樟林大橋主橋“V”型墩施工及受力分析

吳云,賈永發(fā),恩艷芳,羅其清

摘要 樟林大橋位跨木蘭溪蝶型拱橋主墩V型墩由四根對稱斜腿構(gòu)成，單根斜腿為棱柱形鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)，邊跨主梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，主墩V型墩采用平衡法施工。根據(jù)施工方案，通過對模擬施工階段內(nèi)力狀態(tài)和成橋時內(nèi)力狀態(tài)計算，表明V型墩施工階段與正常使用極限狀態(tài)下內(nèi)力均能滿足要求。

關(guān)鍵詞 V型墩；施工；受力

中圖分類號U443 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0037-02

樟林大橋位于福建省莆田市城廂區(qū)華林工業(yè)區(qū)，主體工程包括主橋、引橋和引道三大部分。設(shè)計總長1 086m，雙向四車道。主橋為40m+100m+40m跨木蘭溪的蝶型拱橋，引橋部分為跨堤40m箱梁和堤外多跨21m空心板梁橋。主墩V型墩由四根對稱斜腿構(gòu)成，單根斜腿為棱柱形鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)，V型墩設(shè)計根部平行四邊形尺寸為4.3m×6.8m，頂部平行四邊形尺寸為2.4m×3.2m，豎向凈高為12.05m，用任一水平面切斜腿，截面均為平行四邊行，斜腿頂、底兩平行四邊形中心的連線為單根斜腿的軸線，在V撐入梁處設(shè)置中橫梁。

邊跨主梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土梁變高度箱梁，主墩V撐處梁高3m，邊墩處梁高2.2m，橫坡2%；其中2750cm長度為頂板等寬段，3 044cm長度為頂板變寬段。箱梁采用C50混凝土。頂板厚280mm，底板厚280mm，腹板厚400mm。

1 V型墩及臨時預(yù)應(yīng)力體系

V型墩采用平衡法施工（V腿產(chǎn)生的水平分力主要為系統(tǒng)內(nèi)平衡），墩身混凝土分四次澆注成型。第一次為錐坡以上標(biāo)高到9.33m；第二次為V型中間部分（標(biāo)高為11.50m）；第三次為V型中間部分（標(biāo)高為15m）；第四次為V型腿最上部分（標(biāo)高為18.55m），比箱梁底標(biāo)略高3cm左右。

施工階段臨時預(yù)應(yīng)力體系經(jīng)計算沿墩高縱橋向和橫橋向共設(shè)兩道，臨時張拉預(yù)應(yīng)力束目的是調(diào)節(jié)V撐內(nèi)力狀態(tài)，使V撐構(gòu)件在整個施工過程中避免過大的拉應(yīng)力，并保證V撐成橋時處于合適內(nèi)力狀態(tài)。

鋼絞線以V腿中軸線布置。并應(yīng)錯開拱腳預(yù)應(yīng)力及V型墩主筋。在該段混凝土澆筑完成且強度達到100%后張拉，同排預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序由構(gòu)件中心向?qū)ΨQ兩側(cè)，每次只張拉單根鋼束，采用兩端張拉。

邊跨箱梁均采用支架現(xiàn)澆法，分兩次澆筑完成，第一次為全長全斷面，第二次為V腿與箱梁結(jié)合部分。

2 模擬施工狀態(tài)對V撐進行空間應(yīng)力分析

2.1 模擬計算邊界條件

1）不考慮施工吊掛模板對V撐的影響，即每段混凝土自重均由V撐承受；

2）箱梁節(jié)點混凝土重量只考慮V撐頂緣投影面積內(nèi)混凝土濕重，其余部分由主梁模板承受；

3）V撐臨時預(yù)應(yīng)力束全部作用于V撐本身。

2.2 主要計算參數(shù)

臨時張拉預(yù)應(yīng)力束采用φ15.24高強度低松弛鋼絞線，F(xiàn)=1860MPa，Ep=195 000MPa，張拉應(yīng)力為1 395MPa。張拉預(yù)應(yīng)力時所澆筑混凝土段強度不得低于設(shè)計強度90％。

臨時預(yù)應(yīng)力束下排14.5m處縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)置5-φ15.2鋼束，全橋共20根，張拉力共計976.5kN，橫向14.0m預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置2-φ15.2鋼束，全橋共8根，張拉力共計390.6kN；上排17.5m處縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)置6-φ15.2鋼束，全橋共24根，張拉力共計1 171.8kN；橫向16.5m預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置2-φ15.2鋼束，全橋共8根，張拉力共計390.6kN。

2.3 施工階段劃分

模擬V撐施工至邊跨合攏這一過程，計算模型階段劃分如下：第1階段，澆筑V腿底節(jié)混凝土（標(biāo)高9.33m）；第2階段，澆筑V腿第二段混凝土（標(biāo)高11.50m）；第3階段，澆筑V腿第三段混凝土（標(biāo)高15.0m）；第4階段，張拉下排縱向預(yù)應(yīng)力鋼束（標(biāo)高14.5m左右）；第5階段，張拉下排橫向預(yù)應(yīng)力鋼束（標(biāo)高14.0m左右）；第6階段，澆筑V腿第四段混凝土（標(biāo)高18.6m左右）；第7階段，張拉上排橫向預(yù)應(yīng)力鋼束（標(biāo)高16.5m）；第8階段，張拉上排縱向預(yù)應(yīng)力鋼束（標(biāo)高17.5m）；第9階段，計算V撐頂混凝土濕重；第10階段，邊跨主梁完畢。

3 計算結(jié)果分析

3.1 模擬施工階段應(yīng)力計算

根據(jù)V撐構(gòu)件各施工階段及其受力狀態(tài)經(jīng)過計算，各階段混凝土各節(jié)點應(yīng)力控制在-2.5MPa~2.2MPa之間，滿足規(guī)范要求。

單元 標(biāo)高 階段 外側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)底緣 外側(cè)底緣

116.0 標(biāo)高6.5m V0 0.0 0.0 0.0 0.0

116.0 V1 0.3 0.3 -0.4 -0.4

116.0 V2 0.8 0.8 -1.0 -1.0

116.0 V3 2.2 2.2 -2.5 -2.5

116.0 V3-縱向張拉 0.5 1.6 -0.9 -2.0

116.0 V-3橫向張拉 0.7 0.9 -1.2 -1.4

116.0 V4 1.9 2.1 -2.5 -2.6

116.0 V4-橫向張拉 2.2 1.3 -2.8 -1.8

116.0 V-4縱向張拉 -0.4 0.2 -0.2 -0.9

116.0 混凝土濕重 0.0 1.1 -0.8 -1.9

表11V撐底緣施工階段應(yīng)力

單元 標(biāo)高 階段 外側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)底緣 外側(cè)底緣

204.0 標(biāo)高10.4m V0 0.0 0.0 0.0 0.0

204.0 V1 0.0 0.0 0.0 0.0

204.0 V2 0.0 0.0 -0.1 -0.1

204.0 V3 0.9 0.9 -1.1 -1.1

204.0 V3-縱向張拉 -0.4 0.4 0.1 -0.7

204.0 V-3橫向張拉 -0.3 -0.1 -0.1 -0.2

204.0 V4 0.8 1.0 -1.3 -1.4

204.0 V4-橫向張拉 1.1 0.2 -1.6 -0.7

204.0 V-4縱向張拉 -1.5 -0.8 0.9 0.1

204.0 混凝土濕重 -1.0 0.1 0.2 -0.9

表22V撐標(biāo)高10.4m處施工階段應(yīng)力

單元 標(biāo)高 階段 外側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)頂緣 內(nèi)側(cè)底緣 外側(cè)底緣

169.0 標(biāo)高14.5m V0 0.0 0.0 0.0 0.0

169.0 V1 0.0 0.0 0.0 0.0

169.0 V2 0.0 0.0 0.0 0.0

169.0 V3 0.0 0.0 -0.1 -0.1

169.0 V3-縱向張拉 0.0 0.0 -0.1 -0.1

169.0 V-3橫向張拉 0.0 0.0 -0.1 -0.1

169.0 V4 0.7 0.7 -0.9 -0.9

169.0 V4-橫向張拉 0.8 0.3 -1.0 -0.5

169.0 V-4縱向張拉 -1.1 -0.5 0.7 0.0

169.0 混凝土濕重 -0.6 0.3 0.0 -0.9

表33V撐標(biāo)高14.5m處施工階段應(yīng)力

3.2 正常使用狀態(tài)內(nèi)力計算

根據(jù)設(shè)計原則和成橋后V撐受力特性，對成橋后橋梁正常使用狀態(tài)下V型墩受力進行驗算，計算結(jié)果表明正常使用狀態(tài)下持久承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)均能滿足規(guī)范要求。通過相應(yīng)的施工控制，成橋時內(nèi)力、位移與設(shè)計狀態(tài)偏差不應(yīng)該太大。

單元 荷載 成分 軸向（kN） 彎矩（kN·m） 承載力（kN）

179（底部） （承載）C1~C9總包（最大） 軸向 -16263 -4188 OK

180（底部） （承載）C1~C9總包（最大） 軸向 -19575 -16307 OK

179（底部） （短）C1~C9（總包）（最大） 軸向 -16437 -3281 0.05

180（底部） （短）C1~C9（總包）（最大） 軸向 -19732 -14301 0.05

186（頂部） （承載）C1~C9總包（最大） 軸向 -14070 896 OK

186（頂部） （承載）C1~C9總包（最?。?軸向 -23871 -6005 OK

表44V撐軸向最值效應(yīng)

單元 荷載 成分 軸向（kN） 彎矩（kN*m） 承載力（KN）

179（底部） （承載）C1~C9總包（最大） 彎矩-y -22692 27603 OK

180（底部） （承載）C1~C9總包（最?。?彎矩-y -28644 -38759 OK

179（底部） （短）C1~C9（總包）（最大） 彎矩-y -18637 21415 0.082

180（底部） （短）C1~C9（總包）（最小） 彎矩-y -22948 -30821 0.125

190（頂部） （承載）C1~C9總包（最大） 彎矩-y -25364 6808 OK

186（頂部） （承載）C1~C9總包（最?。?彎矩-y -21621 -12923 OK

表55V撐彎矩最值效應(yīng)

4 結(jié)論

1）盡管施工階段和正常使用階段V撐應(yīng)力符合要求，但隨著V成臨時預(yù)應(yīng)力的釋放和箱梁復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)作用，V型墩斜腿固結(jié)處受力特性發(fā)生了及其微妙的改變。由于橋幅較寬，實際上，該部分的應(yīng)力狀態(tài)很難接受上述計算假定或者其計算結(jié)果與實際受力結(jié)果也可能相差甚遠(yuǎn)，需要綜合考慮荷載、施工約束和預(yù)應(yīng)力束的空間效應(yīng)進行分析計算；

2）對于V撐頂現(xiàn)澆箱梁部分，由于受V撐的約束或作用和預(yù)應(yīng)力空間效應(yīng)及箱梁剪力滯、畸變的影響，在V型墩頂部要表現(xiàn)出明顯的剪力滯現(xiàn)象、順橋向在V撐之間跨中底板可能存在超出預(yù)期結(jié)果的拉應(yīng)力，因此該部分要保持足夠的底板厚度；

3）根據(jù)箱梁截面橫向正應(yīng)力分布表明：V撐在恒載作用下加劇了V撐處箱梁底板橫向拉應(yīng)力作用，特別是底板預(yù)應(yīng)力管道周圍混凝土收縮較快、截面相對薄弱是產(chǎn)生底板縱向裂縫的主要原因，因此該部分加設(shè)一定厚度的橫隔板比增大底板厚度的做法更有效果，而且對抗震極為有利；

4）V撐頂部斜向深入進箱梁，盡管結(jié)構(gòu)形式美觀，但箱梁整體泊松效應(yīng)和剛度分布不均勻、混凝土收縮徐變應(yīng)力不均，對于V撐之間箱梁相對薄弱的腹板也是一個嚴(yán)重的考驗，這部位縱向預(yù)應(yīng)力布置往往沿腹板斜向成45°或更大角度迅速上行。因此在縱向預(yù)應(yīng)力張拉過程中斜撐和跨中之間腹板極易出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的斜向裂縫，在設(shè)計時考慮在此沿V撐垂直方向加設(shè)一定數(shù)量的防劈裂鋼筋；

5）樟林大橋主橋結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)同類型橋梁中比較少見，特別是對主橋V型墩施工，施工技術(shù)難度很大，因此在制定橋梁施工方案時經(jīng)過充分論證。主橋V型墩成橋后為偏心受壓的梁結(jié)構(gòu)，在不同工況下受力復(fù)雜，如在張拉系桿和結(jié)構(gòu)整體降溫時其根部極有可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，混凝土出現(xiàn)裂縫，因此V型墩施工過程中，不但要保證其幾何尺寸和空間坐標(biāo)準(zhǔn)確，還要保證V型墩在各受力工況時出現(xiàn)的應(yīng)力值在設(shè)計允許范圍之內(nèi)，同時必須要求蝶型拱橋V型墩和拱梁上部結(jié)構(gòu)施工時，提高施工精度，進行嚴(yán)格的施工監(jiān)控。

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