某V型剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

楊 磊

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

1 項(xiàng)目概況

某V型剛構(gòu)橋及其引道工程全長(zhǎng)1708m，起點(diǎn)樁號(hào)為K1+365.00，終點(diǎn)樁號(hào)為K3+073.00；其中橋梁全長(zhǎng)1028m，北引道長(zhǎng)390m，南引道長(zhǎng)290m；橋梁起點(diǎn)樁號(hào)為K1+651.00，終點(diǎn)樁號(hào)為K2+679.00；橋位處現(xiàn)狀主河槽寬度約460m，橋梁范圍內(nèi)跨越南北岸現(xiàn)狀濱水路及南岸規(guī)劃南堤路和規(guī)劃南堤。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，跨徑布置為30+20+30+20=100m，下部結(jié)構(gòu)主橋橋墩為現(xiàn)澆實(shí)體混凝土V型墩結(jié)構(gòu)，墩頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土系桿，上部結(jié)構(gòu)采用板式橡膠支座支撐于V型剛構(gòu)橋墩處，見(jiàn)圖1。

橋梁下部結(jié)構(gòu)主橋橋墩為現(xiàn)澆實(shí)體混凝土V型(順橋向)墩結(jié)構(gòu)，墩頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土系桿；引橋橋墩為現(xiàn)澆實(shí)體混凝土Y型(橫橋向)墩結(jié)構(gòu)，墩頂設(shè)置普通鋼筋混凝土系桿；橋臺(tái)為肋板式橋臺(tái)。

2 地質(zhì)情況

地層主要由耕土、雜填土、素填土、黏性土、砂土、碎石土組成?？辈焐疃葍?nèi)見(jiàn)有地下水，為孔隙潛水，初見(jiàn)水位7.7～10.1m，穩(wěn)定水位6.9～9.5m，穩(wěn)定水位標(biāo)高27.23～30.46m，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及徑流。地下水位年變幅1～2m。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。為對(duì)建筑抗震的一般地段。估算場(chǎng)地等效剪切波速為250～500m/s；場(chǎng)地覆蓋層厚度>5m；場(chǎng)地類別為II類。

判定地面下20.0m深度范圍內(nèi)無(wú)液化土層。

3 下部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 下部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

V型橋墩分兩種墩高，分別為岸上7.4m和河道里8.9m。橋墩縱橋向呈V字型，兩肢間設(shè)系桿，系桿內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。橫橋向分兩幅，一幅內(nèi)由三個(gè)V型墩組成，橫橋向由橫系梁聯(lián)接。系梁內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，橋墩具體形式見(jiàn)圖2構(gòu)造圖。

(1)主橋橋墩

主橋橋墩采用C40混凝土，橫橋向上寬下窄以曲線過(guò)渡，立面呈花瓶形狀；每幅橋橫橋向共布置3個(gè)橋墩，墩間設(shè)置橫系梁；橋墩橫橋向頂部寬4.6m，底部寬3m。橋墩順橋向呈V型，兩V腿中軸線在墩頂?shù)拈g距為20m，即主橋橋墩兩V腿支撐在20m箱梁下方，墩頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土系桿；兩V腿最薄處厚度1.6m，墩頂系桿高1.0m，墩底寬4m。

(2)引橋橋墩

引橋橋墩采用C40混凝土，橫向橋呈Y型，墩頂設(shè)置普通鋼筋混凝土系桿；每幅橋橫橋向共布置3個(gè)橋墩；橋墩橫橋向頂部寬4.6m，底部寬2.5m；兩Y腿及墩頂系桿厚度均為1.0m。橋墩順橋向?yàn)榈群穸?，厚度?.6m。

(3)橋臺(tái)

橋臺(tái)采用C30混凝土，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋板式橋臺(tái)，單幅橋臺(tái)寬19.99m，兩幅橋臺(tái)中心設(shè)有2cm中縫。臺(tái)前設(shè)置錐形護(hù)坡，坡度為1∶1.5。要求臺(tái)后回填砂礫，壓實(shí)度≥95%。

(4)基礎(chǔ)

全橋承臺(tái)及樁基礎(chǔ)均采用C30混凝土。

主橋橋墩(8#、9#、18#～21#)承臺(tái)高度為3m，平面尺寸為8.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)?；A(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m，每個(gè)承臺(tái)下18根，全橋共216根。

主橋橋墩(10#～17#)承臺(tái)高度為5m，平面尺寸為8.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)。基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m，每個(gè)承臺(tái)下18根，全橋共288根。

引橋橋墩(1#～7#、22#～24#)承臺(tái)高度為2m，平面尺寸為6.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)?；A(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m，每個(gè)承臺(tái)下10根，全橋共160根。

橋臺(tái)(0#、25#)承臺(tái)高度為1.5m，單個(gè)承臺(tái)平面尺寸為5.2m(縱橋向)×2.2m(橫橋向)，單幅橋橫橋向共6個(gè)承臺(tái)，承臺(tái)間設(shè)置系梁?；A(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m，每個(gè)承臺(tái)下2根，全橋共48根。

全橋樁基礎(chǔ)均需預(yù)埋檢測(cè)管，以保證檢測(cè)的有效性。

全橋承臺(tái)底面均設(shè)置厚度為10cm的C15素混凝土墊層，墊層平面尺寸每側(cè)比承臺(tái)大10cm。

3.2 主要結(jié)構(gòu)計(jì)算

V型(順橋向)墩墩頂系桿按部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件及普通鋼筋混凝土構(gòu)件雙控設(shè)計(jì)，V腿及墩底截面按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，其內(nèi)力計(jì)算采用橋梁博士平面桿系有限元程序，并利用MIDAS計(jì)算軟件建立實(shí)體單元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間應(yīng)力分析，根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力，進(jìn)行基礎(chǔ)及承臺(tái)計(jì)算。

3.3 V型墩平面桿系計(jì)算

V型墩計(jì)算荷載采用：

(1)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算恒載反力。

(2)活載：上部結(jié)構(gòu)計(jì)算活載產(chǎn)生的反力、摩阻力、整體升降溫。

經(jīng)過(guò)計(jì)算比較墩身各個(gè)部分計(jì)算均由7.4m墩高V型墩控制。以下計(jì)算只列出7.4m墩高計(jì)算結(jié)果。7.4mV型橋墩分中跨和邊跨兩種情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算比較，邊跨較中跨不利，計(jì)算由邊跨控制。以下計(jì)算結(jié)果均為邊跨計(jì)算結(jié)果。

邊跨分兩種情況計(jì)算，V墩兩支點(diǎn)均為最大荷載效應(yīng)及V墩兩支點(diǎn)最大-最小荷載效應(yīng)，取其兩種情況分別計(jì)算，結(jié)構(gòu)配筋形式依據(jù)最不利荷載效應(yīng)確定。V型墩上下邊緣各配置兩層Ф32@10的鋼筋。系桿上下邊緣各配置兩層Ф32@10的鋼筋，系桿內(nèi)配置7束12Фs15.2鋼絞線。

(1)抗彎計(jì)算

荷載效應(yīng)分為兩種情況進(jìn)行控制。一種是墩身按照普通鋼筋混凝土控制，系桿按照A類預(yù)應(yīng)力混凝土控制；一種是墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 荷載效應(yīng)(系桿按A類預(yù)應(yīng)力混凝土控制)

表2 荷載效應(yīng)(系桿按普通鋼筋混凝土控制)

注：以上結(jié)果墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制

(2)抗剪計(jì)算

橋墩墩身抗剪配置12肢Ф12箍筋，墩身支座懸臂處混凝土抗剪計(jì)算按照混凝土構(gòu)件直接受剪時(shí)計(jì)算。

綜上所述，在墩身按照普通鋼筋混凝土控制，系桿按照A類預(yù)應(yīng)力混凝土控制，以及墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制兩種情況下，承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)及抗剪強(qiáng)度均滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3.4 實(shí)體模型分析

根據(jù)平面模型的計(jì)算結(jié)果，兩種形式的橋墩計(jì)算由7.4m高V型墩邊跨-最大最小組合控制設(shè)計(jì)。

按照7.4mV型橋墩結(jié)構(gòu)尺寸建立實(shí)體模型，見(jiàn)圖4，用MidasFEA軟件進(jìn)行實(shí)體分析。從上部計(jì)算文件提取反力結(jié)果。

實(shí)體模型采用四面體實(shí)體模型，建立了三肢V型橋墩、系桿、橫系梁及承臺(tái)樁基。系桿內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼筋梁?jiǎn)卧M，見(jiàn)圖5，程序自動(dòng)與混凝土實(shí)體單元耦合。鋼束的兩端采用豎彎并錨固于V型墩墩身。約束采用樁底固結(jié)約束。從上部平面橋博計(jì)算文件提取反力，進(jìn)行正常使用狀態(tài)極限組合查看系桿應(yīng)力情況。

由圖6、圖7可知，系桿順橋向正應(yīng)力最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在系桿靠支點(diǎn)處下緣為1.36MPa，最大壓應(yīng)力為3.52MPa。系桿橫橋向正應(yīng)力最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫系梁下緣為0.7MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在支座墊石位置處為1.14MPa。最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。實(shí)體模型分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)體模型分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)平面桿系分析，V型剛構(gòu)橋墩均滿足承載能力及正常使用要求；通過(guò)實(shí)體單元模型進(jìn)行空間應(yīng)力分析可知，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力滿足要求，局部錨固位置出現(xiàn)拉應(yīng)力可采取構(gòu)造措施解決；橋墩基礎(chǔ)及承臺(tái)經(jīng)驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

(2)V型剛構(gòu)橋墩受力復(fù)雜，溫度作用影響結(jié)構(gòu)受力較大，通過(guò)合理配置預(yù)應(yīng)力鋼束、調(diào)整上部結(jié)構(gòu)施工工序等方法，可有效解決受力問(wèn)題。

(3)V型剛構(gòu)橋墩結(jié)構(gòu)輕盈美觀，適合城市及景觀要求較高地區(qū)采用，可結(jié)合橋梁工程所處位置地質(zhì)、地形、墩高及景觀要求等適當(dāng)調(diào)整，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、美觀要求。