童遠飛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

跨度(55+88+55)m V形連續(xù)剛構(gòu)橋基礎(chǔ)剛度對整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響

童遠飛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋由于其優(yōu)美的造型及較好的受力特點，在城市橋梁中得到越來越廣泛的應(yīng)用。結(jié)合西安地鐵3號線(55+88+55)m V形連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計實例，闡述該V形連續(xù)剛構(gòu)橋主墩基礎(chǔ)剛度的模擬方法及基礎(chǔ)剛度對連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力的影響。特別是在矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計中，通過合理地考慮基礎(chǔ)剛度對總體剛度的影響將會直接關(guān)系到基礎(chǔ)設(shè)計的經(jīng)濟性。

地鐵;高架橋;V形連續(xù)剛構(gòu)橋;矮墩;基礎(chǔ)剛度

隨著近年來城市建設(shè)的日新月異，在此建設(shè)過程中，對橋梁的景觀設(shè)計提出了越來越高的要求。而城市橋梁的特點是橋梁高度不高，在對跨越能力有一定要求的地方，由于梁跨的加大，也使得梁高較高。而V形連續(xù)剛構(gòu)橋通過把豎直橋墩變?yōu)榉植鎯A斜的橋墩而達到減小了跨徑，降低了梁的結(jié)構(gòu)高度的目的。使得大跨度梁橋在橋梁高度不高的情況下達到更好的景觀效果。其主要優(yōu)點:(1)梁的上部受力更加合理;(2)梁的整體剛度大幅提高;(3)橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸明顯減小;(4)V形剛構(gòu)橋造型比較美觀。主要缺點:(1)墩梁結(jié)合處及V形支撐結(jié)合處受力及構(gòu)造較為復(fù)雜;(2)梁的整體剛度過大時會對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利的影響;(3)V形橋墩施工比較復(fù)雜。

本文主要結(jié)合(55+88+55)m預(yù)應(yīng)力混凝土V形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的工程實例，介紹其總體設(shè)計并分析基礎(chǔ)剛度的模擬方法及其對內(nèi)力的影響。

1 工程概況

本工程位于西安地鐵3號線一期工程高架區(qū)間廣浐區(qū)間內(nèi)，為跨浐河而設(shè)，其標準跨徑為(55+88+55)m，上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主墩下部結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土V形橋墩。V形墩倒三角區(qū)按滿堂支架法施工，主梁按懸臂灌注法施工。總體布置如圖1所示。主要技術(shù)指標如下所述。

(1)主體結(jié)構(gòu)使用年限:100年;

(2)設(shè)計洪水頻率:百年一遇;

(3)設(shè)計行車速度:80 km/h;

(4)線路情況:雙線、直線、線路間距4.2 m。線路縱坡8.624‰ ;

(5)車輛型號:B型車，4動2拖6輛車編組;

(6)環(huán)境類別及作用等級:一般大氣條件下無防護措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用環(huán)境為T2。

圖1 主橋立面(單位:cm)

2 自然條件

(1)氣象

橋址處氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L氣候。表現(xiàn)為春暖干旱，夏熱多雨，秋涼濕潤，冬寒少雨雪。最熱月平均氣溫為29.8℃，最熱月平均氣溫為-4.2℃。年平均相對濕度為70%。

(2)河流水文

本橋跨越過浐河，河床寬度約80.0 m，浐河為季節(jié)性河流，其中7～10月份河水流量較大，其余月份水量偏少或局部斷流，勘察期間未蓄水，河床基本無水。該段下游距離線路約355 m為橡膠壩，已攔壩，距下游新房橋約415 m，河岸均采用砌石護坡處理，正常期蓄水作景觀湖。本橋線位與既有廣安路浐河河大橋并行，走行于第一、第二幅橋之間。橫跨河，大橋軸線與河道主流夾角約60℃。大橋按100年一遇洪水。

(3)地形地貌

本橋所在區(qū)間地面高程384.85～406.11 m，全段整體東高西低。

(4)場地地層巖層特性

根據(jù)鉆探揭露，擬建場地地基土的組成自上而下為:人工填土;第四系全新統(tǒng)沖積黃土狀土、砂類土及碎石類土;第四系上更新統(tǒng)及中更新世沖積粉質(zhì)黏土及砂類土、碎石類土等。

(5)特殊巖石及不良地質(zhì)

該區(qū)間無地裂縫通過;此外區(qū)間勘察中未見地層異常，特別是標志層異常，亦表明該區(qū)間內(nèi)無地裂縫通過。場地分布的飽和砂類土均不地震液化。周邊地面沉降已趨于穩(wěn)定。場地地下水屬潛水類型，2010年11月工程勘察鉆孔內(nèi)量測的穩(wěn)定水位埋深0.00～21.00 m，相應(yīng)高程380.53～386.50 m，水位西高東低，在浐河河床段出露與河水相匯?？辈炱趯俳咚黄冢瑩?jù)西安市多年水位觀測資料，擬建場地低水位期為7～9月，高水位期為12月至翌年3月。水位年變幅2 m左右。該場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具化學侵蝕性，侵蝕類型為硫酸鹽侵蝕，環(huán)境作用等級為H1。場地土對混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性。

3 主橋結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

3.1 箱梁構(gòu)造

主橋孔跨布置為1聯(lián)(55+88+55)m預(yù)應(yīng)力混凝土V形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋。梁體采用懸臂平衡澆筑法施工。梁體截面形式:梁部采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高度、單箱單室箱形梁。V形支撐斜腿與主梁固結(jié)處梁高為4.5 m，V形支撐上部托頂梁跨中梁高為4.0 m;每跨2 m合龍段及邊跨端部14.9 m長現(xiàn)澆段梁高為2.4 m。梁頂平坡;梁體變高段曲線線形為二次拋物線。箱梁頂板寬10.0 m，底寬4.7 m。頂板厚度全梁統(tǒng)一為30 cm。腹板厚度由70 cm變?yōu)?0 cm;托頂梁腹板厚度為70 cm。底板厚度由100 cm(主墩支承處)向外側(cè)漸變?yōu)?5 cm(跨中合龍?zhí)?，托頂梁底板厚度為100 cm。板厚均在箱梁內(nèi)側(cè)變化。

3.2 主橋橋墩設(shè)計

(1)V形主墩設(shè)計

V形支撐(以下簡稱V撐)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，撐體采用C50混凝土。V撐兩斜肢與豎直線的夾角分別為30°和30.25°。斜肢橫向?qū)挾扰c主橋箱梁相同，撐體厚度為1.5 m，采用矩形實體截面。撐體與墩橫橋向尺寸為470 cm，與梁底同寬。撐體以圓弧與主梁梁底和墩身順接。墩身處設(shè)有橫向預(yù)應(yīng)力筋，橫向預(yù)應(yīng)力筋采用φ32 mm精軋螺紋預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，JLM-32錨具錨固。

V撐單側(cè)撐體內(nèi)設(shè)有3榀型鋼骨架，型鋼骨架僅作為施工立模使用，不作為施工中混凝土及其他附屬設(shè)備的承載體。骨架弦桿采用槽鋼，腹桿采用角鋼，每兩榀骨架間均設(shè)有聯(lián)結(jié)系，以保持其整體穩(wěn)定。

(2)邊墩設(shè)計

18、21號墩均采用獨柱橋墩，墩頂設(shè)置帽梁。18號墩墩高約為18 m，墩身截面尺寸由上部的220 cm(順橋向)×250 cm(橫橋向)過渡到 270 cm(順橋向)×250 cm(橫橋向)。21號墩墩高約為10.5 m，墩身截面尺寸為220 cm(順橋向)×250 cm(橫橋向)。

3.3 主橋基礎(chǔ)設(shè)計

橋墩基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，所有樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計。主墩基礎(chǔ)采用6根φ180 cm鉆孔灌注樁，矩形承臺厚4.0 m，承臺平面尺寸為13.0 m×8.4 m。18號墩基礎(chǔ)采用5根 φ150 cm鉆孔灌注樁，矩形承臺厚3.0 m，承臺平面尺寸為8.3 m×8.3 m。21號墩基礎(chǔ)采用5根φ100 cm鉆孔灌注樁，矩形承臺厚2.5 m，承臺平面尺寸為7.0 m×7.0 m。

4 基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)受力分析

本橋主墩高度從梁頂?shù)匠信_頂約為25 m。合龍順序采用先邊跨后中跨，為了改善基礎(chǔ)受力，在中跨合龍時施加了4 000 kN頂推力。本橋?qū)儆诎誚形墩連續(xù)剛構(gòu)的范疇。

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋其V撐墩的設(shè)計構(gòu)造加大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，特別是在V形墩整體墩身高度相對較矮時，其剛度問題更加突出。對于矮墩V形連續(xù)剛構(gòu)橋，其墩部剛度較大，與雙肢薄壁墩相比，其抗推與抗彎剛度之比更大，對抗推剛度與抗彎剛度的設(shè)計需求矛盾突出，進而使得其在上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向變形時(收縮徐變、溫度升降產(chǎn)生的變形)，墩身承受很大的剪力和彎矩，對下部基礎(chǔ)設(shè)計產(chǎn)生很不利的影響。為改善上述(收縮徐變、溫度下降產(chǎn)生的變形)因素產(chǎn)生的不利影響，可在跨中合龍前施加預(yù)頂力予以改善。但對于矮墩V形連續(xù)剛構(gòu)橋而言，若不考慮基礎(chǔ)剛度對整體受力的影響，一方面結(jié)構(gòu)整體剛度與實際情況出入較大，另外將增加下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，使得下部設(shè)計投入過大而產(chǎn)生不必要的浪費。

為了著重研究基礎(chǔ)剛度對整體受力特別是基礎(chǔ)受力的影響，現(xiàn)按照兩種情況進行分析如下。

(1)不考慮基礎(chǔ)剛度的影響，橋墩承臺以下考慮固結(jié)，稱為“直接固結(jié)”。

(2)考慮基礎(chǔ)剛度的影響，將基礎(chǔ)剛度等代為Π形剛架，以模擬基礎(chǔ)剛度的貢獻;稱為“Π形等代剛架”。

現(xiàn)按照上述兩種情況，采用上海同豪土木公司開發(fā)的橋梁博士進行模擬計算。

4.1 “Π形等代剛架”

按等剛度的原則，將承臺以下群樁模擬成2根短柱，柱底固接，柱頂與承臺相接成一個Π形結(jié)構(gòu)，使得群樁和模擬的2根短柱在單位水平位移、單位豎向位移和單位轉(zhuǎn)角位移時所需施加的外力相等，由此來解決基礎(chǔ)剛度對整體剛度的貢獻問題。其等代模型如圖2所示。

圖2 群樁等代計算模型

現(xiàn)設(shè)承臺底中心點 O在外荷載M、N、Q作用下，產(chǎn)生水平位移、豎向位移及轉(zhuǎn)角位移，水平方向用下角標1表示、豎直方向用下角標2表示、轉(zhuǎn)角方向用下角標3表示。

按照等代原則可以推導(dǎo)出產(chǎn)生單位位移所需施加的外力如下

式中，Q11、M31為等代∏形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位水平位移所需的水平力與彎矩;N22為等代∏形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位豎向位移所需的軸向力;M33為等代∏形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角位移所需的彎矩。

由上4式并結(jié)合“力的互等定理”得出

以上 4式中 Q11、M31、N22、M33的意義與前 4式相同，但其為實際結(jié)構(gòu)下的相應(yīng)外力值，L為等代短柱的長度，B為等代短柱間的水平距離，A與I分別為等代短柱的面積與慣性矩。其他計算參數(shù)可以由《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》計算得出。

本設(shè)計的主墩基礎(chǔ)，其在樁基剛度影響較大的長度范圍內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土，現(xiàn)將其水平向地基系數(shù)的比例系數(shù)m按9 000 kN/m4取值(實際設(shè)計時按情況進行調(diào)整以保證結(jié)構(gòu)的安全性，本文以此值說明剛度的取值對結(jié)構(gòu)的影響)，加上考慮土層對承臺抗力的影響計算出:B=8.3 m、L=6.9 m，A=0.989 m2、I=0.65 m4。

4.2 基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)受力分析

按照以往經(jīng)驗及相關(guān)文獻，基礎(chǔ)剛度對于上部梁的結(jié)構(gòu)受力相對較小，但對下部影響較大，現(xiàn)將墩底截面在“直接固結(jié)”與“Π形等代剛架”兩種類別下的計算結(jié)果匯總見表1～表3。

表1 墩底截面單項力內(nèi)力匯總(僅列出影響較大的單項內(nèi)力)

表2 主力—墩底截面內(nèi)力匯總

表3 主力+附加力—墩底截面內(nèi)力匯總

由表1可以看出，在收縮、徐變及升降溫作用下墩底截面彎矩與剪力差值較大，就彎矩項分別差45.3%、16.7%、43.5%、43.5%。而剪力項分別差36.2% 、8.4% 、37.6% 、37.6% 。

由表2及表3可以看出在荷載主力組合及主力+附加力組合下，是否考慮基礎(chǔ)的剛度，對于墩底截面控制內(nèi)力的影響相當大，特別是在主力+附加力的組合下，對應(yīng)于最大彎矩的力的工況，其彎矩差值可達到56.6%。

由上計算可知，在“直接固結(jié)”、“Π形等代剛架”兩個類別模型下的計算結(jié)果差異很大，其差距產(chǎn)生的主要原因為:從下部剛度形成看，V形矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋，為了達到減少上部尺寸和增加橋梁美觀效果的需要，V形支撐高度部分所占墩身高度比例較大，且墩身較矮，因而導(dǎo)致墩身的抗推剛度與抗彎剛度較大。在“直接固結(jié)“狀況下，下部剛度僅由墩身提供，故其下部剛度較大。而在“Π形等代剛架”狀況下，下部剛度由墩身剛度與基礎(chǔ)剛度兩部分提供，并且是串聯(lián)式的剛度形成方式，因而下部聯(lián)合剛度減小很多。從外部作用看，對于三跨V形矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主墩的彎矩與剪力主要由收縮徐變、溫度升降等作用所產(chǎn)生。而在收縮徐變、溫度升降等作用下，上部梁體將產(chǎn)生縱向變形，其變形受到下部的約束而產(chǎn)生約束內(nèi)力，約束內(nèi)力的大小隨下部剛度的增大而正比增大。故基礎(chǔ)剛度是否計入下部剛度對計算結(jié)果有很大的影響。

因此，是否考慮基礎(chǔ)剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大的影響，特別是對墩底的彎矩和剪力影響很大，故應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)剛度的貢獻?！唉靶蔚却鷦偧堋焙芎玫目紤]了樁土的共同作用，能充分考慮基礎(chǔ)剛度的貢獻，在設(shè)計時可進行采用的。此外，設(shè)計時應(yīng)該充分結(jié)合地質(zhì)條件，選取合適的 m值，才能達到設(shè)計的合理性與經(jīng)濟性。

5 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，城市橋梁的建設(shè)對景觀的要求越來越高，V形連續(xù)剛構(gòu)橋以其特有的造型成為一種符合景觀特色的橋梁結(jié)構(gòu)。對于矮墩V形連續(xù)剛構(gòu)橋其基礎(chǔ)的剛度應(yīng)該進行必要的考慮，其考慮與否對于下部內(nèi)力的影響較大，將直接影響基礎(chǔ)的設(shè)計規(guī)模及投資，特別是對于地質(zhì)情況較為一般的地區(qū)?；A(chǔ)剛度的影響可依照剛度等值原理，用“∏形等代剛架”進行模擬，以考慮土與樁的共同作用。

［1］ 中國人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］ 中國人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］ 中國人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005，鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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Influence of Foundation Stiffness upon Internal Force of Integral Structure of(55+88+55)-m Continuous Rigid Frame Bridge withⅤ-type Pier

TONG Yuan-fei
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Because of the beautiful shape and good mechanical performance，the continuous rigid frame bridge with V-type pier is getting more and more extensive application in the urban bridges.Combining with a design example of V-type(55+88+55)-m continuous rigid frame bridge of Xi'an Metro Line 3，this paper expounds the simulation method of main pier foundation stiffness，also expounds the influence of the foundation stiffness upon the internal force of continuous rigid frame bridge.Especially for the design of continuous rigid frame bridge with low pier，the reasonable consideration about the influence of foundation stiffness upon integral stiffness will be directly related to the economical efficiency of foundation design.

metro;viaduct;V-type continuous rigid frame bridge;low pier;foundation stiffness

U448.23

A

1004-2954(2013)04-0037-04

2012-11-14

童遠飛(1981—)，男，工程師，2003年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)，工學學士，E-mail:tyfzl1981@163.com。