V墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能的參數(shù)分析研究

石飛停,甘亞南,張楊永

(1.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.上海同豪土木工程咨詢有限公司，上海 200092)

V墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能的參數(shù)分析研究

石飛停1,甘亞南1,張楊永2

(1.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.上海同豪土木工程咨詢有限公司，上海 200092)

以青田塔山大橋?yàn)槔?，采用參?shù)分析的方法，探討了基礎(chǔ)剛度、V形墩傾角、墩身尺寸、合攏頂推力等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋整體受力性能的影響，最后得出了參數(shù)變化時結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的變化規(guī)律。研究結(jié)論表明V形墩傾角是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，對主梁和墩柱的受力性能有著很大影響；基礎(chǔ)剛度、墩身尺寸、合攏頂推力對上部結(jié)構(gòu)主梁受力性能影響相對較小，對墩柱受力性能影響相對較大。

連續(xù)剛構(gòu)；V形墩；傾角；基礎(chǔ)剛度；頂推力

0 引言

近年來，V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋由于其在力學(xué)、美學(xué)、造價上的優(yōu)勢，獲得了越來越多的發(fā)展，特別是眾多城市橋梁開始相繼采用此種景觀效果較好的結(jié)構(gòu)形式[1]。目前的研究大多集中在V形墩的施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)整體受力分析、墩頂0#塊局部受力分析[2-4]等方面，關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)變化對整體受力性能影響方面的研究不多，較為零散。基礎(chǔ)剛度、V形墩傾角、V形墩墩身尺寸、合攏頂推力等參數(shù)對結(jié)構(gòu)整體受力性能有著重要影響[5]，有必要展開詳細(xì)研究。

1 工程概況

青田塔山大橋設(shè)計(jì)中主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋[6]，跨徑布置為80m+120m+80m =280m，見圖1。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室變高度混凝土箱梁，頂面全寬為18.0m，V形墩墩頂段梁高為4.5m，邊跨支點(diǎn)及跨中梁高為2.5m，箱梁梁高和底板厚度均按二次拋物線變化。V形墩墩頂橫梁寬2.8m、端橫梁寬1.8m。箱梁底板寬11.0m，兩側(cè)懸臂寬3.5m。箱梁頂板厚度0.26m；箱梁底板厚度從0.40m變化到1.00m；腹板厚度從0.60m變化到0.80m。為減小主梁的應(yīng)力集中，箱梁底面與V形墩斜撐間設(shè)圓弧過渡段。主墩墩柱，即V形墩斜腿與承臺固結(jié)，上部結(jié)構(gòu)主梁梁端設(shè)置盆式活動支座。主梁設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

V形墩斜腿采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，斜腿的墩身沿縱橋向?qū)?.50m，橫橋向?qū)?1.0m，與豎直線夾角為25°。V形墩預(yù)應(yīng)力布置在墩身中心位置，張拉端設(shè)在V形墩墩頂橫梁倒角位置，固定端埋設(shè)于承臺混凝土內(nèi)。主墩基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，承臺頂設(shè)墩座與V形墩斜腿固結(jié)。

圖1 橋型方案布置圖

2 模型建立

采用橋梁專用有限元程序MIDAS/Civil建立有限元模型[7]，主梁和橋墩均采用梁單元模擬，梁端支座采用彈簧連接單元模擬，按施工階段建立有限元模型，如圖2所示。

圖2 V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋有限元計(jì)算模型

3 參數(shù)分析

橋梁結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)是多個參數(shù)綜合作用的結(jié)果。參數(shù)研究的目的在于分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)體系受力性能的影響，揭示結(jié)構(gòu)體系受力性能與設(shè)計(jì)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系和一般規(guī)律，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)[8]。對于常規(guī)的V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋而言，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：基礎(chǔ)剛度、V形墩傾角、V形墩墩身尺寸、合攏頂推力等，下面分別加以討論。

3.1 基礎(chǔ)剛度

基礎(chǔ)剛度的大小對上部結(jié)構(gòu)受力性能影響不大，但對V形墩的墩底彎矩影響較大。背景工程采用承臺樁基礎(chǔ)，不同的樁根數(shù)和樁徑對基礎(chǔ)剛度影響較大，分析時分別考慮三種樁基布置形式：12根直徑2.4m樁、18根直徑1.6m樁、24根直徑1.2m樁。樁長不變，承臺尺寸不變，樁根數(shù)多時樁間距小。三種樁基布置形式下的基礎(chǔ)剛度如表1所示。

表1 成橋恒載下V形墩墩身彎矩(kN·m)

參數(shù)分析時，除樁基布置形式改變外，其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變。成橋狀態(tài)時恒載作用下的V形墩墩身彎矩如表2所示?？梢钥闯觯琕形墩墩身彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的減小而減小。

表2 成橋恒載下V形墩墩身彎矩(kN·m)

3.2 V形墩傾角

V形墩傾角定義為V形墩身與豎直線的夾角，其大小對主梁和墩身的受力狀態(tài)有重要影響，是影響結(jié)構(gòu)受力性能的主要參數(shù)[9-10]。參數(shù)分析時，取V形墩傾角分別為15°、20°、25°、30°、35°五個角度，其它設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，從上部結(jié)構(gòu)主梁和V形墩墩身的受力狀態(tài)討論V形墩傾角的影響。

V形墩傾角越大，上部結(jié)構(gòu)主梁的計(jì)算跨徑越小。不同V形墩傾角下主梁的墩頂彎矩和軸力變化如圖3所示。圖中的縱坐標(biāo)均作了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，表示為除以初值后的相對值，以百分比表示，初值取傾角為25°時的計(jì)算結(jié)果。下面參數(shù)分析的各圖處理方式與此處相同，不再贅述。

從圖3中可以看出，上部結(jié)構(gòu)主梁的邊跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩、中跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩均隨著V形墩傾角的增大而減?。籚形墩兩墩柱之間的主梁負(fù)彎矩也隨著V形墩傾角的增大而減??；而V形墩兩墩柱之間的主梁軸力隨著V形墩傾角的增大而增大。V形墩傾角從25°變化到35°，邊跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩、中跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩、V形墩兩墩柱之間的主梁負(fù)彎矩分別減小21%、17%、40%；而V形墩兩墩柱之間的主梁拉力增加22%。

圖3 傾角與主梁內(nèi)力狀態(tài)關(guān)系圖

不同V形墩傾角下V形墩墩柱的彎矩和軸力變化如圖4所示。從中可以看出，V形墩傾角變化對中跨側(cè)墩柱的彎矩影響很大，其值隨著V形墩傾角的增大而增大；邊跨側(cè)墩柱的彎矩隨著V形墩傾角的增大而減小；V形墩傾角變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。V形墩傾角從25°變化到35°，邊跨側(cè)墩柱彎矩減小52%，但中跨側(cè)墩柱彎矩卻增加為初值的4.3倍。

圖4 傾角與V形墩墩身內(nèi)力狀態(tài)關(guān)系圖

3.3 墩身尺寸

墩身剛度對于連續(xù)剛構(gòu)橋的受力性能影響較大。V形墩墩身剛度主要受墩身厚度控制，一般而言，墩身厚度越小，墩柱越柔，主梁與墩身受力也越好。V形墩墩身厚度對上部結(jié)構(gòu)影響很小，對下部結(jié)構(gòu)影響稍大。參數(shù)分析時，取墩身厚度1.0m、1.5m、2.0m，其它設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，討論墩身厚度對V形墩墩身的受力狀態(tài)的影響。

不同墩身厚度下V形墩墩柱的彎矩和軸力變化如圖5所示。從中可以看出，邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩均隨著V形墩墩身厚度的增大而增大；而墩身厚度變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。V形墩墩身厚度從1.5m變化到2.0m，邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩分別增大19%、11%。

3.4 合攏頂推力

三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，一般采用先邊跨后中跨的合攏順序，在中跨合攏前對主梁施加頂推力，能有效的改善墩身的受力狀態(tài)。中跨合攏頂推力對上部結(jié)構(gòu)影響較小，對下部結(jié)構(gòu)有一定影響[9]。參數(shù)分析時，取合攏頂推力分別為500、750、1000，其它設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，討論合攏頂推力對V形墩墩身的受力狀態(tài)的影響。

不同合攏頂推力下V形墩墩柱的彎矩和軸力變化如圖6所示。從中可以看出，邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩均隨著V形墩傾角的增大而減??；而合攏頂推力變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。合攏頂推力從750變化到1000，邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩分別減小16%、10%。

圖6 合攏頂推力與V形墩墩身內(nèi)力狀態(tài)關(guān)系圖

4 結(jié)論

影響V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有基礎(chǔ)剛度、V形墩傾角、V形墩墩身尺寸、合攏頂推力等，通過青田塔山大橋的受力計(jì)算和參數(shù)分析，得出如下結(jié)論：

基礎(chǔ)剛度的大小對上部結(jié)構(gòu)受力性能影響不大，但對V形墩墩柱的彎矩影響較大。V形墩墩柱彎矩隨著基礎(chǔ)剛度的減小而減小。

V形墩傾角對上部結(jié)構(gòu)主梁的受力有較大影響，主梁的邊跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩、中跨側(cè)墩頂負(fù)彎矩均隨著V形墩傾角的增大而減??；V形墩兩墩柱之間的主梁負(fù)彎矩也隨著V形墩傾角的增大而減??；而V形墩兩墩柱之間的主梁軸力隨著V形墩傾角的增大而增大。

V形墩傾角對下部結(jié)構(gòu)的受力有較大影響，V形墩傾角對中跨側(cè)墩柱的彎矩影響很大，其值隨著V形墩傾角的增大而增大；邊跨側(cè)墩柱的彎矩隨著V形墩傾角的增大而減??；而V形墩傾角變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。

邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩均隨著V形墩墩身厚度的增大而增大；而墩身厚度變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。

邊跨側(cè)墩柱彎矩、中跨側(cè)墩柱彎矩均隨著V形墩傾角的增大而減??；而合攏頂推力變化對V形墩墩柱的軸力影響不大。

相對而言，V形墩傾角對主梁和墩柱的受力狀態(tài)影響較大，而其它參數(shù)影響較小。橋梁設(shè)計(jì)時首先應(yīng)綜合考慮受力安全、外形美觀、施工便利等因素，確定合適的V形墩傾角。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Parameter Analysis of Mechanical Behavior of Continuous Rigid-Frame Bridge with V-Shaped Piers

SHI Fe-ting1, GAN Ya-nan1, ZHANG Yang-yong2

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu 224051,China;2.Shanghai Tonghao Civil Engineering Consulting Co., Ltd.,Shanghai 200092,China)

Taking Qingtian Tashan Bridge as an example, the influence of structure design parameters on mechanical behavior of continuous rigid-frame bridge were discussed in detail with the method of parameter analysis. These parameters contained the foundation stiffness, the dip of V-shaped pier, size of V-shaped pier, the closure jacking force, and so on. At last, the change rules of structural mechanical behavior with the change of structure design parameters were given. Research results showed that the dip of V-shaped pier was the most important design parameter, which had great influence on bending moment of girder and piers. Other parameters such as foundation stiffness, sizes of V-shaped pier, closure jacking force had less influence on mechanical behavior of girder, but they had certain influence on mechanical behavior of V-shaped piers.

continuous rigid-frame;V-shaped pier; dip angle;foundation stiffness;jacking force

2015-07-30

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(13KJB560014)

石飛停(1979-)，男，黑龍江尚志人，講師，碩士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與設(shè)計(jì)理論研究。

U448.27

A

1009-7961(2015)05-0057-03