V型墩连续刚构桥受力特性分析

徐治芹 马春佳

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

0 引言

V型墩连续刚构桥外形轻巧、美观、新颖，结构受力性能良好，兼有拱桥和梁桥的特点，桥梁景观效果好，已成为现在比较流行的一种桥型[1]。尤其在景观要求较高的地区，出现了大量的V型墩连续刚构桥。

虽然此种桥型已建成很多，但其设计、施工中依然存在较多问题，比如：V型墩的施工方法、局部节点构造形式的确定、水平力引起的拉应力过大问题等。其中由整体升降温等产生的水平力对桥梁结构产生过大拉应力的问题是较为突出的问题之一。

1 概况

V型墩连续刚构桥属于墩梁固结体系，桥梁纵向刚度较大[2]。影响其纵向刚度的主要因素有斜腿厚度、竖墩厚度、竖墩高度以及墩底连接形式等，本文以一座典型的三跨预应力混凝土V型墩连续刚构桥为实例，建立有限元模型，分析上述四种因素对桥梁受力的影响，并结合其它条件，探讨优化设计的措施。

昆独仑三号桥位于鄂尔多斯市中央大道上，主桥长220 m，跨径布置为（60+100+60）m，为一座V型墩连续刚构桥。桥梁全宽42 m，分左右幅，单幅桥宽19.5 m，中央分隔带宽3 m。主桥结构简图如图1所示[3]。

2 有限元分析模型

图1 桥梁立面简图（单位：m）

由于该桥主梁及V型墩的长细比较大，并且结构对称规整，对于分析主桥纵向刚度，采用平面杆系有限元软件进行计算是合理的[4]。计算模型共划分268个梁单元，8个刚臂，如图2所示。

图2 有限元计算模型

模型中各部位尺寸及钢绞线线形、参数依照该桥原设计参数输入，具体为：边跨梁高由3 m渐变高4.5 m，中跨梁高最矮处3 m。截面为箱型截面，单箱四室。V型腿厚度2 m，宽度15.5 m，与水平方向夹角55°。竖墩厚度4 m，宽度15.5 m。边界条件为：两端为滑动支座，两个V型墩底初始设为固结。

模型施加荷载主要有：（1）自重：软件自动计算，集度为26 kN/m3。（2）二期恒载：主要为桥面铺装、防撞护栏、人行道板及栏杆，用线荷载模拟。（3）活载：公路I级，单幅桥布置4车道，偏载系数取1.2，并考虑1.3倍的放大系数；人群荷载3 kN/m2，单幅桥单侧布置人行道，宽度4 m。

3 各影响因素计算结果对比分析

3.1 斜腿厚度的影响

V型墩两个斜腿的厚度直接影响V型墩的整体刚度，从而影响桥梁整体的受力性能。以初始模型中其他条件不变，V型墩斜腿厚度分别取1 m、1.5 m、2 m和3 m来进行对比分析。

对比内容为主梁和V型墩的控制设计指标：（1）短期效应组合下，主梁上下缘最大拉应力；（2）标准组合下，主梁上下缘最大压应力；（3）短期效应组合下，V型墩斜腿的裂缝宽度；（4）承载能力极限状态下，V型墩斜腿的强度。

对比结果如图3～6所示：

图3 主梁上下缘最大拉应力（单位:MPa）

图4 主梁上下缘最大压应力（单位:MPa）

图5 斜腿最大裂缝宽度（单位:mm）

图6 斜腿最大抗力及对应内力（单位:kN·m）

从以上图中数据可知：随着斜腿厚度的增大，（1）主梁下缘最大拉应力变化不大，上缘最大拉应力随之增大；（2）主梁上下缘最大压应力变化不大；（3）斜腿裂缝宽度随之增大；（4）承载能力极限状态下，斜腿强度随着厚度增大而增大，均满足要求。

3.2 竖墩厚度的影响

竖墩厚度也是V型墩刚度的影响因素之一。以初始模型中其他条件不变，竖墩厚度分别取3m、4 m、5 m和6 m来进行对比分析。

对比内容为：（1）短期效应组合下，主梁上下缘最大拉应力；（2）标准组合下，主梁上下缘最大压应力；（3）短期效应组合下，V型墩竖墩及斜腿的裂缝宽度；（4）承载能力极限状态下，V型墩竖墩的强度。

对比结果如图7～图10所示。

图7 主梁上下缘最大拉应力（单位:MPa）

图8 主梁上下缘最大压应力（单位:MPa）

图9 竖墩及斜腿最大裂缝宽度（单位:mm）

图10 竖墩最大抗力及对应内力（单位:kN·m）

从以上图中数据可知：随着竖墩厚度的增大，（10主梁上下缘最大拉应力均随之增大；（2）主梁上下缘最大压应力变化不大；（3）斜腿裂缝宽度随之增大，竖墩裂缝宽度变化不大；（4）承载能力极限状态下，竖墩的强度均满足要求，只是随着厚度增大，竖墩强度增大。

3.3 竖墩高度的影响

以初始模型中其他条件不变，竖墩高度分别取4 m、6 m、7 m、10 m来进行对比分析。

对比内容为：（1）短期效应组合下，主梁上下缘最大拉应力；（2）标准组合下，主梁上下缘最大压应力；（3）短期效应组合下，V型墩竖墩及斜腿的裂缝宽度；（4）承载能力极限状态下，V型墩竖墩的强度。

对比结果如图11～14所示：

图11 主梁上下缘最大拉应力（单位:MPa）

图12 主梁上下缘最大压应力（单位:MPa）

图13 竖墩及斜腿最大裂缝宽度（单位:mm）

图14 竖墩最大抗力及对应内力（单位:kN·m）

从以上图中数据可知：随着竖墩高度的增大，（1）主梁上下缘最大拉应力均随之减小；（2）主梁上下缘最大压应力变化不大；（3）斜腿裂缝宽度随之减小，竖墩裂缝宽度随之增大；（4）承载能力极限状态下，竖墩的强度均满足要求，只是随着高度增大，竖墩内力随之减小。

3.4 墩底连接形式的影响

为改善V型墩刚构桥的顺桥向刚度，将墩底做成铰接形式是一个可供尝试的方法。以初始模型中其他条件不变，墩底连接形式分别设为刚接和铰接两种，来进行对比。

对比内容为：（1）短期效应组合下，主梁上下缘最大拉应力；（2）标准组合下，主梁上下缘最大压应力；（3）短期效应组合下，V型墩竖墩及斜腿的裂缝宽度；（4）主梁变形。

对比结果如表1所示：

表1 V型墩底刚接与铰接对结构的影响对比表

从上表中数据可知：墩底设铰，则（1）主梁上下缘最大拉应力未出现；（2）主梁上下缘最大压应力变化不大；（3）斜腿裂缝宽度明显减小；（4）主梁变形明显减小。

4 结语

（1）合理减小V型墩斜腿及竖墩厚度，可有效减小全桥纵向刚度，优化全桥受力状况。但也应注意斜腿及竖墩厚度的减小对其本身强度、稳定性及变形的影响；同时也应注意下部构件尺寸与上部构件尺寸的外观协调性，避免出现“头重脚轻”的情况。

（2）增大V形墩竖墩高度，可优化全桥纵向刚度。竖墩高度不仅由结构受力性能控制，同时也受结构的外形、地形条件、标高等因素控制，具体设计中应结合所有条件全方位综合考虑，选取最优墩高。

（3）将V型墩底设置为铰接，释放弯矩约束，墩底可转动，全桥受力状况可明显改善，特别是由整体升降温等引起的水平力对桥梁的作用会明显降低。但受力铰构造十分复杂，且跨径越大，对设计、施工要求越高；同时因铰处于墩底，容易受水腐蚀，后期维护成本较高，因此，对于跨径不太大的V型墩刚构桥可以考虑运用；大跨径V型墩刚构桥建议优先考虑其他改善水平刚度的做法。

总之，改善V型墩连续刚构桥对水平力的承受能力，应结合其实际情况，考虑采用以上一种或几种方式来优化桥梁的纵向刚度，使桥梁受力更趋合理。

[1]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]赵会东，李承根.V形支撑连续刚构组合梁桥合拢段设计[J].桥梁建设，2002(5)：39-42.

[3]中国市政工程华北设计研究总院有限公司.鄂尔多斯市东胜铁西三期开发片区市政基础设施工程昆独仑3号桥施工图[Z].天津：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，2010.

[4]宋雨，项贻强，徐兴，等.预应力混凝土V型墩连续刚构箱梁桥的空间分析[J].中国市政工程，2003(2)：28-30.