V 型鋼混結合橋墩的計算分析與設計優化

薛弘毅

（東南大學建筑設計研究院有限公司交通分院，江蘇 南京210096）

1 橋梁概況與V 型鋼混結合橋墩

橋墩是橋的主要支撐物，承擔著將橋上部構造的自重和外荷的負荷傳遞到承銷臺的基礎上的作用。在不同的橋梁下部結構形式中，V 形墩造形輕巧優美, 墩頂與上部構造可采用固結,成為斜腿剛構；在地震的作用下，鋼筋混凝土的橋墩容易發生橋墩的傾斜和裂縫，甚至倒塌。因此，采用延展性更好的鋼混組合斷面的橋墩，可以提高抗震性能。

本橋為錦江橋的西側連接匝道橋，位于成都市繞城高速南側。本橋采用v 型鋼管混凝土橋墩，混凝土承臺，鉆孔灌注樁基礎。本西側匝道橋分為2 聯，橋梁總長178.5m，跨徑布置為(3.5+3×25)m+(3×24)m。橋梁標準斷面布置如圖1 所示，總寬11.5m，橫向布置為0.75m(風嘴)+0.4m(欄桿)+5m(人行道) +5m(人行道)+0.4m(欄桿)+0.75m(風嘴)。

圖1 橋梁建成圖與橋梁典型橫斷面

2 初定V 型鋼混結合橋墩尺寸與計算分析

2.1 設計荷載

圖2 上部結構支座反力標準組合值圖

上部結構的支座反力計算結果如圖2 所示，可見W5#號墩的支座反力最大，取其為最不利的下部結構進行有限元建模計算分析。同時可知恒載是最主要的荷載作用，其對支座反力的影響最大，其次是活載(行人荷載)；同時梯度溫度對支座反力的影響也比較大；支座沉降與整體溫度對支座反力的影響較小。

2.2 初定V 型橋墩尺寸

主橋(錦江橋)均采用V 形橋墩，墩頂尺寸為往下2m 截面直徑為0.9m，往上為以5%的斜率漸變。橋墩兩v 腿斜向收攏錨固于承臺，柱腳埋入承臺1.5m。承臺上方柱腳為跑道型混凝土墩底。承臺尺寸為5.2m×2.5m×2.5m；承臺下為2 根直徑1.5m 的鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計。本橋(西側連接匝道橋)橋墩尺寸參照主橋尺寸進行初步設計。

本橋初定墩柱尺寸如下：W5#墩墩高為5.22m，支座間距為4m；墩柱截面為圓鋼管，直徑為800mm，采用25mm 鋼板。系梁為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用25mm 鋼板。隔板與加勁板均采用25mm 鋼板，與墩柱外鋼板焊接連接。封板采用30mm 鋼板。在鋼柱與混凝土承臺連接處，墩柱底部采用直徑22mm 長度150mm 的圓頭焊釘，同時墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨脹混凝土。

2.3 初定橋墩的計算分析結果

由于支座中心與樁基中心基本重合，臺后填土高度較小，因此，橋臺僅需驗算樁基承載力（見樁基驗算）即可。選取西側連接匝道橋的W5#橋墩進行驗算。

圖3 初定的V 型橋墩形式與應力云圖

承載能力極限狀態下墩柱彎矩包絡圖、墩柱應力包絡圖如圖3 所示。可知，承載能力極限狀態下計算得到墩柱最大應力值為54.4MPa，遠小于Q345B 應力設計值270MPa，墩柱鋼結構應力驗算滿足規范要求，應力富余較大，有結構尺寸優化的空間。由于本橋為連接匝道橋，與主橋相比其所受荷載較小，可以采用較小的尺寸節約材料用量，提高環保經濟性能。

3 V 型鋼混結合橋墩尺寸優化與計算分析

在Midas Civil 模型中橋墩、墩頂系梁、承臺均采用梁單元模擬。橋墩與系梁的連接采用剛接約束，橋墩與承臺采用剛接約束。

3.1 V 型橋墩尺寸優化

本橋為錦江橋的西側連接匝道橋，與主橋相比其所受荷載較小，可以采用較小的尺寸節約材料用量，提高環保經濟性能。

圖4 優化后的V 型橋墩設計尺寸圖

優化后墩柱尺寸如下：W5#墩的墩柱高為5.22m，支座間距為4m；墩柱截面采用圓鋼管，直徑為800mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。系梁為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。隔板與加勁板均采用25mm 鋼板，與墩柱外鋼板焊接連接。封板采用30mm 鋼板。在鋼柱與混凝土承臺連接處，墩柱底部采用直徑22mm 長度150mm 的圓頭焊釘，同時墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨脹混凝土。

圖5 優化后的V 型橋墩形式與應力云圖

3.2 優化后橋墩的計算分析結果

承載能力極限狀態下的墩柱彎矩包絡圖、墩柱應力包絡圖如圖5 所示。可知，優化后承載能力極限狀態下計算得到墩柱最大應力位置在墩柱底部，其值為92.9MPa，小于Q345B 應力設計值270MPa，墩柱鋼結構應力驗算滿足規范要求。

柱腳焊釘優化結果驗算:柱腳采用焊釘連接件，考慮彎矩全部由焊釘傳遞

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優化結果如下：墩柱與系梁原來采用25mm 厚的鋼板，經過優化后變為20mm 厚鋼板，W5#墩的鋼材用量原為15300kg，現變為13030kg，鋼材用量減少了2270kg；焊釘數目由初定40 個經優化后減少到30 個，圓頭焊釘數量減少了10 個。西側匝道橋全橋共有7 個鋼混結合V 型橋墩，全橋用鋼量共減少14300kg。同時直徑22 圓頭焊釘數量減少70 個。

4 結論

橋墩是橋的主要支撐結構，在不同的橋梁下部結構形式中，V 形墩造形輕巧優美，與上部魚腹式鋼箱梁外形相得益彰，契合大眾審美需求；墩頂與上部構造可采用固結, 成為斜腿剛構；其斜腿鋼構造型可減少上部結構跨徑, 并可減小橋墩重量。采用鋼混組合橋墩可減輕地震作用下橋的損傷程度，并增加結構的延性，提高橋梁抗震性能。

本文首先建立上部模型，提取支座反力，確定受力最不利的墩柱為W5#墩。之后建立W5#墩的實體有限元模型進行計算分析。得到結果初定墩柱尺寸較大，用鋼量較大，承載能力極限狀態下計算得到墩柱最大應力值為54.4MPa，遠小于Q345B 應力設計值270MPa，墩柱鋼結構應力驗算滿足規范要求，但應力富余較大；有結構尺寸優化的空間，可以進行設計優化。

優化后的墩柱截面采用圓鋼管，直徑為800mm，采用20mm鋼板 (原為25mm 鋼板)；系梁截面為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。之后對優化后的結構進行有限元計算。可知，優化后承載能力極限狀態下計算得到墩柱最大應力位置在墩柱底部，其值為92.9MPa，小于Q345B 應力設計值270MPa，墩柱鋼結構應力驗算滿足規范要求。

優化結果如下：墩柱與系梁原來采用25mm 厚的鋼板，經過優化后變為20mm 厚鋼板，W5#墩的鋼材用量原為15300kg，現變為13030kg，鋼材用量減少了2270kg；焊釘數目由初定40 個經優化后減少到30 個，圓頭焊釘數量減少了10 個。西側匝道橋全橋共有7 個鋼混結合V 型橋墩，全橋用鋼量共減少14300kg。同時直徑22 圓頭焊釘數量減少70 個。

優化后的橋墩更加輕巧美觀，并節約了材料，符合保護環境的要求。本文對實際工程的橋墩設計有一定參考意義，對連接匝道的結構尺寸優化設計有一定的借鑒意義。