V 型鋼混結(jié)合橋墩的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

薛弘毅

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司交通分院，江蘇 南京210096）

1 橋梁概況與V 型鋼混結(jié)合橋墩

橋墩是橋的主要支撐物，承擔(dān)著將橋上部構(gòu)造的自重和外荷的負(fù)荷傳遞到承銷(xiāo)臺(tái)的基礎(chǔ)上的作用。在不同的橋梁下部結(jié)構(gòu)形式中，V 形墩造形輕巧優(yōu)美, 墩頂與上部構(gòu)造可采用固結(jié),成為斜腿剛構(gòu)；在地震的作用下，鋼筋混凝土的橋墩容易發(fā)生橋墩的傾斜和裂縫，甚至倒塌。因此，采用延展性更好的鋼混組合斷面的橋墩，可以提高抗震性能。

本橋?yàn)殄\江橋的西側(cè)連接匝道橋，位于成都市繞城高速南側(cè)。本橋采用v 型鋼管混凝土橋墩，混凝土承臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本西側(cè)匝道橋分為2 聯(lián)，橋梁總長(zhǎng)178.5m，跨徑布置為(3.5+3×25)m+(3×24)m。橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置如圖1 所示，總寬11.5m，橫向布置為0.75m(風(fēng)嘴)+0.4m(欄桿)+5m(人行道) +5m(人行道)+0.4m(欄桿)+0.75m(風(fēng)嘴)。

圖1 橋梁建成圖與橋梁典型橫斷面

2 初定V 型鋼混結(jié)合橋墩尺寸與計(jì)算分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載

圖2 上部結(jié)構(gòu)支座反力標(biāo)準(zhǔn)組合值圖

上部結(jié)構(gòu)的支座反力計(jì)算結(jié)果如圖2 所示，可見(jiàn)W5#號(hào)墩的支座反力最大，取其為最不利的下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模計(jì)算分析。同時(shí)可知恒載是最主要的荷載作用，其對(duì)支座反力的影響最大，其次是活載(行人荷載)；同時(shí)梯度溫度對(duì)支座反力的影響也比較大；支座沉降與整體溫度對(duì)支座反力的影響較小。

2.2 初定V 型橋墩尺寸

主橋(錦江橋)均采用V 形橋墩，墩頂尺寸為往下2m 截面直徑為0.9m，往上為以5%的斜率漸變。橋墩兩v 腿斜向收攏錨固于承臺(tái)，柱腳埋入承臺(tái)1.5m。承臺(tái)上方柱腳為跑道型混凝土墩底。承臺(tái)尺寸為5.2m×2.5m×2.5m；承臺(tái)下為2 根直徑1.5m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)。本橋(西側(cè)連接匝道橋)橋墩尺寸參照主橋尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

本橋初定墩柱尺寸如下：W5#墩墩高為5.22m，支座間距為4m；墩柱截面為圓鋼管，直徑為800mm，采用25mm 鋼板。系梁為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用25mm 鋼板。隔板與加勁板均采用25mm 鋼板，與墩柱外鋼板焊接連接。封板采用30mm 鋼板。在鋼柱與混凝土承臺(tái)連接處，墩柱底部采用直徑22mm 長(zhǎng)度150mm 的圓頭焊釘，同時(shí)墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨脹混凝土。

2.3 初定橋墩的計(jì)算分析結(jié)果

由于支座中心與樁基中心基本重合，臺(tái)后填土高度較小，因此，橋臺(tái)僅需驗(yàn)算樁基承載力（見(jiàn)樁基驗(yàn)算）即可。選取西側(cè)連接匝道橋的W5#橋墩進(jìn)行驗(yàn)算。

圖3 初定的V 型橋墩形式與應(yīng)力云圖

承載能力極限狀態(tài)下墩柱彎矩包絡(luò)圖、墩柱應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3 所示?？芍?，承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算得到墩柱最大應(yīng)力值為54.4MPa，遠(yuǎn)小于Q345B 應(yīng)力設(shè)計(jì)值270MPa，墩柱鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，應(yīng)力富余較大，有結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的空間。由于本橋?yàn)檫B接匝道橋，與主橋相比其所受荷載較小，可以采用較小的尺寸節(jié)約材料用量，提高環(huán)保經(jīng)濟(jì)性能。

3 V 型鋼混結(jié)合橋墩尺寸優(yōu)化與計(jì)算分析

在Midas Civil 模型中橋墩、墩頂系梁、承臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M。橋墩與系梁的連接采用剛接約束，橋墩與承臺(tái)采用剛接約束。

3.1 V 型橋墩尺寸優(yōu)化

本橋?yàn)殄\江橋的西側(cè)連接匝道橋，與主橋相比其所受荷載較小，可以采用較小的尺寸節(jié)約材料用量，提高環(huán)保經(jīng)濟(jì)性能。

圖4 優(yōu)化后的V 型橋墩設(shè)計(jì)尺寸圖

優(yōu)化后墩柱尺寸如下：W5#墩的墩柱高為5.22m，支座間距為4m；墩柱截面采用圓鋼管，直徑為800mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。系梁為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。隔板與加勁板均采用25mm 鋼板，與墩柱外鋼板焊接連接。封板采用30mm 鋼板。在鋼柱與混凝土承臺(tái)連接處，墩柱底部采用直徑22mm 長(zhǎng)度150mm 的圓頭焊釘，同時(shí)墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨脹混凝土。

圖5 優(yōu)化后的V 型橋墩形式與應(yīng)力云圖

3.2 優(yōu)化后橋墩的計(jì)算分析結(jié)果

承載能力極限狀態(tài)下的墩柱彎矩包絡(luò)圖、墩柱應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5 所示。可知，優(yōu)化后承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算得到墩柱最大應(yīng)力位置在墩柱底部，其值為92.9MPa，小于Q345B 應(yīng)力設(shè)計(jì)值270MPa，墩柱鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

柱腳焊釘優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)算:柱腳采用焊釘連接件，考慮彎矩全部由焊釘傳遞

!"#$ % &’()* & # +

優(yōu)化結(jié)果如下：墩柱與系梁原來(lái)采用25mm 厚的鋼板，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后變?yōu)?0mm 厚鋼板，W5#墩的鋼材用量原為15300kg，現(xiàn)變?yōu)?3030kg，鋼材用量減少了2270kg；焊釘數(shù)目由初定40 個(gè)經(jīng)優(yōu)化后減少到30 個(gè)，圓頭焊釘數(shù)量減少了10 個(gè)。西側(cè)匝道橋全橋共有7 個(gè)鋼混結(jié)合V 型橋墩，全橋用鋼量共減少14300kg。同時(shí)直徑22 圓頭焊釘數(shù)量減少70 個(gè)。

4 結(jié)論

橋墩是橋的主要支撐結(jié)構(gòu)，在不同的橋梁下部結(jié)構(gòu)形式中，V 形墩造形輕巧優(yōu)美，與上部魚(yú)腹式鋼箱梁外形相得益彰，契合大眾審美需求；墩頂與上部構(gòu)造可采用固結(jié), 成為斜腿剛構(gòu)；其斜腿鋼構(gòu)造型可減少上部結(jié)構(gòu)跨徑, 并可減小橋墩重量。采用鋼混組合橋墩可減輕地震作用下橋的損傷程度，并增加結(jié)構(gòu)的延性，提高橋梁抗震性能。

本文首先建立上部模型，提取支座反力，確定受力最不利的墩柱為W5#墩。之后建立W5#墩的實(shí)體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。得到結(jié)果初定墩柱尺寸較大，用鋼量較大，承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算得到墩柱最大應(yīng)力值為54.4MPa，遠(yuǎn)小于Q345B 應(yīng)力設(shè)計(jì)值270MPa，墩柱鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求，但應(yīng)力富余較大；有結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的空間，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

優(yōu)化后的墩柱截面采用圓鋼管，直徑為800mm，采用20mm鋼板 (原為25mm 鋼板)；系梁截面為方鋼管，尺寸為3200*700mm，采用20mm 鋼板(原為25mm 鋼板)。之后對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算?？芍?，優(yōu)化后承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算得到墩柱最大應(yīng)力位置在墩柱底部，其值為92.9MPa，小于Q345B 應(yīng)力設(shè)計(jì)值270MPa，墩柱鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

優(yōu)化結(jié)果如下：墩柱與系梁原來(lái)采用25mm 厚的鋼板，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后變?yōu)?0mm 厚鋼板，W5#墩的鋼材用量原為15300kg，現(xiàn)變?yōu)?3030kg，鋼材用量減少了2270kg；焊釘數(shù)目由初定40 個(gè)經(jīng)優(yōu)化后減少到30 個(gè)，圓頭焊釘數(shù)量減少了10 個(gè)。西側(cè)匝道橋全橋共有7 個(gè)鋼混結(jié)合V 型橋墩，全橋用鋼量共減少14300kg。同時(shí)直徑22 圓頭焊釘數(shù)量減少70 個(gè)。

優(yōu)化后的橋墩更加輕巧美觀(guān)，并節(jié)約了材料，符合保護(hù)環(huán)境的要求。本文對(duì)實(shí)際工程的橋墩設(shè)計(jì)有一定參考意義，對(duì)連接匝道的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。