四跨V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李建斌

（杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310001）

0 引言

V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋造型美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔輕巧，后期維護(hù)費(fèi)用少，自桂林漓江大橋建成以后得到很廣泛的應(yīng)用，特別是隨著預(yù)應(yīng)力材料、設(shè)備、施工工藝的發(fā)展及高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用，使得該橋型不斷發(fā)展和完善，橋梁結(jié)構(gòu)向連續(xù)體系、大跨徑及多跨聯(lián)發(fā)展。本文結(jié)合某四跨V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)研究，對(duì)該橋型設(shè)計(jì)中的跨徑布置、墩身厚度及傾角、頂板厚度、溫度作用及合攏溫度選定、配重調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力等問(wèn)題提出見(jiàn)解，為同類(lèi)橋型提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

1.1 橋型布置

某橋全長(zhǎng)293.2 m，橋?qū)?4.5 m。設(shè)計(jì)道路等級(jí)為城市主干道，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。其中主橋?yàn)椋?4+72+72+54）m四跨V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋布滿河道。主橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)直接嵌入微風(fēng)化基巖。具體見(jiàn)圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 上部結(jié)構(gòu)

主橋采用三墩四跨V型墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為（54+72+72+54）m。全橋橫斷面雙幅布置，中間懸臂采用后澆帶剛性連接。單幅橋采用單箱雙室箱梁，箱梁橋墩處梁高為3.3 m，中跨跨中及橋臺(tái)處梁高為1.8 m。梁高按二次拋物線變化。

箱梁底寬12.25 m，頂寬17.25 m，單室凈寬4.925～5.150 m，共設(shè)置三道腹板，厚度80～65 cm，頂部外側(cè)箱梁挑臂2.5 m，箱梁頂板厚度30 cm，在V墩處為40 cm，懸臂端部厚25 cm，根部75 cm，底板厚度由跨中的30 cm增至根部的50 cm，按二次拋物線設(shè)置，并且在V墩處的厚度為50 cm。

全橋單幅設(shè)置8道橫梁，除2道端橫梁寬度為150 cm外，其余中橫梁寬度均為2 m。

箱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。縱橋向預(yù)應(yīng)力布置于腹板及頂?shù)装?，為主要受力配筋，采?2φs15.2及9φs15.2兩種預(yù)應(yīng)力束。腹板預(yù)應(yīng)力束局部下彎形成豎向預(yù)應(yīng)力體系。在橋墩橫梁處設(shè)置9φs15.2預(yù)應(yīng)力束以改善墩梁固結(jié)處結(jié)構(gòu)受力。

箱梁采用C55混凝土。

1.2.2 下部結(jié)構(gòu)

全橋半幅采用三個(gè)V墩。墩身為變寬度變厚度薄壁，墩頂寬度12.25 m，厚度1 m，墩底寬度10.45 m，厚度1.5 m。墩身內(nèi)設(shè)局部豎向預(yù)應(yīng)力以改善結(jié)構(gòu)受力。

1號(hào)、5號(hào)橋墩采用墻式橋墩，墩厚220 cm。承臺(tái)厚度為1.5 m。

承臺(tái)采用 C30混凝土，V型墩墩身及其它墩身、墩帽采用C40混凝土。

1.2.3 基礎(chǔ)

V墩基礎(chǔ)采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，持力層為⑤3層微風(fēng)化粉砂巖?；A(chǔ)橫橋向12.45m，順橋向7m，高度為5.8～6.8 m。

1號(hào)、5號(hào)橋墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁徑150 cm，基礎(chǔ)持力層為微風(fēng)化基巖層。

樁基礎(chǔ)采用 C30水下混凝土，擴(kuò)大基礎(chǔ)采用C30混凝土。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 橋梁布跨

現(xiàn)已建成的V型墩連續(xù)剛構(gòu)的邊中跨之比約在0.55～0.7之間，基本與一般連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)邊中跨之比約為0.6相近。表1列出了幾座橋梁的邊中跨比。但由于V型墩連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特性，對(duì)溫度作用敏感，溫度作用占總活載作用的40%左右，適當(dāng)增加邊跨而減小中跨，可減小結(jié)構(gòu)受溫度作用的影響。

表1 已建V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨比一覽表

該橋按（54+72+72+54）m布跨，邊中跨之比為0.75，有效地減小溫度作用。同時(shí)由于橋位處河道兩岸為斜坡防洪堤，加大邊跨使得橋墩不受防洪堤影響，總體布置協(xié)調(diào)、美觀。

2.2 墩身厚度及傾角

2.2.1 墩身厚度

一般情況下，連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為減少溫度作用，總是以減小橋墩剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在墩身高度受限的情況下，則盡量減小墩身截面尺寸。但在V型墩連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于V型墩與梁體間形成強(qiáng)大的三角固定結(jié)構(gòu)，三角整體轉(zhuǎn)動(dòng)變形作用占主要部分，真正水平位移與連續(xù)剛構(gòu)相比，明顯變小。

該橋設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)墩身厚度采用100 cm、120 cm、150 cm三種情況進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，其梁體應(yīng)力變動(dòng)幅度僅在2 MPa以?xún)?nèi)，說(shuō)明改變墩身厚度來(lái)降低橋墩剛度，從而減少溫度作用影響，效果不明顯。

具體在該橋設(shè)計(jì)時(shí)，墩身厚度按構(gòu)造及配筋需要取定。實(shí)際墩身厚度墩頂為100 cm，墩底為150 cm，墩身寬度呈倒梯形，以減少基礎(chǔ)尺寸。

2.2.2 V型墩傾角

V型墩傾角（墩身與水平夾角）一般在60°～45°之間，當(dāng)傾角較大時(shí)更趨近于連續(xù)剛構(gòu)的H型墩，結(jié)構(gòu)受力也更接近于連續(xù)剛構(gòu)；當(dāng)傾角較小時(shí)，結(jié)構(gòu)受溫度作用更加明顯。然而V型墩傾角的確定除受結(jié)構(gòu)受力影響外，很大程度上取決于橋位處地形及河道形式，當(dāng)?shù)匦伍_(kāi)闊，河道以淺灘的形式布置時(shí)，采用較大的傾角更能體現(xiàn)V型墩連續(xù)剛構(gòu)的剛勁之美，而當(dāng)?shù)匦尉执?，河道設(shè)置較高防洪堤時(shí)，傾角不宜太小，否則不能與地形、地貌相協(xié)調(diào)。

根據(jù)該橋所處位置的地形、地貌及防洪堤形式，結(jié)合結(jié)構(gòu)長(zhǎng)聯(lián)溫度作用影響大，為盡量減小該影響，V型墩傾角采用60°。

2.3 頂板厚度

在V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋的計(jì)算過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生頂板應(yīng)力超規(guī)范的現(xiàn)象，在該橋的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)頂板采用25 cm、28 cm、30 cm三種情況進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，其主要斷面應(yīng)力變化明顯。這與該種橋型結(jié)構(gòu)受力特性是相符合的，即溫度作用占比較大，特別在均勻升溫的情況下，其中跨幾乎全截面均勻受壓。該橋頂板厚度實(shí)際采用30 cm。

2.4 溫度作用及合攏溫度選定

2.4.1 溫度作用

溫度作用按規(guī)范要求有均勻溫度作用和梯度溫度作用。梯度溫度作用規(guī)范有明確要求，一般橋梁上部結(jié)構(gòu)均應(yīng)作為荷載進(jìn)行組合，但為使這種作用效應(yīng)達(dá)到最小，常采用瀝青混凝土鋪裝層的方法。該橋橋面鋪裝采用10 cm瀝青混凝土。

均勻溫度作用對(duì)V型墩連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)受力非常敏感，其作用效應(yīng)會(huì)達(dá)到全部活載效應(yīng)的40%以上，在常規(guī)狀態(tài)下甚至?xí)故軌簠^(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此對(duì)該作用進(jìn)行深入研究極為必要。規(guī)范給出了在缺乏實(shí)際調(diào)查資料時(shí)最高和最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值，在溫?zé)岬貐^(qū)混凝土結(jié)構(gòu)最高溫度為34℃，最低溫度為-3℃。在計(jì)算圬工拱圈時(shí)，考慮徐變作用，溫差效應(yīng)應(yīng)乘以0.7的折減系數(shù)，但對(duì)V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋等結(jié)構(gòu)并未提出要求。鐵路橋規(guī)規(guī)定“計(jì)算溫差應(yīng)力時(shí)，對(duì)于日照溫差宜采用混凝土受壓彈性模量；對(duì)于降溫溫差宜采用0.8倍受壓彈性模量”。同時(shí)規(guī)定“計(jì)算主力與溫差應(yīng)力組合，可不再與其它附加力組合。此時(shí)，材料容許應(yīng)力可提高20%”。可見(jiàn)，對(duì)于梁式橋是否應(yīng)考慮徐變影響對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行折減，各規(guī)范偏差較大?，F(xiàn)階段，為保證橋梁的安全度，往往都未進(jìn)行折減。

該橋在考慮均勻溫度作用時(shí)，未進(jìn)行折減。另由于近年來(lái)，氣溫常常失常，時(shí)有暴冷暴熱現(xiàn)象出現(xiàn)，局部地區(qū)最高氣溫已達(dá)到42℃，路面最高溫度可達(dá)70℃。在如此高的溫度下，很多既有橋梁也產(chǎn)生了因溫度作用引起病害。為保證安全，該橋?qū)嶋H溫度取值為最高45℃，最低-5℃。

2.4.2 合攏溫度的選定

鑒于V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性，溫度作用效應(yīng)占比較大，且在約束區(qū)梁體在均勻升降溫時(shí)，其截面應(yīng)力變化較均勻，因此，合理選擇合攏溫度意義重大。一般混凝土結(jié)構(gòu)抗壓性能好，而抗拉性能較差，為發(fā)揮混凝土較好的抗壓性能，選擇較低的合攏溫度是合適的。

該橋經(jīng)過(guò)試算，選定合攏溫度為10℃，全橋受力性能較好地滿足規(guī)范要求。

2.5 內(nèi)力調(diào)整

超靜定結(jié)構(gòu)在合攏時(shí)可采用外力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，以使結(jié)構(gòu)受力合理。一般情況下，可采用兩種方法，一是在合攏口進(jìn)行頂推，主要用于當(dāng)合攏溫度偏高時(shí)，為使結(jié)構(gòu)受力符合合攏時(shí)，計(jì)算的受力狀況；二是當(dāng)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，調(diào)整預(yù)應(yīng)力束很難使結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求，可采用配重對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。該方法也可用于調(diào)整連續(xù)剛構(gòu)橋及V型墩剛構(gòu)橋墩身受力。

該橋采用配重方法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。在中跨合攏時(shí)，在邊V墩內(nèi)側(cè)進(jìn)行配重調(diào)整，經(jīng)試算，取用配重1 500 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，且V墩兩墩身受力較均勻。

3 結(jié)語(yǔ)

V型墩連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，特別是均勻溫度作用影響結(jié)構(gòu)受力較大，當(dāng)基礎(chǔ)為嵌巖的剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，且為多跨結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用適當(dāng)增大邊跨、增大墩身傾角及降低合攏溫度等措施減小溫度作用影響。適當(dāng)增加頂板厚度，可充分發(fā)揮混凝土抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，易于結(jié)構(gòu)配置預(yù)應(yīng)力鋼索。在合攏時(shí)，施加配重，可調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)受力合理，降低費(fèi)用。

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]耿貴剛，嚴(yán)允忠.混凝土橋梁的溫度效應(yīng)探討[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，35（5）：92-95.

[3]蘇高裕.東莞市石龍鎮(zhèn)南三橋主橋V型墩連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)體會(huì)[J].廣東公路交通，2007，98（1）：35-37.

[4]王戰(zhàn)國(guó).大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋的靜力分析與工程控制[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

[5]王衛(wèi)國(guó)，等.V型墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的總體設(shè)計(jì)[J].江蘇交通科技，2005，(2)：12-14.

[6]梁吉學(xué)，李聞濤.V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋角度變化的影響分析[J].山西建筑，2009，35（12）：338-339.