m 合龍段、跨中主梁段、右側(cè)2m 合龍段、右側(cè)匯合段。

孫才杰[73]對比研究了V 形支撐0#號塊的兩種施工過程對混凝土收縮產(chǎn)生的影響,兩種施工過程的區(qū)別在于V 形支撐上主梁的施工,方案一為先澆筑V 形支撐兩肢之間的主梁,然后澆筑V形支撐一肢與上部主梁的匯合區(qū)域,最后澆筑另一肢與上部主梁的匯合區(qū)域,方案二為先澆筑V形支撐頂部及主梁底部,然后澆筑主梁中部,最后澆筑主梁頂部。方案一就是典型的縱向三段式澆筑,方案二為豎向分層澆筑。舞水二橋的0#號塊施工(縱橋向長25m),先澆筑V 形支撐兩肢之間的跨中13m 梁段,然后澆筑兩側(cè)各4m 的V 形支撐與主梁的匯合段,最后澆筑跨中13m 梁段兩側(cè)各2m 的合龍段[74]。舞水二橋的施工步驟即是典型的縱向五段式施工。南通市通呂4 號橋的主梁澆筑分三步,第一步澆筑至腹板頂部,同時澆筑V 形腿與主梁匯合段,第二步澆筑頂板,第三步澆筑合龍段混凝土[75]。南通市通呂4 號橋的施工步驟即是豎向縱向混合澆筑施工。

2.4 V 形支撐結(jié)構(gòu)的舊橋加固研究

現(xiàn)役與在建的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁越來越多,由于目前車輛超載現(xiàn)象較為普遍,V 形支撐0#號塊空間受力復(fù)雜,此種結(jié)構(gòu)類型的橋梁加固研究也將越來越多。

張國慶[76]對某座V 形支撐預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進行精細化的有限元分析,發(fā)現(xiàn)V 形支撐頂部的拉梁在跨中位置存在較大的下?lián)?同時端部的主應(yīng)力過大,與現(xiàn)場觀察的橋梁開裂位置一致,最后重新建立拉梁失效的有限元模型(模型中去掉拉梁),計算表明拉梁失效后,最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在V 形支撐的根部,最終提出了親水環(huán)氧樹脂灌漿處理裂縫并且在V 形支撐上緣設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力的加固措施。

李永河[77]對高平大橋V 形支撐連續(xù)斜梁橋進行原位荷載試驗,分析了舊橋病害的成因,提出了加固措施。主要有增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束、粘貼鋼板,將橋端至V 形支撐3m 橋跨范圍用鋼筋混凝土填實。

2.5 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動力特性研究

1.自振特性研究

橋梁施工結(jié)束到正式通車前都會對橋梁進行荷載試驗,荷載試驗中就需要對橋梁的動力特性進行檢測。王巍等[78]研究了CRH2C 動車組以不同車速通過V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋時橋梁的自振特性和動力響應(yīng),分析了橋梁在動載作用下的工作狀態(tài),試驗結(jié)果表明,在動車組激勵下,跨中橫向振幅出現(xiàn)峰值效應(yīng),橋梁橫、豎向剛度均滿足規(guī)范要求,動力性能良好。陳世九[79]對一座V形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋進行脈動試驗和跑車試驗,得到自振頻率、阻尼比、振型以及不同跑車工況下的沖擊系數(shù)和豎向加速度響應(yīng)值,同時建立有限元模型進行對比分析,試驗與理論分析表明,該橋?qū)嶋H剛度較大,行車較為舒適,結(jié)構(gòu)偏于安全。

張祥彬[80]以小欖水道特大橋為工程背景,研究了該橋的自振特性,同時研究了二期恒載與樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對橋梁動力性能的影響。

2.抗震性能研究

劉世明等[81]以石家莊友誼大街橋為工程背景,進行E1 地震作用下的反應(yīng)譜分析,研究表明預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力有時會超過預(yù)應(yīng)力引起的一次內(nèi)力,設(shè)計中應(yīng)該特別注意主跨跨中以及V形支撐附近截面的次彎矩和邊跨跨中截面的次剪力。

程煒鋼等[82]以新洋港V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景,采用反應(yīng)譜法和一致時程激勵法研究了在E1 地震作用下的內(nèi)力和位移響應(yīng),研究表明地震作用下的位移響應(yīng)較小,豎向地震荷載作用對V 形支撐的軸力和主跨跨中內(nèi)力影響較大。

王積鑫[23]以赤峰市友誼大橋為工程實例,采用多模態(tài)反應(yīng)譜法分別在E1、E2 地震作用下對結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計,然后采用非線性動力時程分析法對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評價。在日本神戶地震波的作用下,結(jié)構(gòu)達到屈服剪力,無論橫橋向還是順橋向均進入屈服狀態(tài),但未進入極限狀態(tài)。

總的來看,目前對于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動力特性研究較少,由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)體系多樣,還需要更多的試驗和理論研究。

3 總結(jié)與展望

通過數(shù)十座V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計分析,可為今后該類橋型的設(shè)計提供參考。同時,通過目前的研究文獻發(fā)現(xiàn),還有以下幾點有待進一步深入研究。

1.V 形支撐0#號塊空間受力復(fù)雜,目前很多局部受力分析都是針對施工過程中的某一施工步驟的結(jié)構(gòu)直接建模進行分析,沒有考慮施工過程對結(jié)構(gòu)受力的影響。需要進一步對比研究兩種建模方法對結(jié)構(gòu)受力分析的區(qū)別和差異。

2.V 形支撐0#號塊的施工一般采用支架澆筑施工,支架的搭設(shè)方法對結(jié)構(gòu)的傳力路徑具有較大影響,從而對0#號塊的受力大小及應(yīng)力分布產(chǎn)生影響,目前都是針對一種支架搭設(shè)方法的受力研究,多種支架搭設(shè)方法的受力行為對比有待進一步研究。

3.V 形支撐0#號塊的施工步驟設(shè)計方案較多,需要結(jié)合工程實際仔細對比分析才能擬定最合適的施工步驟方案,但目前對于不同施工步驟對V 形支撐0#號塊受力影響的對比分析研究較少。

4.目前對V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的加固研究較少,且針對的結(jié)構(gòu)體系單一,隨著現(xiàn)役橋梁服役時間的延長,會出現(xiàn)更多不同結(jié)構(gòu)體系的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的損傷,更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加固研究可能是一個研究方向。

5.目前V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動力特性研究較少,主要集中在靜力特性方面,此種結(jié)構(gòu)的動力特性還有較大的研究空間。