多跨拱形V 墩剛構(gòu)橋梁設(shè)計及影響因素分析

■郭 威

（1.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

拱橋由于其優(yōu)美的造型， 經(jīng)典的中式風(fēng)格，在城區(qū)等對景觀要求較高的項(xiàng)目中，往往受到建設(shè)者的青睞。 然而，由于傳統(tǒng)的圬工拱橋、雙曲形或“Π”形拱橋等結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求高， 施工工藝繁瑣，不能滿足日益加快的現(xiàn)代橋梁建設(shè)需要。 為此，本文對大夾角V 形剛構(gòu)橋梁的受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對其設(shè)計影響因素進(jìn)行了研究，以期使結(jié)構(gòu)兼顧良好景觀效果與合理的受力特性。

1 受力特性分析

V 形剛構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)， 在外力作用下，內(nèi)力變化復(fù)雜。 隨著V 形夾角的增大，橋墩縱向剛度增大，在混凝土收縮徐變、溫度變化等作用下，斜腿與主梁、承臺兩個連接面的應(yīng)力也隨之增大[1]。 為解決以上問題，本文嘗試了以下措施改善結(jié)構(gòu)受力情況：（1）采用先分段懸臂澆筑，再合龍成形的施工步驟，使得成橋后結(jié)構(gòu)在自重作用下的受力特性與施工階段基本一致。 （2）使用預(yù)應(yīng)力鋼束改善構(gòu)件的工作狀態(tài)。 （3）在合龍前施加外力作用儲備于結(jié)構(gòu)內(nèi)，抵消混凝土收縮徐變的作用。 （4）采用高樁承臺基礎(chǔ)， 結(jié)構(gòu)計算設(shè)置土彈簧邊界模擬樁土效應(yīng)，充分利用樁基柔度。

2 工程概況

泉州大橋于1984 年建成通車，孔徑布置為（5×30+5×50+12×30）m（拱橋跨徑不含橋墩寬度），橋?qū)?2 m，雙向2 車道。 大橋上部采用空腹式等截面懸鏈線型拱結(jié)構(gòu)， 矢跨比1/6。 主拱圈由九片預(yù)制的“Π”形拱組成，拱上立鋼筋混凝土柱，上架蓋梁，再安裝混凝土空心板。 人行道由外挑鋼筋混凝土蓋梁及拖梁和“Π”形板組成，均為預(yù)制安裝。 大橋位于324 國道上，是324 國道跨越晉江的重要橋梁。經(jīng)過近40 年的發(fā)展， 原橋通行能力已嚴(yán)重滯后于現(xiàn)有交通需求，亟需擴(kuò)建改造。 根據(jù)交通量測算，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃，擴(kuò)建新橋?qū)挾葹?6 m，橫斷面布置如圖1 所示。

圖1 泉州大橋擴(kuò)建工程標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

為使新橋景觀效果最大程度同原橋協(xié)調(diào)一致，建設(shè)單位要求提供仿照原橋的拱形主橋設(shè)計方案?？睖y結(jié)果顯示，橋位處水深約4 m。河床內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)變化較大，但分布較為均勻，自上而下大致為：5 m 厚淤泥層，4 m 厚粉質(zhì)粘土，6 m 厚卵石層，1.5 m 厚砂土狀強(qiáng)分化花崗巖，2 m 厚碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，基巖為微風(fēng)化花崗巖。 原泉州大橋泉州岸臺、5# 推力墩及廈門橋臺均為沉井基礎(chǔ)，橫向單側(cè)寬度比現(xiàn)有橋面寬出1.75 m。 若在原橋旁邊建設(shè)同跨徑式拱橋，須在同樣位置設(shè)置推力墩。 由于新橋基礎(chǔ)位置已被原橋基礎(chǔ)侵占，因此只能采用水平推力樁基礎(chǔ)方案，如圖2 所示。 該方案施工難度較大，施工質(zhì)量難以保證，施工費(fèi)用高。 因此泉州大橋的擴(kuò)寬改建工程不宜采用同原橋相同的上承式拱橋方案。

圖2 水平推力墩示意圖

綜合考慮工程的整體美觀性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性，本項(xiàng)目為主橋設(shè)計了變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)V 型剛構(gòu)橋型方案（圖3）。

圖3 連續(xù)V 型剛構(gòu)橋型布置圖

剛構(gòu)段上部結(jié)構(gòu)采用變截面雙箱斜腹板箱梁，中間設(shè)50 cm 寬現(xiàn)澆連接段。單箱梁頂面寬13 m，箱底寬6.488～7.16 m。 箱梁控制斷面梁高為：墩頂直線段及主跨跨中處為1.7 m， 主梁與V 墩交接點(diǎn)處2.352 m，箱梁底緣與舊橋同高度按懸鏈線變化。箱梁頂板厚度為26 cm，底板厚從跨中至交接部由26 cm變化為120 cm， 腹板厚度從跨中處50 cm 漸變至交接處75 cm。 主橋箱梁采用C50 混凝土（圖4～5)。

圖4 1/2 中跨墩頂及跨中截面

圖5 1/2 主梁與斜腿交界面

V 墩與交界面處主梁下緣同寬，線形按舊橋拱圈擬合，等截面高1.2 m。V 墩采用C50 混凝土。V 墩底部與梯形承臺連接， 承臺下設(shè)直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 承臺與樁基采用C30 混凝土。

為改善橋梁構(gòu)件的工作狀態(tài)，使得正常使用狀態(tài)下， 各構(gòu)件正截面邊緣拉應(yīng)力不超過規(guī)定限值，本方案按照A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的要求設(shè)計預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式。 鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線， 共采用了5ΦS15、12ΦS15、15ΦS15、19ΦS15 四種類型， 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖6 所示。

圖6 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖

3 荷載作用

施工階段荷載作用形式：（1）齒板及橫隔板：重量以集中荷載形式施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；端橫梁：重量以均布荷載形式作用在相應(yīng)單元上。 （2）二期恒載：橋面鋪裝為防水砼8 cm （25 kN/m3）； 瀝青砼10 cm（23 kN/m3）；防撞欄7.5 kN/m，兩側(cè)共15 kN/m。（3）掛籃及合攏吊架： 計算中將掛籃和模板重量取60 t；中、邊跨合攏吊架、模板重24 t，兩側(cè)各施加12 t，作用在懸臂端部；中、邊跨合攏時平衡壓重采用與合攏段箱梁等重量的垂直荷載，作用在懸臂端部。

運(yùn)營階段荷載作用形式[2]：（1）汽車活載：公路-I級（城-A 級）。 （2）溫度作用：結(jié)構(gòu)所有單元均計入均勻溫差作用，但僅上部結(jié)構(gòu)（箱梁）計入梯度溫差作用，結(jié)構(gòu)其余部分不計梯度溫差作用。 均勻溫差：升溫溫差取25℃，降溫溫差取－20℃。 梯度溫差：正溫差工況，箱頂取T=14℃，離箱頂10 cm 取T=5.5℃，離箱頂40 cm 取T=0℃； 反溫差取值為正溫差的一半。 （3）人群荷載3.5 kN/m2。 （4）墩臺不均勻沉降值取5 mm。

4 計算模型

4.1 模型簡介

本橋采用MIDAS 程序計算，全橋共劃分380 個單元、11 個施工階段。 剛構(gòu)墩樁基礎(chǔ)按彈性地基梁法考慮樁土效應(yīng)，不同深度土彈簧剛度按m 法計算。

結(jié)構(gòu)計算模型如圖7 所示。

圖7 計算模型

4.2 施工過程模擬

主橋施工步驟為： 樁基承臺施工-澆筑剛構(gòu)段拱形V 墩、墩頂直線段箱梁、連續(xù)梁段橋墩及0 號塊-張拉V 墩上主梁及V 墩預(yù)應(yīng)力-施工懸澆段主梁-邊跨合龍，3 孔剛構(gòu)中跨施加預(yù)推力（橫向67 t， 豎向52 t 僅施加在兩個次邊墩內(nèi)側(cè)懸臂端）后合龍-次邊跨合龍-施工橋面鋪裝等二期恒載。

4.3 計算結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖8～10 所示： 在正常使用極限狀態(tài)下，正截面最大應(yīng)力、斜截面最大主拉應(yīng)力均滿足規(guī)范關(guān)于A 類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求；承載能力極限狀態(tài)下，荷載作用值小于截面抗力值[3]。

圖8 持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面最大應(yīng)力圖

圖9 持久狀況正常使用極限狀態(tài)最大主拉應(yīng)力圖

圖10 承載能力極限狀態(tài)彎矩及截面抗力包絡(luò)圖

5 樁基形式及剛度影響分析

在超靜定結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的剛度對荷載作用下的內(nèi)力分部有直接影響。 在本項(xiàng)目中，由溫度變化引起的結(jié)構(gòu)縮脹， 進(jìn)而產(chǎn)生的樁基應(yīng)力變化是否合理，是決定方案可行性的關(guān)鍵因素。 為選擇最優(yōu)樁基形式，本項(xiàng)目對直徑1.3、1.5、1.8 m 的單排樁和直徑1.3、1.5 m 的雙排樁共五種形式的樁基溫度內(nèi)力進(jìn)行了試算，結(jié)果如表1 所示。

表1 樁基溫度作用計算結(jié)果

由對比計算結(jié)果可知， 單排樁基的溫度作用內(nèi)力、應(yīng)力均優(yōu)于雙排樁基。 這是由于雙排樁頂部彎曲變形幾乎被固結(jié)導(dǎo)致的。 而單排形式樁基礎(chǔ)，隨著直徑的增大，樁頂溫度作用減小，樁底溫度作用增大。結(jié)構(gòu)變形圖也顯示： 雙排樁基反彎點(diǎn)高于同直徑的單排樁基；單排樁基隨直徑增大反彎點(diǎn)下移。 綜合對比以上試算結(jié)果， 本文采用單排1.8 m 的樁基方案，每排按3 根樁基布置。

6 結(jié)論與展望

通過對多跨拱形V 墩剛構(gòu)橋梁進(jìn)行設(shè)計分析，得出以下結(jié)論：（1）對于高次超靜定結(jié)構(gòu)，施工步驟對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有直接影響。 通過分段施工，體系轉(zhuǎn)換，可以使結(jié)構(gòu)在成橋階段的恒載作用與施工階段相近，從而對結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力進(jìn)行控制。 本方案采用懸臂澆筑，先合龍邊孔與中間三孔，最后合龍次邊孔的施工步驟，使得成橋前結(jié)構(gòu)在自重下的變形基本完成，減小了成橋次內(nèi)力。 （2）采用彈性地基梁模擬樁土效應(yīng)，積極利用有利地質(zhì)條件，充分考慮樁基變形空間，是本方案可行的關(guān)鍵因素。 且僅靠縮小樁徑增加柔度， 不能完全改善樁基內(nèi)力狀態(tài)，而應(yīng)該選擇剛度適中，樁基上下部內(nèi)力分布均勻的直徑。 而高樁承臺的采用，避免了薄壁墩水中施工需鋼圍堰等輔助措施， 提高了方案合理性、 經(jīng)濟(jì)性。（3）中跨合龍前，在次邊墩內(nèi)側(cè)懸臂端的預(yù)加外力，作為成橋階段的抵抗力矩儲存于樁基內(nèi)，有效改善了次邊墩樁基的內(nèi)力情況。 （4）V 型剛構(gòu)避免了傳統(tǒng)拱上建筑連接節(jié)點(diǎn)多，支座、伸縮縫需更換等缺點(diǎn)，在提升行車舒適性的同時降低了橋梁運(yùn)營維護(hù)成本。

此外，本項(xiàng)目由于邊墩河床巖層較高，樁基變形空間不足，邊墩未能采用V 形剛構(gòu)。 若引入柔性護(hù)壁釋放樁周約束，或可解決樁基變形問題，使得新橋外形與原橋更加統(tǒng)一。 而懸澆節(jié)段若采用工廠預(yù)制養(yǎng)生，后吊裝拼接的施工方法，可減少混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。 隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，橋梁項(xiàng)目對設(shè)計的要求不僅滿足于經(jīng)濟(jì)適用上，對美學(xué)要求也在增加， 本文討論的設(shè)計思路與方法，可為類似的拱形橋梁設(shè)計提供參考。