多跨连续V形刚构桥设计分析

王少峰 宋丽 郭忆

1 概述

刚构桥是指上部承重的梁、板与墩、台的柱式墙壁整体结合在一起的一种桥梁结构。其构思是利用墩台与上部结构的固结构造,使跨中弯矩减小,同时在墩、台与梁结合处产生弯矩与推力,在同样同行荷载与使用同样建筑材料下,刚构桥的单跨跨径可以加大并减小梁高。刚构桥因桥墩的形式不同可分为门式刚构、斜腿刚构、T形刚构、V形刚构等。

近年来随着我国桥梁事业的发展,V形刚构桥被广泛采用。如浙江省淳安县千岛湖大桥(70+7×105+70+40)m,桂林漓江大桥(67.5+95+67.5)m等。V形刚构桥减少了支点和跨中弯矩值,降低了梁高,节约了材料;同时结构轻盈、线条流畅、造型美观,成为经济实用的景观桥梁的又一合理选择。

2 天泉湖大桥设计特点分析

天泉湖大桥位于国家4A级景区铁山寺国家森林公园天泉湖景区内,盱眙县城南侧,湖面宽度约160 m,采用(28+5×40+28)m连续V形刚构体系。

通过计算我们发现,V形墩的采用使得构造既有梁的特征,也具有拱的特点。虽能使上部构造减小,但受力状态也发生了较大变化。在结构自重、预应力、整体温度、收缩、徐变、活载的作用下,主墩墩底会产生较大的水平力和弯矩,特别是主墩竖直高度较小、多跨连续时,影响尤为严重。这种水平力和弯矩会对刚构的受力状态产生较大的影响,同时会造成基础的规模大大增加,必须在设计过程中采取合理的措施,予以解决。

1)确定合理的边、中跨跨度。通过计算并查阅大量文献资料,并结合现场的实际情况,确定大桥边跨长28 m,中跨长40 m,边跨∶中跨=0.7,接近最佳比例0.6。2)确定墩身合理倾角。经计算并查阅大量文献资料,发现随着墩身倾角的扩大,主梁弯矩、拉力变化不大,但主梁轴向压力迅速增大,对主梁受力有利,与此同时主墩下部的水平力也在增加,对基础不利,倾角又不宜过大,合理范围为35°～45°,本桥墩身倾角采用 40°。3)确定梁高及墩身厚度。考虑到本桥主跨跨径不大,采用较小的梁高,不便于施工,结合连续梁的高跨比,确定本桥采用等截面梁高1.7 m,高跨比约为1/23。V形墩墩身由于轴力较大,弯矩较小,斜腿截面高度可比主梁适当减小。通常斜腿下端可采用跨中梁高的0.4倍～0.8倍,斜腿上端可采用斜腿下端的1.2倍～1.5倍。本桥斜腿下端截面高0.8 m,斜腿上端截面高1.0 m。4)合理布置预应力钢束。本桥在设计过程中采用部分预应力设计理论,减小结构预应力,减小梁体弹性压缩,同时也减小了结构后期收缩徐变;全桥合龙后,通过在边跨施加部分预应力调整结构次内力。5)确定合理的合龙方式及施工步骤。计算及文献资料表明,先中跨后边跨的合龙方式可有效的减小墩底的水平力及弯矩,同时采用逐段施工的方式也可以有效的减少预应力及收缩徐变产生的内力,本桥施工顺序及合龙方式均采用上述方法实施。6)合理选择铰的位置。文献资料显示如将V形墩的下端视为固定,则单孔桥为9次超静定结构,以后每增加一孔就增加6次超静定。超静定次数过多,温度变化、收缩徐变等造成附加内力增大。为了消除这种影响,可选择设置铰,降低超静定次数,从而减少附加内力。铰可以设置在主梁上,也可以设置在墩上,我们分别对两种情况进行了对比计算,计算结果见表1,表2。表中数据显示无论是将铰设置在墩底还是主梁上,随着超静定次数的降低,均可以有效降低温度、收缩、徐变等产生的附加内力。改善主梁受力状况,减小基础规模。虽然两种方法都可以满足结构的使用要求,但是天泉湖大桥所处位置为水库,水面高低起伏较大,最低最高水位相差近9 m,如在墩底设置支座(铰),不仅外形美观受到影响,而且支座的养护、维修、替换也存在较大问题,解决难度大,费用高。

表1 主墩墩底设铰墩底内力、主梁应力对比表

表2 主梁设铰墩底内力、主梁应力对比表

经计算,本桥牛腿(铰)设置在距离主墩中心14 m处,接近跨径1/4(10 m)的位置。牛腿(铰)处挠度仅1 cm,满足规范要求,对行车舒适度影响极小,取得了良好的效果。

3 天泉湖大桥设计计算

经过上述比较最终天泉湖大桥设计如下:主梁采用预应力混凝土等截面单箱单室连续箱梁,箱梁梁高1.7 m,V腿与箱梁交接处按圆弧变化,梁高按直线变化,梁端横梁为1.0 m厚,墩顶横梁为1.5 m厚,箱梁在横桥向底板保持水平,箱梁顶板设2%的双向横坡。腹板斜率为2.48保持不变,主桥箱梁采用纵向预应力体系。箱梁顶板厚度为0.25 m;底板厚度由跨中的0.25 m渐变至墩顶处0.5 m;腹板厚度由跨中0.5 m渐变至墩顶处为0.7 m;均随梁高变化段按直线变化。主桥上部采用少支架逐联逐段施工,纵向预应力分段分批张拉。全桥由中间至两侧逐渐合龙。主桥纵向预应力采用Φs15.2规格的钢绞线束,OVM锚固体系,钢束张拉锚下控制应力采用 σk=0.75Rby。其中,腹板束为 Φs15.2-15,顶、底板束为Φs15.2-9。预应力管道均采用金属波纹管成型。

主墩采用V形墩造型,墩身厚度为墩顶1.0 m直线变化到墩底0.8 m,宽度为墩顶5 m变化到墩底4 m(见图1)。

主桥结构静力分析采用《桥梁博士3.2》进行计算,计算时考虑基础与箱梁的共同作用,按集成刚度的原理,将本桥柔性桩基础模拟为双柱的支撑形式。计算中按有关规范规定对各种荷载进行不同的荷载组合,分别对结构施工和使用阶段的强度、应力和刚度做了验算。计算结果符合现行规范要求,能够满足使用需要。

4 结语

V形墩刚构桥结构轻盈、造型优美、受力合理、节省投资,适合作为景观桥型使用,但由于其为多次超静定结构,在墩高不能满足的情况下,受结构自重、预应力、整体温度、收缩、徐变、活载等影响内力较大,应采取合理的措施将不利因素予以一一消除或减小。通过本文分析,不难看出,合理的选择铰的位置,能够迅速的减小附加内力,使结构达到理想的受力状态,满足使用要求。希望本文能给桥梁结构设计者带来一定的借鉴价值。

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