跨度(55+88+55)m V形连续刚构桥基础刚度对整体结构的内力影响

童远飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

跨度(55+88+55)m V形连续刚构桥基础刚度对整体结构的内力影响

童远飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

V形墩连续刚构桥由于其优美的造型及较好的受力特点，在城市桥梁中得到越来越广泛的应用。结合西安地铁3号线(55+88+55)m V形连续刚构桥的设计实例，阐述该V形连续刚构桥主墩基础刚度的模拟方法及基础刚度对连续刚构桥内力的影响。特别是在矮墩连续刚构桥的设计中，通过合理地考虑基础刚度对总体刚度的影响将会直接关系到基础设计的经济性。

地铁;高架桥;V形连续刚构桥;矮墩;基础刚度

随着近年来城市建设的日新月异，在此建设过程中，对桥梁的景观设计提出了越来越高的要求。而城市桥梁的特点是桥梁高度不高，在对跨越能力有一定要求的地方，由于梁跨的加大，也使得梁高较高。而V形连续刚构桥通过把竖直桥墩变为分叉倾斜的桥墩而达到减小了跨径，降低了梁的结构高度的目的。使得大跨度梁桥在桥梁高度不高的情况下达到更好的景观效果。其主要优点:(1)梁的上部受力更加合理;(2)梁的整体刚度大幅提高;(3)桥梁上部结构尺寸明显减小;(4)V形刚构桥造型比较美观。主要缺点:(1)墩梁结合处及V形支撑结合处受力及构造较为复杂;(2)梁的整体刚度过大时会对结构受力产生不利的影响;(3)V形桥墩施工比较复杂。

本文主要结合(55+88+55)m预应力混凝土V形支撑连续刚构桥的工程实例，介绍其总体设计并分析基础刚度的模拟方法及其对内力的影响。

1 工程概况

本工程位于西安地铁3号线一期工程高架区间广浐区间内，为跨浐河而设，其标准跨径为(55+88+55)m，上部结构形式为预应力混凝土箱梁，主墩下部结构形式为钢筋混凝土V形桥墩。V形墩倒三角区按满堂支架法施工，主梁按悬臂灌注法施工。总体布置如图1所示。主要技术指标如下所述。

(1)主体结构使用年限:100年;

(2)设计洪水频率:百年一遇;

(3)设计行车速度:80 km/h;

(4)线路情况:双线、直线、线路间距4.2 m。线路纵坡8.624‰ ;

(5)车辆型号:B型车，4动2拖6辆车编组;

(6)环境类别及作用等级:一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用环境为T2。

图1 主桥立面(单位:cm)

2 自然条件

(1)气象

桥址处气候属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候。表现为春暖干旱，夏热多雨，秋凉湿润，冬寒少雨雪。最热月平均气温为29.8℃，最热月平均气温为-4.2℃。年平均相对湿度为70%。

(2)河流水文

本桥跨越过浐河，河床宽度约80.0 m，浐河为季节性河流，其中7～10月份河水流量较大，其余月份水量偏少或局部断流，勘察期间未蓄水，河床基本无水。该段下游距离线路约355 m为橡胶坝，已拦坝，距下游新房桥约415 m，河岸均采用砌石护坡处理，正常期蓄水作景观湖。本桥线位与既有广安路浐河河大桥并行，走行于第一、第二幅桥之间。横跨河，大桥轴线与河道主流夹角约60℃。大桥按100年一遇洪水。

(3)地形地貌

本桥所在区间地面高程384.85～406.11 m，全段整体东高西低。

(4)场地地层岩层特性

根据钻探揭露，拟建场地地基土的组成自上而下为:人工填土;第四系全新统冲积黄土状土、砂类土及碎石类土;第四系上更新统及中更新世冲积粉质黏土及砂类土、碎石类土等。

(5)特殊岩石及不良地质

该区间无地裂缝通过;此外区间勘察中未见地层异常，特别是标志层异常，亦表明该区间内无地裂缝通过。场地分布的饱和砂类土均不地震液化。周边地面沉降已趋于稳定。场地地下水属潜水类型，2010年11月工程勘察钻孔内量测的稳定水位埋深0.00～21.00 m，相应高程380.53～386.50 m，水位西高东低，在浐河河床段出露与河水相汇。勘察期属近高水位期，据西安市多年水位观测资料，拟建场地低水位期为7～9月，高水位期为12月至翌年3月。水位年变幅2 m左右。该场地地下水对混凝土结构具化学侵蚀性，侵蚀类型为硫酸盐侵蚀，环境作用等级为H1。场地土对混凝土结构无侵蚀性。

3 主桥结构总体设计

3.1 箱梁构造

主桥孔跨布置为1联(55+88+55)m预应力混凝土V形支撑连续刚构桥。梁体采用悬臂平衡浇筑法施工。梁体截面形式:梁部采用预应力混凝土变高度、单箱单室箱形梁。V形支撑斜腿与主梁固结处梁高为4.5 m，V形支撑上部托顶梁跨中梁高为4.0 m;每跨2 m合龙段及边跨端部14.9 m长现浇段梁高为2.4 m。梁顶平坡;梁体变高段曲线线形为二次抛物线。箱梁顶板宽10.0 m，底宽4.7 m。顶板厚度全梁统一为30 cm。腹板厚度由70 cm变为50 cm;托顶梁腹板厚度为70 cm。底板厚度由100 cm(主墩支承处)向外侧渐变为55 cm(跨中合龙处)，托顶梁底板厚度为100 cm。板厚均在箱梁内侧变化。

3.2 主桥桥墩设计

(1)V形主墩设计

V形支撑(以下简称V撑)为钢筋混凝土结构，撑体采用C50混凝土。V撑两斜肢与竖直线的夹角分别为30°和30.25°。斜肢横向宽度与主桥箱梁相同，撑体厚度为1.5 m，采用矩形实体截面。撑体与墩横桥向尺寸为470 cm，与梁底同宽。撑体以圆弧与主梁梁底和墩身顺接。墩身处设有横向预应力筋，横向预应力筋采用φ32 mm精轧螺纹预应力粗钢筋，JLM-32锚具锚固。

V撑单侧撑体内设有3榀型钢骨架，型钢骨架仅作为施工立模使用，不作为施工中混凝土及其他附属设备的承载体。骨架弦杆采用槽钢，腹杆采用角钢，每两榀骨架间均设有联结系，以保持其整体稳定。

(2)边墩设计

18、21号墩均采用独柱桥墩，墩顶设置帽梁。18号墩墩高约为18 m，墩身截面尺寸由上部的220 cm(顺桥向)×250 cm(横桥向)过渡到 270 cm(顺桥向)×250 cm(横桥向)。21号墩墩高约为10.5 m，墩身截面尺寸为220 cm(顺桥向)×250 cm(横桥向)。

3.3 主桥基础设计

桥墩基础均采用桩基础，所有桩基础均按摩擦桩设计。主墩基础采用6根φ180 cm钻孔灌注桩，矩形承台厚4.0 m，承台平面尺寸为13.0 m×8.4 m。18号墩基础采用5根 φ150 cm钻孔灌注桩，矩形承台厚3.0 m，承台平面尺寸为8.3 m×8.3 m。21号墩基础采用5根φ100 cm钻孔灌注桩，矩形承台厚2.5 m，承台平面尺寸为7.0 m×7.0 m。

4 基础刚度对结构受力分析

本桥主墩高度从梁顶到承台顶约为25 m。合龙顺序采用先边跨后中跨，为了改善基础受力，在中跨合龙时施加了4 000 kN顶推力。本桥属于矮墩V形墩连续刚构的范畴。

V形墩连续刚构桥其V撑墩的设计构造加大了结构的整体刚度，特别是在V形墩整体墩身高度相对较矮时，其刚度问题更加突出。对于矮墩V形连续刚构桥，其墩部刚度较大，与双肢薄壁墩相比，其抗推与抗弯刚度之比更大，对抗推刚度与抗弯刚度的设计需求矛盾突出，进而使得其在上部结构产生纵向变形时(收缩徐变、温度升降产生的变形)，墩身承受很大的剪力和弯矩，对下部基础设计产生很不利的影响。为改善上述(收缩徐变、温度下降产生的变形)因素产生的不利影响，可在跨中合龙前施加预顶力予以改善。但对于矮墩V形连续刚构桥而言，若不考虑基础刚度对整体受力的影响，一方面结构整体刚度与实际情况出入较大，另外将增加下部结构设计的难度，使得下部设计投入过大而产生不必要的浪费。

为了着重研究基础刚度对整体受力特别是基础受力的影响，现按照两种情况进行分析如下。

(1)不考虑基础刚度的影响，桥墩承台以下考虑固结，称为“直接固结”。

(2)考虑基础刚度的影响，将基础刚度等代为Π形刚架，以模拟基础刚度的贡献;称为“Π形等代刚架”。

现按照上述两种情况，采用上海同豪土木公司开发的桥梁博士进行模拟计算。

4.1 “Π形等代刚架”

按等刚度的原则，将承台以下群桩模拟成2根短柱，柱底固接，柱顶与承台相接成一个Π形结构，使得群桩和模拟的2根短柱在单位水平位移、单位竖向位移和单位转角位移时所需施加的外力相等，由此来解决基础刚度对整体刚度的贡献问题。其等代模型如图2所示。

图2 群桩等代计算模型

现设承台底中心点 O在外荷载M、N、Q作用下，产生水平位移、竖向位移及转角位移，水平方向用下角标1表示、竖直方向用下角标2表示、转角方向用下角标3表示。

按照等代原则可以推导出产生单位位移所需施加的外力如下

式中，Q11、M31为等代∏形结构产生单位水平位移所需的水平力与弯矩;N22为等代∏形结构产生单位竖向位移所需的轴向力;M33为等代∏形结构产生单位转角位移所需的弯矩。

由上4式并结合“力的互等定理”得出

以上 4式中 Q11、M31、N22、M33的意义与前 4式相同，但其为实际结构下的相应外力值，L为等代短柱的长度，B为等代短柱间的水平距离，A与I分别为等代短柱的面积与惯性矩。其他计算参数可以由《铁路桥涵地基与基础设计规范》计算得出。

本设计的主墩基础，其在桩基刚度影响较大的长度范围内主要分布有粉质黏土，现将其水平向地基系数的比例系数m按9 000 kN/m4取值(实际设计时按情况进行调整以保证结构的安全性，本文以此值说明刚度的取值对结构的影响)，加上考虑土层对承台抗力的影响计算出:B=8.3 m、L=6.9 m，A=0.989 m2、I=0.65 m4。

4.2 基础刚度对结构受力分析

按照以往经验及相关文献，基础刚度对于上部梁的结构受力相对较小，但对下部影响较大，现将墩底截面在“直接固结”与“Π形等代刚架”两种类别下的计算结果汇总见表1～表3。

表1 墩底截面单项力内力汇总(仅列出影响较大的单项内力)

表2 主力—墩底截面内力汇总

表3 主力+附加力—墩底截面内力汇总

由表1可以看出，在收缩、徐变及升降温作用下墩底截面弯矩与剪力差值较大，就弯矩项分别差45.3%、16.7%、43.5%、43.5%。而剪力项分别差36.2% 、8.4% 、37.6% 、37.6% 。

由表2及表3可以看出在荷载主力组合及主力+附加力组合下，是否考虑基础的刚度，对于墩底截面控制内力的影响相当大，特别是在主力+附加力的组合下，对应于最大弯矩的力的工况，其弯矩差值可达到56.6%。

由上计算可知，在“直接固结”、“Π形等代刚架”两个类别模型下的计算结果差异很大，其差距产生的主要原因为:从下部刚度形成看，V形矮墩连续刚构桥，为了达到减少上部尺寸和增加桥梁美观效果的需要，V形支撑高度部分所占墩身高度比例较大，且墩身较矮，因而导致墩身的抗推刚度与抗弯刚度较大。在“直接固结“状况下，下部刚度仅由墩身提供，故其下部刚度较大。而在“Π形等代刚架”状况下，下部刚度由墩身刚度与基础刚度两部分提供，并且是串联式的刚度形成方式，因而下部联合刚度减小很多。从外部作用看，对于三跨V形矮墩连续刚构桥，主墩的弯矩与剪力主要由收缩徐变、温度升降等作用所产生。而在收缩徐变、温度升降等作用下，上部梁体将产生纵向变形，其变形受到下部的约束而产生约束内力，约束内力的大小随下部刚度的增大而正比增大。故基础刚度是否计入下部刚度对计算结果有很大的影响。

因此，是否考虑基础刚度对结构内力有较大的影响，特别是对墩底的弯矩和剪力影响很大，故应充分考虑基础刚度的贡献。“Π形等代刚架”很好的考虑了桩土的共同作用，能充分考虑基础刚度的贡献，在设计时可进行采用的。此外，设计时应该充分结合地质条件，选取合适的 m值，才能达到设计的合理性与经济性。

5 结语

随着城市的发展，城市桥梁的建设对景观的要求越来越高，V形连续刚构桥以其特有的造型成为一种符合景观特色的桥梁结构。对于矮墩V形连续刚构桥其基础的刚度应该进行必要的考虑，其考虑与否对于下部内力的影响较大，将直接影响基础的设计规模及投资，特别是对于地质情况较为一般的地区。基础刚度的影响可依照刚度等值原理，用“∏形等代刚架”进行模拟，以考虑土与桩的共同作用。

［1］ 中国人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］ 中国人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］ 中国人民共和国铁道部.TB 10002.5—2005，铁路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

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Influence of Foundation Stiffness upon Internal Force of Integral Structure of(55+88+55)-m Continuous Rigid Frame Bridge withⅤ-type Pier

TONG Yuan-fei
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

Because of the beautiful shape and good mechanical performance，the continuous rigid frame bridge with V-type pier is getting more and more extensive application in the urban bridges.Combining with a design example of V-type(55+88+55)-m continuous rigid frame bridge of Xi'an Metro Line 3，this paper expounds the simulation method of main pier foundation stiffness，also expounds the influence of the foundation stiffness upon the internal force of continuous rigid frame bridge.Especially for the design of continuous rigid frame bridge with low pier，the reasonable consideration about the influence of foundation stiffness upon integral stiffness will be directly related to the economical efficiency of foundation design.

metro;viaduct;V-type continuous rigid frame bridge;low pier;foundation stiffness

U448.23

A

1004-2954(2013)04-0037-04

2012-11-14

童远飞(1981—)，男，工程师，2003年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail:tyfzl1981@163.com。