V型墩剛構(gòu)橋的空間受力分析與體系比選

杜林清

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前，國內(nèi)常規(guī)的V型墩剛構(gòu)橋多為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1]，采用的體系多為墩臺固結(jié)體系。本工程由于道路接坡及景觀效果等因素需盡量降低梁高，故采用鋼連續(xù)箱梁及鋼V型墩的結(jié)構(gòu)形式。同類型橋梁的先例較少，全鋼結(jié)構(gòu)V型墩剛構(gòu)橋的墩梁固結(jié)區(qū)受力情況、橫向變形協(xié)調(diào)性及墩臺連接體系等均需研究比選后進行合理設(shè)計。

1 工程概況

上海市奉賢區(qū)浦南運河橋跨徑布置為40m+70m+40m，橋?qū)挒?6.5m，雙向4車道，兩側(cè)設(shè)人非通道。主橋采用全鋼結(jié)構(gòu)V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁與V型鋼橋墩固結(jié)。浦南運河主橋立面布置、主墩處橋梁斷面見圖1、圖2。

浦南運河橋鋼主梁跨中梁高1.8m，在主墩處二次拋物線過渡加高至2.3m，主梁采用橫向分離雙箱斷面，橫橋向橋面板及橫肋連續(xù)。V墩采用閉口鋼箱斷面，V墩鋼箱高度1m，寬度7m。該橋梁工程主要有以下特點及問題：

（1）V型墩梁固結(jié)區(qū)采用全鋼結(jié)構(gòu)，且V墩橫向?qū)挾容^寬，縱橫向受力效應(yīng)需同時考慮，空間效應(yīng)較復(fù)雜，是設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注的問題。

（2）橋梁為橫向雙幅布置，僅通過橋面板相連，故需對是否設(shè)置橫梁連接進行研究論證，并比較不同構(gòu)造參數(shù)對結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響。

（3）V型墩與基礎(chǔ)間可采用墩臺固結(jié)或墩臺分離的結(jié)構(gòu)體系，不同體系對主橋基礎(chǔ)體量及整體剛度均有影響，應(yīng)進行比選擇優(yōu)選取。

針對以上問題，本文采用通用有限元程序ANSYS建立空間板殼模型驗算，與桿系模型的計算結(jié)果進行對比，并研究3種橫梁設(shè)置情況（無橫梁、少橫梁、多橫梁）對結(jié)構(gòu)受力特性的影響，最后，對墩臺固結(jié)、墩臺分離2種連接方式進行比選，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。

2 計算模型

為提高計算效率，采用ANSYS程序建立半聯(lián)（邊跨+1/2主跨）空間板殼模型（見圖3），跨中鋼箱梁邊界采用對稱約束；V墩底及邊跨邊支點按實際支座位置建立約束；鋼結(jié)構(gòu)主要板件及縱、橫向加勁肋均采用shell63殼單元進行模擬。

圖3 V型墩剛構(gòu)橋空間板殼模型

采用Midas/Civil程序建立桿系模型，2幅縱梁及V墩均采用梁單元模擬，并建立橫向聯(lián)系梁，在實際支座位置設(shè)置約束。V型墩剛構(gòu)橋桿系模型見圖4。

圖4 V型墩剛構(gòu)橋桿系模型

加載工況：考慮恒載+活載（含汽車、非機動車、人群荷載）工況；空間板殼模型及桿系模型均按實際情況模擬恒載（含一期及二期恒載）；桿系模型中活載采用車道線加載，空間板殼模型中活載為在實際車道位置采用均布荷載加載，考慮最不利車道布置情況。

3 計算分析

根據(jù)空間板殼模型及桿系模型的計算結(jié)果，提取墩梁固結(jié)區(qū)的應(yīng)力計算結(jié)果，空間板殼模型應(yīng)力云圖、桿系模型應(yīng)力計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 空間板殼模型應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖6 桿系模型應(yīng)力計算結(jié)果（單位：kPa）

分別比較墩梁固結(jié)區(qū)各主要板件應(yīng)力計算結(jié)果（見表1），其中空間板殼模型中的平均應(yīng)力表示同一截面處各單元的平均應(yīng)力，桿系模型的應(yīng)力計算結(jié)果中已考慮剪力滯折減效應(yīng)[2]。由表1可見：空間板殼模型中各板件的平均應(yīng)力水平與桿系模型中基本相近；但由于主梁與V墩相接處的部分角點局部應(yīng)力較大，空間板殼模型中的最大應(yīng)力比桿系模型中應(yīng)力高出一定水平。為保證結(jié)構(gòu)安全性，應(yīng)參考空間板殼模型中的計算結(jié)果，并結(jié)合其他荷載工況下應(yīng)力水平后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1 恒載+活載作用下有限元模型與桿系模型應(yīng)力結(jié)果對比 單位：kPa

4 橫梁設(shè)置構(gòu)造參數(shù)比選

因縱梁在橫橋向為雙幅設(shè)置，當(dāng)車道偏載時，橋面橫向會產(chǎn)生如圖7所示的2幅梁間豎向變形不協(xié)調(diào)，對橋梁受力整體性及橋面鋪裝的耐久性有一定影響[3]。

圖7 跨中處縱梁豎向變形（無橫梁）（單位：m）

為改善橋梁橫向變形協(xié)調(diào)性，考慮以下3種橫梁設(shè)置的方案：

（1）無橫梁方案：雙幅主梁間僅通過橋面板及橫肋連接，橋梁橫斷面如圖8（a）所示。

（2）少橫梁方案：雙幅主梁間設(shè)置橫梁，橫梁處斷面如圖8（b）所示，半聯(lián)橋內(nèi)共設(shè)置4道橫梁，主要布置于主跨跨中、中支點及邊支點處。

圖8 橋梁橫斷面（單位：m）

（3）多橫梁方案：雙幅主梁間設(shè)置橫梁，構(gòu)造同少橫梁方案，半聯(lián)橋共設(shè)置9道橫梁，設(shè)置間距約10m。

加載工況考慮2車道偏載，對3種方案的空間板殼模型分別加載，主跨1/2跨中、1/4跨中處同一橋梁斷面的豎向變形結(jié)果見圖9、圖10，圖中未示外側(cè)挑臂部分的變形。

圖9 主跨近1/2跨中處縱梁豎向變形結(jié)果對比

圖10 主跨1/4跨中處縱梁豎向變形結(jié)果對比

由圖9、圖10可見，設(shè)置橫梁對雙幅間箱梁豎向錯動變形有一定改善。在1/2跨中處，少橫梁方案比無橫梁方案可減小變形約1～2mm，在1/4跨中處可減小變形約0.5mm，多橫梁方案可繼續(xù)減小豎向變形不一致的幅度，但總體影響效果有限。綜合考慮經(jīng)濟性、施工便捷性及橋下景觀等影響，選用少橫梁布置方案。

5 墩臺連接體系比選

對V墩與基礎(chǔ)的連接體系比選以下2種方案（見圖11）：

圖11 2種墩臺連接體系

（1）墩臺固結(jié)體系。鋼結(jié)構(gòu)V墩與混凝土承臺設(shè)置剪力鍵連接，固結(jié)為整體。

（2）墩臺分離體系。V墩下設(shè)置支座，與承臺分離，縱、橫橋向均可活動。

對2種墩臺連接體系分別進行計算，從桿系計算模型中提取各荷載工況下的支反力，計算V墩承臺頂?shù)暮奢d組合（其中剪力及彎矩均為順橋向計算結(jié)果）；采用m法計算單樁內(nèi)力，對樁基布置數(shù)量、直徑、主筋配置等進行設(shè)計，并對比活載下跨中撓度，計算結(jié)果見表2。

表2 2種墩臺連接方式下反力及基礎(chǔ)計算結(jié)果

由表2可見，墩臺固結(jié)體系下主橋剛度較大，但在活載、溫度作用下，主墩基礎(chǔ)需承受的水平荷載及彎矩均較大，樁基礎(chǔ)設(shè)計的體量較大；在墩臺分離體系中，主墩下設(shè)置支座釋放了水平力，樁基設(shè)置合理，經(jīng)濟性較佳，且主橋剛度滿足要求。

在耐久性方面，墩臺固結(jié)體系中的鋼混結(jié)合部位于承臺內(nèi)，需進行特殊防腐處理，且需提高配筋率來控制裂縫寬度；墩臺分離體系中墩底支座需埋入地下，可設(shè)置支座保護罩進行密封處理，并需為遠(yuǎn)期更換支座預(yù)留條件，耐久性也可達到較好程度。

綜合考慮經(jīng)濟性、耐久性、受力合理性等因素，優(yōu)先推薦采用墩臺分離體系。對于本工程，每幅V墩下設(shè)置雙支座，墩底橫梁部分傳力路徑明確清晰，應(yīng)力水平適中，構(gòu)造設(shè)計較為合理。

6 結(jié) 語

（1）采用桿系梁格模型進行整體受力框算，跨中、邊支點等主要控制斷面分析精度能滿足設(shè)計要求。但對于墩梁固結(jié)區(qū)等特殊復(fù)雜節(jié)點進行空間實體有限元分析是必要的，需結(jié)合板殼模型的計算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)安全性。

（2）雙幅主梁間設(shè)置橫梁對結(jié)構(gòu)整體受力性能有一定提高，對縱梁豎向變形不一致效應(yīng)有所改善，且考慮鋼橋面使用的耐久性等問題，建議設(shè)置橫梁。多橫梁方案與少橫梁方案相比，效果相近，綜合經(jīng)濟性、景觀性等因素，可采用少橫梁方案。

（3）墩臺固結(jié)體系主橋剛度大，但在活載及溫度工況下主墩需承受較大水平荷載及彎矩，基礎(chǔ)設(shè)計體量較大；而墩臺分離體系可釋放水平力，減小基礎(chǔ)工程量，并且不會過多降低主橋剛度，采用埋入式支座密封保護罩可保證支座耐久性，故綜合考慮推薦采用墩臺分離體系。