V型墩連續(xù)剛構橋受力特性分析

徐治芹 馬春佳

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

V型墩連續(xù)剛構橋外形輕巧、美觀、新穎，結構受力性能良好，兼有拱橋和梁橋的特點，橋梁景觀效果好，已成為現(xiàn)在比較流行的一種橋型[1]。尤其在景觀要求較高的地區(qū)，出現(xiàn)了大量的V型墩連續(xù)剛構橋。

雖然此種橋型已建成很多，但其設計、施工中依然存在較多問題，比如：V型墩的施工方法、局部節(jié)點構造形式的確定、水平力引起的拉應力過大問題等。其中由整體升降溫等產生的水平力對橋梁結構產生過大拉應力的問題是較為突出的問題之一。

1 概況

V型墩連續(xù)剛構橋屬于墩梁固結體系，橋梁縱向剛度較大[2]。影響其縱向剛度的主要因素有斜腿厚度、豎墩厚度、豎墩高度以及墩底連接形式等，本文以一座典型的三跨預應力混凝土V型墩連續(xù)剛構橋為實例，建立有限元模型，分析上述四種因素對橋梁受力的影響，并結合其它條件，探討優(yōu)化設計的措施。

昆獨侖三號橋位于鄂爾多斯市中央大道上，主橋長220 m，跨徑布置為（60+100+60）m，為一座V型墩連續(xù)剛構橋。橋梁全寬42 m，分左右幅，單幅橋寬19.5 m，中央分隔帶寬3 m。主橋結構簡圖如圖1所示[3]。

2 有限元分析模型

圖1 橋梁立面簡圖（單位：m）

由于該橋主梁及V型墩的長細比較大，并且結構對稱規(guī)整，對于分析主橋縱向剛度，采用平面桿系有限元軟件進行計算是合理的[4]。計算模型共劃分268個梁單元，8個剛臂，如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

模型中各部位尺寸及鋼絞線線形、參數(shù)依照該橋原設計參數(shù)輸入，具體為：邊跨梁高由3 m漸變高4.5 m，中跨梁高最矮處3 m。截面為箱型截面，單箱四室。V型腿厚度2 m，寬度15.5 m，與水平方向夾角55°。豎墩厚度4 m，寬度15.5 m。邊界條件為：兩端為滑動支座，兩個V型墩底初始設為固結。

模型施加荷載主要有：（1）自重：軟件自動計算，集度為26 kN/m3。（2）二期恒載：主要為橋面鋪裝、防撞護欄、人行道板及欄桿，用線荷載模擬。（3）活載：公路I級，單幅橋布置4車道，偏載系數(shù)取1.2，并考慮1.3倍的放大系數(shù)；人群荷載3 kN/m2，單幅橋單側布置人行道，寬度4 m。

3 各影響因素計算結果對比分析

3.1 斜腿厚度的影響

V型墩兩個斜腿的厚度直接影響V型墩的整體剛度，從而影響橋梁整體的受力性能。以初始模型中其他條件不變，V型墩斜腿厚度分別取1 m、1.5 m、2 m和3 m來進行對比分析。

對比內容為主梁和V型墩的控制設計指標：（1）短期效應組合下，主梁上下緣最大拉應力；（2）標準組合下，主梁上下緣最大壓應力；（3）短期效應組合下，V型墩斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩斜腿的強度。

對比結果如圖3～6所示：

圖3 主梁上下緣最大拉應力（單位:MPa）

圖4 主梁上下緣最大壓應力（單位:MPa）

圖5 斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖6 斜腿最大抗力及對應內力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著斜腿厚度的增大，（1）主梁下緣最大拉應力變化不大，上緣最大拉應力隨之增大；（2）主梁上下緣最大壓應力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之增大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，斜腿強度隨著厚度增大而增大，均滿足要求。

3.2 豎墩厚度的影響

豎墩厚度也是V型墩剛度的影響因素之一。以初始模型中其他條件不變，豎墩厚度分別取3m、4 m、5 m和6 m來進行對比分析。

對比內容為：（1）短期效應組合下，主梁上下緣最大拉應力；（2）標準組合下，主梁上下緣最大壓應力；（3）短期效應組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩豎墩的強度。

對比結果如圖7～圖10所示。

圖7 主梁上下緣最大拉應力（單位:MPa）

圖8 主梁上下緣最大壓應力（單位:MPa）

圖9 豎墩及斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖10 豎墩最大抗力及對應內力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著豎墩厚度的增大，（10主梁上下緣最大拉應力均隨之增大；（2）主梁上下緣最大壓應力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之增大，豎墩裂縫寬度變化不大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，豎墩的強度均滿足要求，只是隨著厚度增大，豎墩強度增大。

3.3 豎墩高度的影響

以初始模型中其他條件不變，豎墩高度分別取4 m、6 m、7 m、10 m來進行對比分析。

對比內容為：（1）短期效應組合下，主梁上下緣最大拉應力；（2）標準組合下，主梁上下緣最大壓應力；（3）短期效應組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）承載能力極限狀態(tài)下，V型墩豎墩的強度。

對比結果如圖11～14所示：

圖11 主梁上下緣最大拉應力（單位:MPa）

圖12 主梁上下緣最大壓應力（單位:MPa）

圖13 豎墩及斜腿最大裂縫寬度（單位:mm）

圖14 豎墩最大抗力及對應內力（單位:kN·m）

從以上圖中數(shù)據(jù)可知：隨著豎墩高度的增大，（1）主梁上下緣最大拉應力均隨之減??；（2）主梁上下緣最大壓應力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度隨之減小，豎墩裂縫寬度隨之增大；（4）承載能力極限狀態(tài)下，豎墩的強度均滿足要求，只是隨著高度增大，豎墩內力隨之減小。

3.4 墩底連接形式的影響

為改善V型墩剛構橋的順橋向剛度，將墩底做成鉸接形式是一個可供嘗試的方法。以初始模型中其他條件不變，墩底連接形式分別設為剛接和鉸接兩種，來進行對比。

對比內容為：（1）短期效應組合下，主梁上下緣最大拉應力；（2）標準組合下，主梁上下緣最大壓應力；（3）短期效應組合下，V型墩豎墩及斜腿的裂縫寬度；（4）主梁變形。

對比結果如表1所示：

表1 V型墩底剛接與鉸接對結構的影響對比表

從上表中數(shù)據(jù)可知：墩底設鉸，則（1）主梁上下緣最大拉應力未出現(xiàn)；（2）主梁上下緣最大壓應力變化不大；（3）斜腿裂縫寬度明顯減??；（4）主梁變形明顯減小。

4 結語

（1）合理減小V型墩斜腿及豎墩厚度，可有效減小全橋縱向剛度，優(yōu)化全橋受力狀況。但也應注意斜腿及豎墩厚度的減小對其本身強度、穩(wěn)定性及變形的影響；同時也應注意下部構件尺寸與上部構件尺寸的外觀協(xié)調性，避免出現(xiàn)“頭重腳輕”的情況。

（2）增大V形墩豎墩高度，可優(yōu)化全橋縱向剛度。豎墩高度不僅由結構受力性能控制，同時也受結構的外形、地形條件、標高等因素控制，具體設計中應結合所有條件全方位綜合考慮，選取最優(yōu)墩高。

（3）將V型墩底設置為鉸接，釋放彎矩約束，墩底可轉動，全橋受力狀況可明顯改善，特別是由整體升降溫等引起的水平力對橋梁的作用會明顯降低。但受力鉸構造十分復雜，且跨徑越大，對設計、施工要求越高；同時因鉸處于墩底，容易受水腐蝕，后期維護成本較高，因此，對于跨徑不太大的V型墩剛構橋可以考慮運用；大跨徑V型墩剛構橋建議優(yōu)先考慮其他改善水平剛度的做法。

總之，改善V型墩連續(xù)剛構橋對水平力的承受能力，應結合其實際情況，考慮采用以上一種或幾種方式來優(yōu)化橋梁的縱向剛度，使橋梁受力更趨合理。

[1]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]趙會東，李承根.V形支撐連續(xù)剛構組合梁橋合攏段設計[J].橋梁建設，2002(5)：39-42.

[3]中國市政工程華北設計研究總院有限公司.鄂爾多斯市東勝鐵西三期開發(fā)片區(qū)市政基礎設施工程昆獨侖3號橋施工圖[Z].天津：中國市政工程華北設計研究總院有限公司，2010.

[4]宋雨，項貽強，徐興，等.預應力混凝土V型墩連續(xù)剛構箱梁橋的空間分析[J].中國市政工程，2003(2)：28-30.