中等跨径Y腿刚构桥结构优化分析

张永杰 周峰 肖海波

摘要：结合某中等跨径预应力砼Y腿刚构桥工程实例,建立桥梁有限元模型, 通过比较其在成桥状态下结构内力随斜腿夹角、斜腿尺寸等结构参数变化而改变的趋势，从内力水平指标上对桥梁结构进行优化分析, 为这类桥梁的结构设计提供参考。

关键词：中等跨径Y腿刚构桥 结构优化 空心断面 斜腿夹角 斜腿尺寸

中图分类号：U448.23 文献标识码：A 文章编号：

Y腿刚构桥是近几年发展起来的一种新型结构桥梁。这种形式的桥梁用料经济,适用范围广阔，能满足各种跨径的需求；且结构新颖、大气，线条优美、简洁,它给人一种有力却又柔美的视觉享受，能够满足人们对于城市桥梁的审美需要，具有一定的欣赏价值；城市桥梁设计中有较多的采用,具有广阔的技术发展前景。

鉴于本类型桥梁受力状况除了与跨径布置有关之外,还与结构各部分的刚度、斜腿的夹角、Y腿各部分的尺寸等结构参数有关,结构某参数不合理可能会导致整个结构受力不合理。所以对各部位尺寸的拟定要优化比较，慎重确定。

本文结合宁波市北仑黄山路西延工程2号桥，对不同结构参数下桥梁的受力情况进行分析对比，为同类桥梁项目的设计提供一些建议和参考。

1、工程概况

宁波市北仑黄山路西延工程2号桥桥长80m，是跨径布置为21+38+21m的Y腿预应力砼连续刚构桥。桥梁宽度44m。主梁采用多孔预应力连续板梁，板梁及桥墩采用C50砼。

桥梁上部结构：桥梁分为南北两幅，单幅桥等宽22.3m,板梁两侧各设一个悬臂，悬臂长度分别为65和70cm。板梁内每隔55cm设一个孔洞，采用Φ315mm的PVC-U市政双壁波纹管成孔。主梁端部及跨中梁高0.8m，“Y” 型墩上桥墩桩号处主梁梁高0.9m，“Y”型墩与主梁相连处梁高141cm，墩顶主梁梁高呈圆弧线变化，半径为13.476 m，边跨及中跨墩梁连接处半径为18.0m。桥面横坡通过主梁整体倾斜形成。

桥梁下部结构：“Y”形桥墩，桥墩竖腿顺桥向宽0.8m，两个与主梁相连的“V”型结构厚0.7m，采用墩梁固结体系；桥墩承台厚2m，基础采用钻孔桩基础，钻孔桩直径1.2m；桥台为重力式桥台，钻孔桩直径0.8m。

图1桥梁立面布置图

图2跨中断面图

2、结构计算对比

2.1、计算模型

采用支架法施工，具体施工顺序为：下部结构施工—搭设支架—浇筑Y型墩斜腿—张拉Y腿中平衡粗钢筋—浇筑Y形墩顶混凝土—张拉桥墩预应力—浇筑剩余部分混凝土—张拉通长预应力—拆除支架—桥面系施工。利用Midas建立空间单元分析模型，共划分为1108个单元，1395个节点，承台采用实体单元模拟，余均以梁单元模拟。结构计算中施工工序按桥梁实际施工工序建模，桥墩及主梁采用C50砼，承台及桩采用C30砼，混凝土的收缩徐变模式按规范的规定取用，计算模型如下图所示。

图3计算模型

2.2、结构参数的选择

为分析桥梁上部结构断面、斜腿的夹角角度、斜腿厚度对结构内力的影响，进行以下工况时成桥状态下的计算分析：

①上部梁板断面空心和实心；

②斜腿的夹角角度从80°～130°变化，步差10°；

③斜腿的厚度从50cm～90cm变化，步差10cm；

除计算工况外，结构其余参数不变。

2.3、计算结果及分析

2.3.1、上部梁板断面空心和实心

上部梁板断面的空心与否影响到上部结构的刚度、恒载的重量，以下为两种工况下的断面参数对比：

表1主梁是否空心断面时结构参数表

以下为两种工况下成桥状态时主要截面的计算结果对比：

表2主梁是否空心时桥梁内力表

由表1可看出，主梁是否空心对断面的刚度变化影响不大，仅为2％，基本可忽略，但是对上部主梁的自重影响却达到了16.9％。

由表2的内力对比可知，空心断面下结构主要截面的内力均有较大幅度的降低，对主梁上的弯矩影响在12.5％左右，而对V腿内力影响也基本均在10％以上，如此大的变化幅度显然对结构配筋构成不可忽视的影响，因此建议本类型桥梁断面取空心断面，优化结构、减少配筋。

2.3.2、斜腿夹角角度变化

桥墩斜腿夹角角度影响到结构的线形，结构的受力状况由此受到影响。以下表格为斜腿夹角变化时桥梁内力变化对比：

表3斜腿夹角角度变化时桥梁内力表

以表3表明，对于中等跨径的Y腿刚构桥，斜腿夹角的角度增大对跨中及V腿的受力总体而言有明显的改善，且趋向性较为明显。但角度的不断增大对V腿下端靠近跨中侧的弯矩会反向的迅速增大，影响了结构下部的受力状况，增加了配筋的难度。本桥结合考虑了桥梁的景观特点，从美学角度选取夹角120°做为桥梁方案。

2.3.3、斜腿厚度变化

桥墩斜腿厚度影响到结构墩梁的刚度比，进而使结构各部分内力状况产生变化。以下表格为斜腿厚度变化时桥梁内力变化对比：

表4斜腿厚度变化时桥梁内力表

以表4显示，随着斜腿厚度的增厚，上部主梁跨中弯矩有向支墩顶转移的趋势，但幅度较小，每增大10cm仅有2％左右的变化幅度；但对V腿特别是跨中侧弯矩变化影响较大，上端弯矩每步差增幅从44.6％到16.3％变化，而下端弯矩每步差增幅亦在12％左右，对V腿配筋有不可忽略的影响。由此可见，在保证结构各部分尺寸协调、线形美观的前提下，斜腿厚度宜薄。

3、结 论

对以上计算结果比较，可以得到以下结论：

（1）上部梁板断面的空心与否对主梁刚度影响不大，但对主梁及桥墩的内力影响较大，建议本类型桥梁断面取空心断面，优化结构、减少配筋。

（2）斜腿夹角角度增大对桥梁结构的受力有明显的改善，建议中等跨径Y腿刚构桥斜腿角度宜取大值。

（3）斜腿厚度影响到结构墩梁的刚度比，根据计算对比，中等跨径本类型桥梁斜腿厚度宜薄。

参考文献

〔1〕周炎新,宋江平,周宏云;无桥台斜腿刚构桥设计研究[J];桥梁建设;2002年02期

〔2〕王佳;无桥台斜腿刚架桥关键参数的研究[D];华中科技大学;2009年

〔3〕康俊涛;无桥台斜腿刚架桥的研究与应用[D];华中科技大学;2005年