九龍大橋V型鋼骨混凝土橋墩計算分析

張樹清，尹　超

（安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，合肥　230088）

九龍大橋V型鋼骨混凝土橋墩計算分析

張樹清，尹超

（安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，合肥230088）

九龍大橋為連續(xù)剛構橋，采用V型橋墩。V型橋墩抗推剛度較大，結構整體計算分析時，發(fā)現(xiàn)橋墩存在較大彎曲內(nèi)力。為使結構安全，參照相關規(guī)范對橋墩配置一定型鋼骨架，使其形成鋼骨混凝土結構。對鋼骨混凝土橋墩截面抗彎、截面抗剪、裂縫寬度進行計算和分析，并根據(jù)計算結果對該橋V型墩設計方案進行評價。

V型橋墩；抗推剛度；抗彎；抗剪；裂縫

1　工程概況

浙江省麗水市蓮都區(qū)麗龍高速公路南山互通式立交至麗新鄉(xiāng)的公路是連接麗水蓮都區(qū)碧湖鎮(zhèn)南山和麗新鄉(xiāng)的主要縣級公路。該路按1級公路設計，汽車荷載公路-I級，人群荷載2.5 kN/m2。九龍大橋是南山至高溪段中的控制性工程。該橋位于大溪流域及九龍濕地公園區(qū)，主橋主跨為80 m+140 m+ 80 m V型墩剛構。主梁為預應力混凝土箱梁，單箱單室、直腹板截面，主墩墩身采用V型鋼骨架混凝土（SRC）實體墩。主橋采用掛籃對稱懸臂澆筑法施工，引橋采用預制拼裝法施工。

九龍大橋主墩采用V型實體墩，如圖1所示。V型墩兩斜肢截面為鋼骨混凝土（SRC）結構，兩斜肢與豎直線的夾角為35°；斜肢橫橋向?qū)挾扰c箱梁底板寬度相同，為7.0 m，撐體厚1.6 m，設置10 cm角；V型墩與主梁梁底交接處采用圓弧過渡，同時為避免剛度產(chǎn)生較大的突變，在V型墩與承臺固結處設置寬5.0 m實體段，與承臺交接處設置1 m×1 m的倒角。

圖1　V型墩立面示意

由于V型橋墩抗推剛度較大，故對九龍大橋進行結構整體計算分析時，發(fā)現(xiàn)橋墩存在較大彎曲內(nèi)力。為了滿足結構受力要求，九龍大橋V型橋墩兩斜肢截面采用鋼骨混凝土結構，每斜肢截面內(nèi)布置9根焊接工字鋼，工字鋼標準間距70 cm。根據(jù)焊接工字鋼受力大小，其翼緣厚度分為3大塊，即V撐與梁交接處厚30 mm，V撐與墩交接處厚30 mm，其它部位厚20 mm；其腹板厚度分為3大塊，即V撐與梁交接處厚16 mm，V撐與墩交接處厚16 mm，其它部位厚14 mm。焊接工字鋼之間采用L63×6 mm角鋼進行橫向連接，且其上下翼緣外側均設置Ф22 mm（長100 mm）的剪力釘，以增大其與混凝土之間的握裹能力。施工過程中，焊接工字鋼也起勁性骨架作用。V型墩布置9組焊接工字鋼，橋墩斷面布置228根Ф28 mm鋼筋，橫橋向單側布置96根主筋。橋墩型鋼截面布置型式如圖2所示。

圖2　橋墩型鋼布置截面示意

2　計算參數(shù)

九龍大橋橋墩混凝土采用C50混凝土，其彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比νc=0.2，溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01，軸心抗壓強度標準值fck= 32.4 MPa，抗拉強度標準值ftk=2.65 MPa，軸心抗壓強度設計值fcd=22.4 MPa，抗拉強度設計ftd= 1.83 MPa。型鋼骨架采用 Q235C鋼，其彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比νs=0.3，溫度線膨脹系數(shù)為1.2e-5［1］。

3　計算荷載

由于九龍大橋橋梁規(guī)模較大，施工過程復雜，施工工況較多，故設計時對V型剛構橋整體模型進行了計算，以分析橋墩最不利受力位置，提取最不利位置處節(jié)點內(nèi)力，并將此內(nèi)力作為計算荷載。最不利截面內(nèi)力如表1所示。

表1　控制截面內(nèi)力

4　計算方法

根據(jù)YB 9082—2006《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》［2］，鋼骨混凝土構件指配置鋼骨并按規(guī)定配置柔性鋼筋的混凝土構件，包括鋼骨混凝土梁、鋼骨混凝土柱、鋼骨混凝土剪力墻和鋼骨混凝土筒體等結構構件。鋼骨指具有剛度和承載力并配置于混凝土構件中的鋼構件，可采用鋼板材或型材焊接拼制形成，也可直接采用軋制鋼型材。鋼骨分為實腹式和空腹式2種形式，YB 9082—2006主要適用于實腹式鋼骨。鋼骨混凝土計算分混凝土中鋼骨部分計算和鋼筋計算，二者須分別計算，并按疊加原理建立承載力和剛度的計算公式。

根據(jù)JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》［3］，型鋼混凝土組合結構指混凝土內(nèi)配置型鋼和鋼筋的結構，其由混凝土、型鋼、縱向鋼筋和箍筋組成，型鋼可采用焊接型鋼和軋制型鋼。JGJ 138—2001是以鋼筋混凝土理論為基礎、以試驗研究成果為依據(jù)建立的。JGJ 138—2001中型鋼混凝土組合結構的設計思路基本與我國鋼筋混凝土結構的設計方法相一致。

經(jīng)對九龍大橋結構進行分析、計算，認為連續(xù)剛構橋V型墩內(nèi)配置鋼骨料更符合鋼骨混凝土構件，因此本文主要按YB 9082—2006進行計算，并用JGJ 138—2001相關條文進行校核。

由于V型橋墩承受的彎矩較大，故可將其簡化為上下固結的梁結構，設計時主要按鋼骨混凝土梁結構進行計算。由于分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內(nèi)的荷載所引起的物體中的應力在離荷載作用區(qū)稍遠處，基本上只與荷載的合力和合力矩有關，且荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應力分布［4-5］，因此，控制截面區(qū)域的應力分布只與其附近區(qū)域的受力狀態(tài)有關，可以弱化遠離該區(qū)域構件對其的影響。本文選取九龍大橋V型墩計算最不利截面并提取該節(jié)點內(nèi)力，按鋼骨混凝土結構進行計算。

對于鋼骨混凝土偏心受壓構件而言，在加載后期，由于型鋼與混凝土之間發(fā)生粘結滑移，混凝土不斷開裂、剝落，故在兩者截面會發(fā)生突變，出現(xiàn)應力重新分布，型鋼受壓翼緣的壓應變增加，接觸面混凝土壓應變減??；另一方面，型鋼受拉翼緣的拉應變會增加，接觸面混凝土的拉應變會減小［6］，應變分布表現(xiàn)出一定的非線性性質(zhì)。通常為了簡化計算，可以考慮采用一個修正的平截面，即認為試件達到極限承載力狀態(tài)時，混凝土、型鋼及鋼筋的應變沿截面高度仍呈線性變化［7］。本文計算時，橋墩截面符合平截面假定，混凝土、鋼材、鋼筋均按線彈性受力計算。

4.1橋墩抗彎計算鋼骨部分受彎承載力按下列公式計算：

鋼筋部分的受彎承載力按下列公式計算：

結構抗力大于內(nèi)力，故總受彎承載力滿足規(guī)范要求。

4.2橋墩抗剪計算

鋼骨混凝土梁斜截面受剪承載力應滿足Vb≤其中：Vb為梁的剪力設計值為梁中鋼骨部分的受剪承載力為梁中鋼筋混凝土部分的受剪承載力。

鋼骨部分受剪承載力按下列公式計算：

式中：tw為鋼骨腹板厚度為鋼骨腹板高度為鋼骨腹板抗剪強度設計值

鋼筋部分受剪承載力按下列公式計算：

式中：ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，ft=2 MPa； bb為截面寬度為鋼筋混凝土部分截面有效高度為箍筋抗拉強度，為箍筋面積和為箍筋間距，s=100 cm。

4.3橋墩裂縫寬度計算

鑒于混凝土材料具有非均勻性，構件裂縫開展存在隨機性，其中裂縫位置、間距及寬度均為隨機變量且受諸多因素影響，因此，為便于計算和分析，本文假定構件截面符合平截面假定，混凝土、型鋼及鋼筋均在彈性范圍內(nèi)工作，開裂截面不考慮混凝土的受拉作用，非開裂截面受拉區(qū)混凝土應力均勻分布［8］。

對鋼骨混凝土梁最大裂縫寬度進行驗算。對于鋼骨為對稱配置截面的鋼骨混凝土梁，按荷載效應的標準組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度進行驗算，驗算公式如下：

5　結束語

本文對九龍大橋V型鋼骨混凝土橋墩截面抗變、截面抗剪、裂縫寬度進行了計算和分析，并將按YB 9082—2006和JGJ 138—2001要求得到的計算結果進行了比較，結果表明：

1）鋼骨混凝土橋墩抗彎承載力大于結構彎曲內(nèi)力，受彎承載力滿足規(guī)范要求。

2）鋼骨混凝土橋墩抗剪承載力大于結構剪切內(nèi)力，受剪承載力滿足規(guī)范要求。

3）鋼骨混凝土規(guī)范和型鋼混凝土規(guī)范裂縫計算公式相似。

4）2種規(guī)范最大區(qū)別在于“考慮型鋼翼緣作用的鋼筋應變不均勻系數(shù)Ψ”不同。

5）長期荷載作用下鋼骨混凝土裂縫寬度計算可采用采用鋼筋混凝土梁長期裂縫寬度的取值方法，即在短期荷載作用下的裂縫寬度計算公式基礎上并考慮長期影響的擴大系數(shù)乘以1.5。

YB 9082—2006是以日本規(guī)范為基礎，忽略了型鋼和混凝土之間的粘接作用，僅是單獨計算型鋼和鋼筋混凝土部分，并按疊加原理建立承載力和剛度的計算公式。YB 9082—2006實際應用比較方便，且計算簡單，可操作性強，但設計結果偏于保守。

［1］中交公路規(guī)劃設計院.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］冶金工業(yè)部建筑研究總院.YB 9082—2006鋼骨混凝土結構設計規(guī)程［S］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］中國建筑科學研究院.JGJ 138—2001型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］王軍文，宋曉東，張文學，等.石板坡大橋墩梁固結點局部應力分析［J］.國防交通工程與技術，2007 （1）：30-32.

［5］張樹清.矮塔斜拉橋塔-梁-墩固結局部分析［J］.交通科技，2015（5）：46-47.

［6］鄭山鎖，李磊.型鋼高強高性能混凝土結構基本性能與設計［M］.北京：科學出版社，2012.

［7］葉列平.鋼骨混凝土柱設計方法［J］.建筑結構，1997 （5）：8-12.

［8］王連廣.鋼與混凝土組合結構理論與計算［M］.北京：科學出版社，2005.

Calculation&Analysis to V-Shaped Reinforced Bar Concrete Pier of Jiulong Bridge

ZHANG Shuqing，YIN Chao

Jiulong Bridge is a continuous rigid frame bridge adopting V-shaped piers.V-shaped pier has good anti-thrust rigidity，in structural integral calculation&analysis，it is found that the piers have relatively big bending force.For structural safety，in accordance with relevant regulations，a shaped steel frame is used to form a steel bar concrete structure.This paper then carries out calculation and analysis to sectional anti-bending，sectional anti-shearing，crack width of steel bar concrete pier，and evaluates the V-shaped pier design of this bridge according to the calculation result.

V-shaped pier；anti-thrust rigidity；anti-bending；anti-shearing；crack

1009-6477（2016）04-0064-04

U443.22

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.014

2016-03-17

張樹清（1983-），男，安徽省阜南縣人，碩士，工程師。