李盛家 LI Sheng-jia
(廣西新發(fā)展交通集團有限公司,南寧 530029)
V形墩連續(xù)剛構橋因其造形別致、美觀,具有較高的景觀效果,始終在市政橋梁的選形中占有一席之地[1,2]。作為常規(guī)連續(xù)剛構橋的變形,V形墩連續(xù)剛構橋除了造形上富有特色以外,其力學性能也發(fā)生了較大的變化。因此對其進行相關研究,本文以景觀橋為背景,采用三維有限元軟件建立桿系模型[3,4],基于控制變量法對V形墩連續(xù)剛構橋的設計參數進行影響性分析[5,6],分布研究邊中跨比μ、V腿角度α、中墩約束剛度K對V形墩連續(xù)剛構橋支反力和內力的影響規(guī)律,相關工作可為類似V形墩連續(xù)剛構橋設計提供參考依據[7,8]。
某景觀橋采用(15+18+15)m鋼筋混凝土V形墩連續(xù)剛構,V腿與豎直夾角52.5°,橋寬為12.5m。橋梁總體布置圖見圖1。
圖1 橋梁總體布置圖(單位:mm)
提出四種不同跨徑組合(12+24+12)m、(13+22+13)m、(14+20+14)m、(15+18+15)m,其對應的邊中跨比μ分別為0.50、0.59、0.70、0.83,分別建立有限元模型分析得到各自的結構效應。
①不同邊中跨比μ對V形墩連續(xù)剛構橋邊墩和中墩支反力的影響,結果如圖2所示。
圖2 邊中跨比μ對邊墩和中墩支反力的影響
由圖2可見,當邊中跨比μ逐漸增大時,中墩支反力有減小的趨勢,而邊墩支反力有增大的趨勢。當邊中跨比過小時,邊墩在最小標準組合作用下可能出現負反力,即在實際結構中表現為支座脫空,這將對結構的安全使用產生影響。因此在設計過程中不宜選取過小的邊中跨比。
②不同邊中跨比μ對V形墩連續(xù)剛構橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖3。
圖3 邊中跨比μ對中墩墩底水平力和彎矩的影響
由圖3可以得到,邊中跨比μ增大時,中墩墩底水平力先減小,再增大;而中墩墩底彎矩則始終呈現減小的趨勢。從具體數值上分析,墩底水平力由4100kN減小到4030kN再增大到4140kN,變化幅度很小,在工程中幾乎可以忽略不計;而中墩墩底彎矩則減小了10%。由此可見,在實際的設計中,適當選取較大的邊中跨比能夠降低中墩墩底彎矩,這對于中墩樁基的受力是有利的,同時也能夠降低樁基的造價。
提出四種不同V腿豎向夾角α為45°、50°、55°、60°,分別建立有限元模型分析得到各自的結構效應。
①不同V腿角度α對V形墩連續(xù)剛構橋邊墩和中墩支反力的影響見圖4。
圖4 V腿角度α對邊墩和中墩支反力的影響
由圖4可見,當V腿角度逐漸增大時,中墩反力逐漸增大而邊墩反力逐漸減小。若V腿角度過大,在最不利荷載組合作用下,邊墩有可能出現負反力,即支座脫空,將對結構的安全使用產生不利影響。因此在設計時,不宜采用過大的V腿角度。
②不同V腿角度α對V形墩連續(xù)剛構橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖5。
圖5 V腿角度α對中墩墩底水平力和彎矩的影響
由圖5可以看出,當V腿角度增大時,中墩墩底的水平力和彎矩呈現出增大的趨勢。具體來看,中墩墩底的水平力比墩底彎矩對V腿角度的變化更為敏感。當V腿角度由45°增大到60°時,中墩墩底水平力增大了25%,而中墩墩底彎矩僅增大了5%。但從數值上分析,中墩墩底彎矩較大而水平力較小,對于基礎,仍需按壓彎構件進行強度設計。
分別計算中墩約束剛度K為0.5K、1.0K、1.5K、2.0K的有限元模形(其中K為本設計中采用的單排樁等效約束剛度),得到各自的結構效應。
①不同中墩約束剛度K對V形墩連續(xù)剛構橋邊墩和中墩支反力的影響見圖6。
圖6 中墩約束剛度K對邊墩和中墩支反力的影響
由圖6可見,不同的中墩約束剛度對于結構支反力的影響很小,都在3%以內,以至于在圖中變化趨勢很不明顯。這樣的變化幅度,在工程中可以幾乎可以忽略,因此在設計中可以不考慮中墩約束剛度對于結構支反力的影響。
②不同中墩約束剛度K對V形墩連續(xù)剛構橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖7。
圖7 中墩約束剛度K對中墩墩底水平力和彎矩的影響
由圖7可以得到,當中墩約束剛度增大時,中墩墩底水平力和彎矩都顯著增大。具體分析,中墩墩底水平力增大了100%,而中墩墩底彎矩增大了177%。數據表明中墩墩底彎矩對約束剛度更為敏感,并且約束剛度越強,對于基礎的受力越不利。
文章采用三維有限元軟件建立桿系模型,基于控制變量法對V形墩連續(xù)剛構橋的設計參數進行影響性分析,得到以下結論:①邊中跨比μ增大或V腿角度α減小,會減小中墩支反力,增大邊墩支反力。中墩墩底約束剛度的變化對于結構支反力幾乎沒有影響。對于V形剛構這種結構體系,本身就存在中墩反力遠大于邊墩反力的特點,因此在最不利情況下,邊墩有可能出現負反力即支座脫空的現象。所以,在結構設計時,應首先考慮采用較大的邊中跨比μ或較小的V腿角度α。②中墩約束剛度K增大使中墩墩底水平力增大最多(約100%),V腿角度α對其的影響次之(約25%),邊中跨比μ則幾乎沒有影響(約3%)。與此同時,中墩約束剛度K增大也使中墩墩底彎矩增大最多(約177%),且增幅大于墩底水平力的增幅,邊中跨比μ對墩底彎矩的影響次之(約10%),而V腿角度α對其影響較小(約5%)。墩底水平力和彎矩對于中墩基礎的設計具有重要影響。而中墩基礎的形式又會直接影響中墩墩底的約束剛度。因此,在設計V形墩連續(xù)剛構橋的中墩基礎時,采用約束剛度較小的單排樁或梅花樁形式,對于整個基礎的受力都是有利的。同時,采用較大的邊中跨比μ或較小的V腿角度α,也對中墩基礎有積極的影響。