V型支撐橋梁設(shè)計研究

李 映，陳 云

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

V 形支撐橋梁外形輕巧美觀，結(jié)構(gòu)受力性能良好。V 形支撐提升了橋梁的跨越能力，降低了梁高，增大了支點(diǎn)附近梁的剛度，同時 V 形支撐豐富了橋梁線條，使橋梁造型具有動感，景觀效果好，國內(nèi)外已經(jīng)建造很多該類橋梁[1]。

當(dāng) V 撐占梁的比例較小時，結(jié)構(gòu)更多顯示出梁和剛構(gòu)受力特征[2]；當(dāng) V 撐較長且呈弧線時，結(jié)構(gòu)已具備拱橋的受力特征[3]。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)簡單、受力明確，溫度、收縮和徐變內(nèi)力均較小，但存在支座的維修與更換問題。連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)體系，升降溫及收縮徐變作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力和基礎(chǔ)水平力成為比較突出的問題，合龍段內(nèi)力主動調(diào)整可適當(dāng)減少基礎(chǔ)內(nèi)力[4]。連續(xù)剛構(gòu)設(shè)掛孔后，或連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)組合后，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)減少，徐變收縮及溫差作用產(chǎn)生次內(nèi)力及基礎(chǔ)反力得到很大改善。拱式結(jié)構(gòu)體系在豎向荷載作用下拱腳有水平推力。針對建筑造型介于標(biāo)準(zhǔn)的 V 型剛構(gòu)和 V 型拱（上承式拱橋）之間的橋梁，如何選擇其合理的結(jié)構(gòu)體系需要進(jìn)行仔細(xì)分析研究。

本文對背景工程贛州沙石大橋五跨 V 形支撐橋梁可采用的 6 種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對比分析，同時對 V 形支撐的角度及剛度進(jìn)行參數(shù)分析，結(jié)論可供該類橋梁設(shè)計時參考。

2 設(shè)計實例

贛州沙石大橋位于贛州市南部，跨越章江，連接章江新區(qū)與峰山片區(qū)，是贛州市城市擴(kuò)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市向南拓展的重要通道（見圖1）。道路等級為城市主干路，設(shè)計車速為 40 km/h，設(shè)計荷載為城—A 級，最高通航水位為 5 a 一遇洪水位，航道等級為Ⅶ（2），底寬 32 m，凈高 5 m。主橋為五跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿剛構(gòu)橋，跨徑組合為60 m+3× 90 m+60 m=390 m，橫橋向為單幅，橋?qū)?3 m。主梁采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁，單箱五室，中支點(diǎn)梁高 2.0 m，邊支點(diǎn)和跨中梁高 2.5 m，頂板厚 0.28 m，底板厚 0.24 m，腹板厚 0.5 m 到0.75 m。斜腿采用變截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單箱三室，頂?shù)装搴?0.5 m，腹板厚 1.0 m，斜腿底部橫向?qū)挾?16 m。中跨跨中設(shè) 16 m 鋼筋混凝土掛孔，掛孔箱室布置與主梁相同。箱梁與斜腿均采用 C55混凝土。水中主墩采用鋼筋混凝土實體橋墩，順橋向?qū)挾?5 m 到 7 m，橫橋向?qū)挾?20.5 m 到 22.5 m，墩高除 P6 墩 7.7 m 外其余 5.5 m，主墩墩身除與 V腿相接 1.5 m 范圍內(nèi)采用 C55 混凝土外，其余部分采用 C40 混凝土。水中主墩基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，底部尺寸為 22 m×26 m×7 m，順橋向分為三級，橫橋為等寬，擴(kuò)大基礎(chǔ)埋入中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖不少于 2.5 m。施工步驟為主橋基礎(chǔ)圍堰施工，在支架上進(jìn)行 V 腿三角區(qū)施工，逐段現(xiàn)澆三角區(qū)梁段，吊裝中跨掛孔，邊跨跨中合龍。該橋于 2014年5月結(jié)構(gòu)貫通。圖2為大橋總體布置圖，圖3為橫斷面圖。

圖1 贛州沙石大橋效果圖

圖2 總體布置圖 (單位：m)

圖3 橫斷面圖 (單位：m)

3 體系分析

通過對邊界條件的改變（固結(jié)或鉸接）、掛孔的設(shè)置與否和掛孔的數(shù)目及位置改變等可將贛州沙石大橋這種五跨 V 形支撐橋梁劃分為如下 6 種結(jié)構(gòu)體系：①全設(shè)支座連續(xù)梁；②不設(shè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)；③設(shè)一個掛孔連續(xù)剛構(gòu)；④設(shè)三個掛孔連續(xù)剛構(gòu)；⑤連續(xù)梁與剛構(gòu)組合；⑥拱（V 撐上掛孔）。各結(jié)構(gòu)體系示意見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)體系示意

3.1 基礎(chǔ)反力比較

恒載作用下，由于中墩左右平衡，各種體系中的中墩水平力為 1 910 kN 到 5 350 kN 之間，相對較小，體系②和體系⑥邊墩有較大水平力，尤其是體系⑥拱橋體系中將產(chǎn)生 81 000 kN 的水平力，需靠基礎(chǔ)來抵抗該水平力或者采用系桿來平衡該水平力。體系⑥中的邊墩恒載彎矩是由于邊跨曲梁效應(yīng)產(chǎn)生的，如果拉系桿水平力，將會有效抵消這部分效應(yīng)。表1為基礎(chǔ)水平力比較表，表2為基礎(chǔ)彎矩比較表。

表1 基礎(chǔ)水平力比較表（單位：kN）

表2 基礎(chǔ)彎矩比較表（單位：kN · m）

溫度作用下，體系②中墩及邊墩均產(chǎn)生很大水平力，尤其是邊墩，水平力達(dá) 113 000 kN，可見全連續(xù)剛構(gòu)體系由于剛度太大，會產(chǎn)生很大的溫度水平力，而且該水平力也不能通過拉系桿來解決，除非地基可以承受水平力，否則該結(jié)構(gòu)體系就是不合適的。在加了掛孔以后（體系③）溫度水平力降到 17 900 kN，邊墩設(shè)支座后（體系⑤）水平力為 24 500 kN，體系②拱橋水平力更小 7 690 kN，體系①、④對溫度是靜定的，沒有水平力。從基礎(chǔ)溫度水平力的角度除了體系②全連續(xù)剛構(gòu)以外，其它 5 種都是可以選擇的結(jié)構(gòu)體系。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較

分別對 V 撐三角區(qū)斜腿、三角區(qū)頂部跨中截面以及主梁的跨中截面進(jìn)行內(nèi)力分析，比較各結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)。

恒載下軸力基本差不多，剪力及彎矩體系③最小，體系④也比較小，其余 4 種體系差不多，說明是否設(shè)掛孔對斜腿恒載受力影響比較大。溫度作用下，全連續(xù)剛構(gòu)（體系②）斜腿中有很大內(nèi)力，設(shè)一個掛孔（體系③）或設(shè)一個支座后（體系⑤）溫度內(nèi)力大大降低，軸力降為約 30%，彎矩降為約60%。體系⑥拱橋溫度內(nèi)力約為體系③、⑤的一半。體系①、④邊界條件對整體升降溫是靜定的，只有三角區(qū)內(nèi)很小的局部溫度內(nèi)力。

恒載下邊墩 V 腿除了體系⑥拱橋由于邊跨曲梁效應(yīng)不同外，其余 5 種體系內(nèi)力差別不大。溫度作用下，邊墩 V 腿受力與中墩 V 腿相似，全連續(xù)剛構(gòu)（體系②）斜腿中有很大內(nèi)力，設(shè)一個掛孔（體系③）或設(shè)一個支座后（體系⑤）溫度內(nèi)力大大降低，軸力降為約 25%～40%，彎矩降為約 40%～60%。體系①、④、⑥溫度內(nèi)力都很小。

由上述中墩與邊墩的 V 腿內(nèi)力比較（見表3、表4）可以看出，除拱橋外各結(jié)構(gòu)體系的恒載 V 腿內(nèi)力差別并不大，但溫度效應(yīng)差別明顯，體系②全連續(xù)剛構(gòu)中 V 腿溫度內(nèi)力很大，降低超靜定次數(shù)可有效降低溫度內(nèi)力，拱橋體系的溫度內(nèi)力也相對較小。

恒載下 V 撐三角區(qū)頂部跨中內(nèi)力除拱橋（體系⑥）外，其余 5 種體系內(nèi)力差別不大。溫度作用下，與 V 腿相似，全連續(xù)剛構(gòu)（體系②）V 撐三角區(qū)頂部跨中有很大內(nèi)力，中墩頂部跨中將產(chǎn)生162 000 kN 的軸力，設(shè)一個掛孔（體系③）或設(shè)一個支座后（體系⑤）溫度內(nèi)力大大降低，體系①、④溫度內(nèi)力都很小，見表5。

恒載下主梁跨中內(nèi)力除拱橋（體系⑥）外，體系①、②、⑤內(nèi)力差別不大，體系③、④設(shè)掛孔后，掛孔跨中彎矩約為不設(shè)掛孔時的一半。溫度作用下，與 V 腿相似，全連續(xù)剛構(gòu)（體系②）主梁跨中有很大內(nèi)力，設(shè)一個掛孔（體系③）或設(shè)一個支座后（體系⑤）溫度內(nèi)力大大降低，體系①、④溫度內(nèi)力都很小，見表6。

3.3 結(jié)構(gòu)剛度比較

6 種體系均為對稱結(jié)構(gòu)體系，故對每個 V 形支撐橋梁結(jié)構(gòu)求出其邊跨跨中、第二跨跨中、中跨跨中的向上及向下活載撓度，以各點(diǎn)活載撓度之和的反函數(shù) 1/f 來反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體剛度，f 越大，結(jié)構(gòu)整體剛度越小。各結(jié)構(gòu)體系活載撓度比較見表7，剛度比較見圖5。

表3 中墩V撐三角區(qū)斜腿內(nèi)力比較表（單位：kN · m）

表4 邊墩V撐三角區(qū)斜腿內(nèi)力比較表（單位：kN · m）

表5 V撐三角區(qū)頂部跨中內(nèi)力比較表（單位：kN · m）

表6 主梁跨中內(nèi)力比較表（kN.m）

表7 撓度比較表（單位：mm）

圖5 剛度比較示意圖

從圖表中可以看出，體系②剛度最好，體系①體系⑤略次之，體系③體系、⑥更小一些，但他們的撓度絕對值都很小，說明都具有較好的剛度。體系④剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它 5 種結(jié)構(gòu)體系，整體穩(wěn)定性差，3 個掛孔對行車也極其不利，在選擇橋型時，應(yīng)該慎重考慮此結(jié)構(gòu)體系。

4 參數(shù)分析

4.1 V撐角度

以不設(shè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)、拱（V 撐上掛孔）這兩種結(jié)構(gòu)體系為基準(zhǔn)，保持結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)不變，取 V撐與豎線的交角 α 分別為 48 °、58 °、68 °的三種組合情況進(jìn)行對比分析，研究 V 形墩墩身傾角變化對結(jié)構(gòu)性能的影響，見圖6。

圖6 計算模型圖示（48 °、58 °、68 °）

V 型墩墩身與豎直線交角的大小對結(jié)構(gòu)的受力特性有重要影響，交角越大，結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)越明顯，墩底水平力和彎矩越大。從表8中可以看出，連續(xù)剛構(gòu)體系中，隨著角度從 48 °增加到 68 °，基礎(chǔ)恒載及溫度水平力接近翻倍，邊墩恒載水平力更達(dá)近三倍。拱橋體系中邊墩恒載基礎(chǔ)水平力增加 65%，邊墩溫度水平力約增加近兩倍。連續(xù)剛構(gòu)體系中基礎(chǔ)水平力對V撐角度的的敏感性比拱橋體系更強(qiáng)。

表8 不同V撐角度時基礎(chǔ)水平力（單位：kN）

4.2 V 撐剛度

以連續(xù)剛構(gòu)、拱這兩種結(jié)構(gòu)體系為基準(zhǔn)，保持結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)不變，針對 V 型墩墩身厚度做出調(diào)整，從而改變斜腿的剛度。選擇 V 腿截面為矩形，并分別對截面厚度 H=1.5 m、2 m 和 2.5 m 這 3種組合情況進(jìn)行對比分析，研究 V 形墩墩身厚度（剛度）變化對結(jié)構(gòu)性能的影響。表9為不同 V 撐剛度時基礎(chǔ)水平力。

隨著墩身厚度從 1.5 m 增大到 2.5 m，連續(xù)剛構(gòu)體系恒載水平力變化不大，溫度水平力增加約30%；拱橋體系邊墩恒載水平力變化不大，溫度水平力翻倍，說明拱橋體系溫度效應(yīng)對 V 墩剛度的敏感性比連續(xù)剛構(gòu)體系更強(qiáng)。

5 結(jié)語

（1）V 型支撐橋梁根據(jù)邊界條件固結(jié)或鉸接的不同、掛孔的設(shè)置與否和掛孔的數(shù)目及位置不同可形成剛構(gòu)、梁、拱及其組合等不同結(jié)構(gòu)體系。

表9 不同 V 撐剛度時基礎(chǔ)水平力（單位：kN）

（2）根據(jù)贛州沙石大橋的不同結(jié)構(gòu)體系分析，不設(shè)掛孔的連續(xù)剛構(gòu)由于剛度太大導(dǎo)致基礎(chǔ)反力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力都太大，而設(shè) 3 個掛孔連續(xù)剛構(gòu)剛度太小，這兩種結(jié)構(gòu)體系在該橋中基本不適合，其余4 種結(jié)構(gòu)體系基本可行，其中拱橋體系的恒載水平力需由基礎(chǔ)承受或通過拉系桿來平衡。設(shè)計中可根據(jù)實際具體情況，如能否設(shè)支座、是否有條件設(shè)置系桿、是否考慮設(shè)置掛孔等綜合考慮后選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。

（3）隨著 V 墩傾角和剛度的增大，基礎(chǔ)水平力明顯增大，V 墩傾角的影響更為顯著，設(shè)計中應(yīng)注意選擇合適的 V 墩傾角和剛度。

[1] 宋桂峰，樓莊鴻，鐘文香.我國的預(yù)應(yīng)力混凝土 V 形支撐橋梁[J].公路交通科技，2003(4):34-38.

[2] 趙玉泉，田偉雄.Y 形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計 [J].城市道橋與防洪，2009(6):78-79.

[3] 任文，王建光，孔光.上承式連續(xù)梁拱組合體系設(shè)計實例[J].城市道橋與防洪，2014(2):70-72.

[4] 趙會東，李承根.V 形支撐橋梁連續(xù)剛構(gòu)組合梁橋合龍段設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2002(5):39-42.