四跨V型墩连续刚构桥结构设计

李建斌

（杭州市城建设计研究院有限公司，浙江杭州 310001）

0 引言

V型墩连续刚构桥造型美观，结构简洁轻巧，后期维护费用少，自桂林漓江大桥建成以后得到很广泛的应用，特别是随着预应力材料、设备、施工工艺的发展及高强混凝土的应用，使得该桥型不断发展和完善，桥梁结构向连续体系、大跨径及多跨联发展。本文结合某四跨V型墩连续刚构桥的设计研究，对该桥型设计中的跨径布置、墩身厚度及倾角、顶板厚度、温度作用及合拢温度选定、配重调整结构内力等问题提出见解，为同类桥型提供设计参考。

1 工程概况

1.1 桥型布置

某桥全长293.2 m，桥宽34.5 m。设计道路等级为城市主干道，设计荷载为城-A级。其中主桥为（54+72+72+54）m四跨V型墩连续刚构桥，主桥布满河道。主桥墩采用扩大基础直接嵌入微风化基岩。具体见图1所示。

1.2 结构设计

1.2.1 上部结构

主桥采用三墩四跨V型墩预应力混凝土连续刚构，跨径布置为（54+72+72+54）m。全桥横断面双幅布置，中间悬臂采用后浇带刚性连接。单幅桥采用单箱双室箱梁，箱梁桥墩处梁高为3.3 m，中跨跨中及桥台处梁高为1.8 m。梁高按二次抛物线变化。

箱梁底宽12.25 m，顶宽17.25 m，单室净宽4.925～5.150 m，共设置三道腹板，厚度80～65 cm，顶部外侧箱梁挑臂2.5 m，箱梁顶板厚度30 cm，在V墩处为40 cm，悬臂端部厚25 cm，根部75 cm，底板厚度由跨中的30 cm增至根部的50 cm，按二次抛物线设置，并且在V墩处的厚度为50 cm。

全桥单幅设置8道横梁，除2道端横梁宽度为150 cm外，其余中横梁宽度均为2 m。

箱梁采用预应力混凝土结构。纵桥向预应力布置于腹板及顶底板，为主要受力配筋，采用12φs15.2及9φs15.2两种预应力束。腹板预应力束局部下弯形成竖向预应力体系。在桥墩横梁处设置9φs15.2预应力束以改善墩梁固结处结构受力。

箱梁采用C55混凝土。

1.2.2 下部结构

全桥半幅采用三个V墩。墩身为变宽度变厚度薄壁，墩顶宽度12.25 m，厚度1 m，墩底宽度10.45 m，厚度1.5 m。墩身内设局部竖向预应力以改善结构受力。

1号、5号桥墩采用墙式桥墩，墩厚220 cm。承台厚度为1.5 m。

承台采用 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 基础

V墩基础采用刚性扩大基础，持力层为⑤3层微风化粉砂岩。基础横桥向12.45m，顺桥向7m，高度为5.8～6.8 m。

1号、5号桥墩基础采用桩基础，桩径150 cm，基础持力层为微风化基岩层。

桩基础采用 C30水下混凝土，扩大基础采用C30混凝土。

2 主要结构设计研究

2.1 桥梁布跨

现已建成的V型墩连续刚构的边中跨之比约在0.55～0.7之间，基本与一般连续梁或连续刚构边中跨之比约为0.6相近。表1列出了几座桥梁的边中跨比。但由于V型墩连续刚构结构受力特性，对温度作用敏感，温度作用占总活载作用的40%左右，适当增加边跨而减小中跨，可减小结构受温度作用的影响。

表1 已建V型墩连续刚构桥边中跨比一览表

该桥按（54+72+72+54）m布跨，边中跨之比为0.75，有效地减小温度作用。同时由于桥位处河道两岸为斜坡防洪堤，加大边跨使得桥墩不受防洪堤影响，总体布置协调、美观。

2.2 墩身厚度及倾角

2.2.1 墩身厚度

一般情况下，连续刚构设计时为减少温度作用，总是以减小桥墩刚度来实现。在墩身高度受限的情况下，则尽量减小墩身截面尺寸。但在V型墩连续刚构设计时，由于V型墩与梁体间形成强大的三角固定结构，三角整体转动变形作用占主要部分，真正水平位移与连续刚构相比，明显变小。

该桥设计时，对墩身厚度采用100 cm、120 cm、150 cm三种情况进行计算对比，其梁体应力变动幅度仅在2 MPa以内，说明改变墩身厚度来降低桥墩刚度，从而减少温度作用影响，效果不明显。

具体在该桥设计时，墩身厚度按构造及配筋需要取定。实际墩身厚度墩顶为100 cm，墩底为150 cm，墩身宽度呈倒梯形，以减少基础尺寸。

2.2.2 V型墩倾角

V型墩倾角（墩身与水平夹角）一般在60°～45°之间，当倾角较大时更趋近于连续刚构的H型墩，结构受力也更接近于连续刚构；当倾角较小时，结构受温度作用更加明显。然而V型墩倾角的确定除受结构受力影响外，很大程度上取决于桥位处地形及河道形式，当地形开阔，河道以浅滩的形式布置时，采用较大的倾角更能体现V型墩连续刚构的刚劲之美，而当地形局促，河道设置较高防洪堤时，倾角不宜太小，否则不能与地形、地貌相协调。

根据该桥所处位置的地形、地貌及防洪堤形式，结合结构长联温度作用影响大，为尽量减小该影响，V型墩倾角采用60°。

2.3 顶板厚度

在V型墩连续刚构桥的计算过程中，往往会发生顶板应力超规范的现象，在该桥的设计时，对顶板采用25 cm、28 cm、30 cm三种情况进行计算对比，其主要断面应力变化明显。这与该种桥型结构受力特性是相符合的，即温度作用占比较大，特别在均匀升温的情况下，其中跨几乎全截面均匀受压。该桥顶板厚度实际采用30 cm。

2.4 温度作用及合拢温度选定

2.4.1 温度作用

温度作用按规范要求有均匀温度作用和梯度温度作用。梯度温度作用规范有明确要求，一般桥梁上部结构均应作为荷载进行组合，但为使这种作用效应达到最小，常采用沥青混凝土铺装层的方法。该桥桥面铺装采用10 cm沥青混凝土。

均匀温度作用对V型墩连续刚构结构受力非常敏感，其作用效应会达到全部活载效应的40%以上，在常规状态下甚至会使受压区产生拉应力。因此对该作用进行深入研究极为必要。规范给出了在缺乏实际调查资料时最高和最低有效温度标准值，在温热地区混凝土结构最高温度为34℃，最低温度为-3℃。在计算圬工拱圈时，考虑徐变作用，温差效应应乘以0.7的折减系数，但对V型墩连续刚构桥等结构并未提出要求。铁路桥规规定“计算温差应力时，对于日照温差宜采用混凝土受压弹性模量；对于降温温差宜采用0.8倍受压弹性模量”。同时规定“计算主力与温差应力组合，可不再与其它附加力组合。此时，材料容许应力可提高20%”。可见，对于梁式桥是否应考虑徐变影响对温度应力进行折减，各规范偏差较大。现阶段，为保证桥梁的安全度，往往都未进行折减。

该桥在考虑均匀温度作用时，未进行折减。另由于近年来，气温常常失常，时有暴冷暴热现象出现，局部地区最高气温已达到42℃，路面最高温度可达70℃。在如此高的温度下，很多既有桥梁也产生了因温度作用引起病害。为保证安全，该桥实际温度取值为最高45℃，最低-5℃。

2.4.2 合拢温度的选定

鉴于V型墩连续刚构桥的受力特性，温度作用效应占比较大，且在约束区梁体在均匀升降温时，其截面应力变化较均匀，因此，合理选择合拢温度意义重大。一般混凝土结构抗压性能好，而抗拉性能较差，为发挥混凝土较好的抗压性能，选择较低的合拢温度是合适的。

该桥经过试算，选定合拢温度为10℃，全桥受力性能较好地满足规范要求。

2.5 内力调整

超静定结构在合拢时可采用外力对结构内力进行调整，以使结构受力合理。一般情况下，可采用两种方法，一是在合拢口进行顶推，主要用于当合拢温度偏高时，为使结构受力符合合拢时，计算的受力状况；二是当结构受力复杂，调整预应力束很难使结构符合规范要求，可采用配重对其进行调整。该方法也可用于调整连续刚构桥及V型墩刚构桥墩身受力。

该桥采用配重方法对结构内力进行调整。在中跨合拢时，在边V墩内侧进行配重调整，经试算，取用配重1 500 kN时，结构受力满足规范要求，且V墩两墩身受力较均匀。

3 结语

V型墩连续刚构结构受力较复杂，特别是均匀温度作用影响结构受力较大，当基础为嵌岩的刚性扩大基础，且为多跨结构时，可采用适当增大边跨、增大墩身倾角及降低合拢温度等措施减小温度作用影响。适当增加顶板厚度，可充分发挥混凝土抗压能力强的优点，易于结构配置预应力钢索。在合拢时，施加配重，可调整结构内力，使结构受力合理，降低费用。

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