凌建林

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 廣東深圳 518029)

0 引言

V形墩梁為水平線條，斜腿為傾斜線條，加上構(gòu)件尺寸較小結(jié)構(gòu)合理，因此橋梁顯得輕巧美觀、富有動感，景觀效果較好，近幾年在景觀橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。與其他橋梁相比，該橋型具有以下幾點優(yōu)勢。

(1)V形墩支撐的橋梁與沒有斜撐的連續(xù)梁相比，在相同跨徑下，能夠縮短計算跨徑，且正負(fù)彎矩值均有所減少，因此構(gòu)件截面尺寸減少，可有效降低梁高[1-2]。

(2)主梁采用先簡支后連續(xù)梁，與V形墩通過支座連接，結(jié)構(gòu)溫度次內(nèi)力、收縮徐變次內(nèi)力問題得以解決。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)采用先簡支、后連續(xù)的施工工藝，可縮短施工周期并降低工程造價。

但是，V形墩斜腿和基礎(chǔ)剛接，其交叉處受力比較復(fù)雜[3-4]，必須進行細(xì)致的研究，避免裂縫出現(xiàn)。本文以平潭綜合試驗區(qū)竹嶼湖大橋為例，對V形墩-先簡支后連續(xù)梁橋的力學(xué)性能進行了較為深入的分析。

1 案例工程設(shè)計概況

1.1 工程概述

竹嶼湖大橋位于福建平潭綜合試驗區(qū)萬北路跨越竹嶼湖處，是萬北路的重要組成部分。橋面總寬50m，分左右兩幅橋設(shè)置，軸線與規(guī)劃河道中心線的夾角為90°。經(jīng)過設(shè)計方案比選探討，該橋最后采用V形墩-先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋，橋跨布置共3聯(lián)，第一聯(lián)25+15(V形墩)+25+15m(V形墩)，第二聯(lián)25+15(V形墩)+25+15(V形墩)+25m，第三聯(lián)15(V形墩)+25+15(V形墩)+25m，橋梁全長269.44m。竹嶼湖大橋總體布置圖和效果圖如圖1～圖2所示。

圖1 1/2橋梁立面圖(單位：cm)

圖2 竹嶼湖大橋總體效果圖

該橋上部結(jié)構(gòu)，采用先簡支后連續(xù)等高度預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土小箱梁，全橋分25m和15m預(yù)制梁段?？紤]上部結(jié)構(gòu)美觀和方便施工，所有預(yù)制箱梁采用等高度1.4m的小箱梁。全橋分兩幅，單幅橋?qū)?5m，單幅橫斷面布置8片小箱梁。上部結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。

下部結(jié)構(gòu)橋墩和承臺均為左右分離式結(jié)構(gòu)，其中每幅橋橫向布置4個橋墩，與承臺固結(jié)。橋墩順橋向V型，如圖4所示，長22m，橫橋向上寬下窄，最大寬度4.2m，斜腿傾角在49.1°～56.3°之間，斜腿厚度1.4m。為了提高V形墩的耐久性和改善應(yīng)力狀態(tài)，墩頂系桿布置沿縱橋向的預(yù)應(yīng)力鋼束來承擔(dān)拉力，預(yù)應(yīng)力采用7束10φs15.2鋼絞線，分兩排布置，上排4根，下排3根，具體位置如圖5所示，鋼束在兩端采用豎彎并錨固于V型墩墩身。為了提高V形墩的整體性，同一承臺的相鄰V形墩斜腿采用墩頂橫系梁連接(圖3)。承臺厚度為2.5m，承臺底至其上1.5m高為等截面形式，1.5m～2.5m高為變截面，上小下大，承臺下設(shè)直徑1.2m鉆孔灌注樁基，樁中心距3.1m，單墩共設(shè)置16根樁，樁長要求進入中風(fēng)化花崗巖不小于2倍樁徑，按嵌巖樁設(shè)計。

圖3 竹嶼湖大橋上部結(jié)構(gòu)單幅標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

圖4 V形墩立面圖和側(cè)面圖(單位：cm)

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位：cm)

1.2 主要材料、設(shè)計參數(shù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土，承臺采用C35混凝土，樁基采用C35海工混凝土。普通鋼筋采用HRB400、HPB300兩種型號。預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa，公稱直徑15.2mm的低松弛高強度鋼絞線，鋼束張拉控制應(yīng)力fpk為1395MPa。

竹嶼湖大橋道路等級為城市次干路；設(shè)計車速50km/h；設(shè)計基準(zhǔn)期為100年；設(shè)計安全等級為一級；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；環(huán)境類別為II類；汽車荷載為城-A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11-2011)計算取值；橋梁設(shè)計水位采用50年一遇洪水位+2.39m；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為丁類；抗震設(shè)防烈度采用7度以及地震動加速度峰值為0.10g；通航凈空為3.5m滿足小型游船同行。

2 結(jié)構(gòu)計算受力分析

本文選取第二聯(lián)進行結(jié)構(gòu)計算，為進行全橋的受力性能分析，本文首先采用Midas/Civil 2015建立上、下部結(jié)構(gòu)全橋模型，其中上部結(jié)構(gòu)梁格模型，以空間桿系理論為基礎(chǔ)進行全橋整體分析，上部構(gòu)件類型為A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。采用梁單元建立模型，端橫梁及中隔板按實際構(gòu)建剛度模擬，其余橫向聯(lián)系梁按虛梁模擬。邊界模擬主梁與橋墩采用彈性連接，支座采用板式橡膠支座，支座豎向受壓剛度根據(jù)JTG D62-2004第8.4.1條計算，順向及橫向剪切剛度根據(jù)CJJ 166-2011第6.2.5條計算。全橋梁單元共計2054 個，節(jié)點1453個，結(jié)構(gòu)離散圖如圖6所示。

圖6 第二聯(lián)全橋桿系模型

2.1 全橋模型分析

該橋上部結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，主橋計算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文主要研究對象為V型墩，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算較為復(fù)雜和關(guān)鍵，因此本文僅列出V型墩的計算結(jié)果。分別選取正常使用極限狀態(tài)的抗裂和承載能力極限狀態(tài)下的強度驗算，得到兩種工況下V形墩最不利彎矩出現(xiàn)在墩底根部斷面，該位置彎矩為負(fù)，上緣截面受拉(圖7～圖8)。最不利內(nèi)力列于表1，其計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。短期效應(yīng)組合下按偏心受壓構(gòu)件進行裂縫寬度驗算，計算結(jié)果表明，最大裂縫寬度0.096mm，滿足規(guī)范限值0.2mm要求[5]。

(a)最大軸力(單位：kN)(b)最大彎矩(單位：kN·m)

(a)最大軸力(單位：kN)(b)最大彎矩(單位：kN·m)

V形墩部位正常使用極限狀態(tài)組合承載能力極限狀態(tài)組合軸力/kN剪力/kN彎矩/kN·m正應(yīng)力/MPa軸力/kN剪力/kN彎矩/kN·m抗力/kN系桿中部3491.422.7431.82.53306.117.9431.326763.9系桿與左斜腿接觸面3491.4-254.0-449.82.53306.1-258.8-486.826763.9系桿與右斜腿接觸面3491.4299.4-461.62.53306.1294.6-499.726763.9左斜腿等截面-4743.6781.71637.1-1.3-4757.9719.11416.569524.0右斜腿等截面-4213.1-348.41612.1-1.2-4234.7-386.41385.469524.0

2.2 V形墩細(xì)部分析

V型墩截面為連續(xù)變截面，且在橋墩與承臺和細(xì)桿連接處受力情況復(fù)雜，若采用本文2.1節(jié)桿系模型進行結(jié)構(gòu)計算，桿系模型較難準(zhǔn)確模擬實際受力，從而影響結(jié)構(gòu)計算的精確性，且無法準(zhǔn)確計算連接節(jié)點的局部應(yīng)力，難以分析V形墩的受力情況，特別是抗裂性能。因此，本文采用Midas/FEA建立單個V形墩實體模型進行細(xì)部分析，單個V型墩模型如圖9所示。

圖9 V形墩實體有限元模型

為準(zhǔn)確研究V形墩在施工階段和運營階段的受力情況，該部分計算共分為5種工況。工況一采用自重和預(yù)應(yīng)力荷載；工況二采用自重、預(yù)應(yīng)力荷載和上部結(jié)構(gòu)單側(cè)施工荷載；工況三采用自重、預(yù)應(yīng)力荷載和上部結(jié)構(gòu)兩側(cè)施工荷載；工況四采用恒載、活載、預(yù)應(yīng)力荷載和升溫溫差；工況五采用恒載、活載、預(yù)應(yīng)力荷載和降溫溫差。5種工況下V形墩應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。具體受力分析如下：

(1)工況一作用下V形墩應(yīng)力計算結(jié)果如圖10所示。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果可知，在V形墩預(yù)應(yīng)力張拉完成階段，墩頂系桿中部全截面受壓。V形墩順橋向最大壓應(yīng)力10.0MPa，最大拉應(yīng)力1.0MPa；橫橋向最大壓應(yīng)力0.75MPa，最大拉應(yīng)力0.59MPa。

(2)工況二作用下V形墩應(yīng)力計算結(jié)果如圖11所示。在V形墩預(yù)應(yīng)力張拉完成，架設(shè)一側(cè)小箱梁的工況下，V形墩各部分應(yīng)力狀況良好。在扣除預(yù)應(yīng)力錨固處效應(yīng)、排除因構(gòu)造簡化導(dǎo)致的截面突變而引起的應(yīng)力集中區(qū)域外，V形墩順橋向最大壓應(yīng)力10.4MPa，最大拉應(yīng)力2.0MPa，V形墩最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在未架梁側(cè)斜腿外側(cè)，因此設(shè)計需加強斜腿外側(cè)配筋。V形墩橫橋向最大壓應(yīng)力0.75MPa，最大拉應(yīng)力0.67MPa。

(3)工況三作用下V形墩應(yīng)力計算結(jié)果如圖12所示。由應(yīng)力云圖可知，在V形墩預(yù)應(yīng)力張拉和兩側(cè)小箱梁架設(shè)完成的工況下，V形墩各部分應(yīng)力狀況良好。由于預(yù)應(yīng)力鋼束對V形墩混凝土的擠壓作用，V形墩順橋向最大壓應(yīng)力8.8MPa，出現(xiàn)在墩頂系桿位置，最大拉應(yīng)力為0.62MPa；V形墩橫橋向最大壓應(yīng)力為0.78MPa，最大拉應(yīng)力為0.52MPa。

(4)工況四作用下V形墩應(yīng)力計算結(jié)果如圖13所示。由應(yīng)力云圖可知，V形墩順橋向應(yīng)力最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩底，為9.5MPa，最大拉應(yīng)力為0.71 MPa；V形墩橫橋向最大壓應(yīng)力為10.4MPa，也出現(xiàn)在墩底，最大拉應(yīng)力為0.81MPa。

(5)工況五作用下V形墩應(yīng)力計算結(jié)果如圖14所示。V形墩順橋向應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為5.3MPa，最大拉應(yīng)力為0.92 MPa；V形墩橫橋向最大壓應(yīng)力為1.2MPa，最大拉應(yīng)力為1.1MPa。順橋向和橫橋向的最大拉力均出現(xiàn)在墩底約束區(qū)域，其余區(qū)域基本受壓。

(a)順橋向(b)橫橋向

(a)順橋向(b)橫橋向

(a)順橋向(b)橫橋向

(a)順橋向(b)橫橋向

(a)順橋向(b)橫橋向

3 施工要點

先簡支后連續(xù)梁橋具有簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點，其簡支梁可在工廠規(guī)?；A(yù)制，并通過濕接縫形成連續(xù)梁，從而極大地提高了橋梁的整體性。為提高該橋型施工質(zhì)量，保障結(jié)構(gòu)安全，本文給出以下3個施工要點。

(1)箱梁混凝土需達(dá)到設(shè)計強度的90%，且混凝土齡期不小于7d時方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。預(yù)制梁內(nèi)正彎矩鋼束和墩頂連續(xù)梁處的負(fù)彎矩鋼束均采用同時張拉，錨下控制應(yīng)力為0.75fpk。

(2)后連續(xù)現(xiàn)澆段施工前，應(yīng)嚴(yán)格按照要求對預(yù)制箱梁端頭進行鑿毛處理，濕潤其表面并座漿，以保證新老混凝土的良好結(jié)合。

(3)橋墩和橋臺屬于大體積混凝土，其水化熱量大，施工中應(yīng)采取可靠措施防止混凝土內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生裂縫，如橋墩和橋臺澆筑應(yīng)在一天中溫度較低時進行。

目前竹嶼湖大橋已完成樁基、承臺和V形墩施工，正在進行箱梁的架設(shè)安裝，橋梁施工現(xiàn)場如圖15所示。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，人們對橋梁美觀的要求越來越高。本文依據(jù)平潭綜合實驗區(qū)竹嶼湖大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對第二聯(lián)單幅橋模型和V形墩細(xì)部分別進行了力學(xué)性能分析，在該橋研究范圍內(nèi)得到了以下幾點認(rèn)知。

(1)V形墩-先簡支后連續(xù)預(yù)制箱梁橋構(gòu)造合理，輕巧美觀，富有動感，起到了豐富城市景觀的效果。

(2)正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合和承載能力極限狀態(tài)組合作用下V形墩墩底根部斷面彎矩為負(fù)，上緣截面受拉。短期效應(yīng)組合下V形墩最大裂縫滿足規(guī)范要求，表明本橋V形墩斜腿夾角設(shè)置合理。

(3)V形墩斜腿和墩頂系梁構(gòu)成了獨立的承重和傳力構(gòu)件，可將支座荷載向下傳遞給基礎(chǔ)。其中V形墩斜腿主要承受壓力，墩頂系梁主要承受拉力，系梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束可改善其應(yīng)力狀態(tài)。