九龙大桥V型钢骨混凝土桥墩计算分析

张树清，尹　超

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥　230088）

九龙大桥V型钢骨混凝土桥墩计算分析

张树清，尹超

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥230088）

九龙大桥为连续刚构桥，采用V型桥墩。V型桥墩抗推刚度较大，结构整体计算分析时，发现桥墩存在较大弯曲内力。为使结构安全，参照相关规范对桥墩配置一定型钢骨架，使其形成钢骨混凝土结构。对钢骨混凝土桥墩截面抗弯、截面抗剪、裂缝宽度进行计算和分析，并根据计算结果对该桥V型墩设计方案进行评价。

V型桥墩；抗推刚度；抗弯；抗剪；裂缝

1　工程概况

浙江省丽水市莲都区丽龙高速公路南山互通式立交至丽新乡的公路是连接丽水莲都区碧湖镇南山和丽新乡的主要县级公路。该路按1级公路设计，汽车荷载公路-I级，人群荷载2.5 kN/m2。九龙大桥是南山至高溪段中的控制性工程。该桥位于大溪流域及九龙湿地公园区，主桥主跨为80 m+140 m+ 80 m V型墩刚构。主梁为预应力混凝土箱梁，单箱单室、直腹板截面，主墩墩身采用V型钢骨架混凝土（SRC）实体墩。主桥采用挂篮对称悬臂浇筑法施工，引桥采用预制拼装法施工。

九龙大桥主墩采用V型实体墩，如图1所示。V型墩两斜肢截面为钢骨混凝土（SRC）结构，两斜肢与竖直线的夹角为35°；斜肢横桥向宽度与箱梁底板宽度相同，为7.0 m，撑体厚1.6 m，设置10 cm角；V型墩与主梁梁底交接处采用圆弧过渡，同时为避免刚度产生较大的突变，在V型墩与承台固结处设置宽5.0 m实体段，与承台交接处设置1 m×1 m的倒角。

图1　V型墩立面示意

由于V型桥墩抗推刚度较大，故对九龙大桥进行结构整体计算分析时，发现桥墩存在较大弯曲内力。为了满足结构受力要求，九龙大桥V型桥墩两斜肢截面采用钢骨混凝土结构，每斜肢截面内布置9根焊接工字钢，工字钢标准间距70 cm。根据焊接工字钢受力大小，其翼缘厚度分为3大块，即V撑与梁交接处厚30 mm，V撑与墩交接处厚30 mm，其它部位厚20 mm；其腹板厚度分为3大块，即V撑与梁交接处厚16 mm，V撑与墩交接处厚16 mm，其它部位厚14 mm。焊接工字钢之间采用L63×6 mm角钢进行横向连接，且其上下翼缘外侧均设置Ф22 mm（长100 mm）的剪力钉，以增大其与混凝土之间的握裹能力。施工过程中，焊接工字钢也起劲性骨架作用。V型墩布置9组焊接工字钢，桥墩断面布置228根Ф28 mm钢筋，横桥向单侧布置96根主筋。桥墩型钢截面布置型式如图2所示。

图2　桥墩型钢布置截面示意

2　计算参数

九龙大桥桥墩混凝土采用C50混凝土，其弹性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比νc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01，轴心抗压强度标准值fck= 32.4 MPa，抗拉强度标准值ftk=2.65 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=22.4 MPa，抗拉强度设计ftd= 1.83 MPa。型钢骨架采用 Q235C钢，其弹性模量Es=2.1×105MPa，泊松比νs=0.3，温度线膨胀系数为1.2e-5［1］。

3　计算荷载

由于九龙大桥桥梁规模较大，施工过程复杂，施工工况较多，故设计时对V型刚构桥整体模型进行了计算，以分析桥墩最不利受力位置，提取最不利位置处节点内力，并将此内力作为计算荷载。最不利截面内力如表1所示。

表1　控制截面内力

4　计算方法

根据YB 9082—2006《钢骨混凝土结构设计规程》［2］，钢骨混凝土构件指配置钢骨并按规定配置柔性钢筋的混凝土构件，包括钢骨混凝土梁、钢骨混凝土柱、钢骨混凝土剪力墙和钢骨混凝土筒体等结构构件。钢骨指具有刚度和承载力并配置于混凝土构件中的钢构件，可采用钢板材或型材焊接拼制形成，也可直接采用轧制钢型材。钢骨分为实腹式和空腹式2种形式，YB 9082—2006主要适用于实腹式钢骨。钢骨混凝土计算分混凝土中钢骨部分计算和钢筋计算，二者须分别计算，并按叠加原理建立承载力和刚度的计算公式。

根据JGJ 138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》［3］，型钢混凝土组合结构指混凝土内配置型钢和钢筋的结构，其由混凝土、型钢、纵向钢筋和箍筋组成，型钢可采用焊接型钢和轧制型钢。JGJ 138—2001是以钢筋混凝土理论为基础、以试验研究成果为依据建立的。JGJ 138—2001中型钢混凝土组合结构的设计思路基本与我国钢筋混凝土结构的设计方法相一致。

经对九龙大桥结构进行分析、计算，认为连续刚构桥V型墩内配置钢骨料更符合钢骨混凝土构件，因此本文主要按YB 9082—2006进行计算，并用JGJ 138—2001相关条文进行校核。

由于V型桥墩承受的弯矩较大，故可将其简化为上下固结的梁结构，设计时主要按钢骨混凝土梁结构进行计算。由于分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力在离荷载作用区稍远处，基本上只与荷载的合力和合力矩有关，且荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布［4-5］，因此，控制截面区域的应力分布只与其附近区域的受力状态有关，可以弱化远离该区域构件对其的影响。本文选取九龙大桥V型墩计算最不利截面并提取该节点内力，按钢骨混凝土结构进行计算。

对于钢骨混凝土偏心受压构件而言，在加载后期，由于型钢与混凝土之间发生粘结滑移，混凝土不断开裂、剥落，故在两者截面会发生突变，出现应力重新分布，型钢受压翼缘的压应变增加，接触面混凝土压应变减小；另一方面，型钢受拉翼缘的拉应变会增加，接触面混凝土的拉应变会减小［6］，应变分布表现出一定的非线性性质。通常为了简化计算，可以考虑采用一个修正的平截面，即认为试件达到极限承载力状态时，混凝土、型钢及钢筋的应变沿截面高度仍呈线性变化［7］。本文计算时，桥墩截面符合平截面假定，混凝土、钢材、钢筋均按线弹性受力计算。

4.1桥墩抗弯计算钢骨部分受弯承载力按下列公式计算：

钢筋部分的受弯承载力按下列公式计算：

结构抗力大于内力，故总受弯承载力满足规范要求。

4.2桥墩抗剪计算

钢骨混凝土梁斜截面受剪承载力应满足Vb≤其中：Vb为梁的剪力设计值为梁中钢骨部分的受剪承载力为梁中钢筋混凝土部分的受剪承载力。

钢骨部分受剪承载力按下列公式计算：

式中：tw为钢骨腹板厚度为钢骨腹板高度为钢骨腹板抗剪强度设计值

钢筋部分受剪承载力按下列公式计算：

式中：ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，ft=2 MPa； bb为截面宽度为钢筋混凝土部分截面有效高度为箍筋抗拉强度，为箍筋面积和为箍筋间距，s=100 cm。

4.3桥墩裂缝宽度计算

鉴于混凝土材料具有非均匀性，构件裂缝开展存在随机性，其中裂缝位置、间距及宽度均为随机变量且受诸多因素影响，因此，为便于计算和分析，本文假定构件截面符合平截面假定，混凝土、型钢及钢筋均在弹性范围内工作，开裂截面不考虑混凝土的受拉作用，非开裂截面受拉区混凝土应力均匀分布［8］。

对钢骨混凝土梁最大裂缝宽度进行验算。对于钢骨为对称配置截面的钢骨混凝土梁，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度进行验算，验算公式如下：

5　结束语

本文对九龙大桥V型钢骨混凝土桥墩截面抗变、截面抗剪、裂缝宽度进行了计算和分析，并将按YB 9082—2006和JGJ 138—2001要求得到的计算结果进行了比较，结果表明：

1）钢骨混凝土桥墩抗弯承载力大于结构弯曲内力，受弯承载力满足规范要求。

2）钢骨混凝土桥墩抗剪承载力大于结构剪切内力，受剪承载力满足规范要求。

3）钢骨混凝土规范和型钢混凝土规范裂缝计算公式相似。

4）2种规范最大区别在于“考虑型钢翼缘作用的钢筋应变不均匀系数Ψ”不同。

5）长期荷载作用下钢骨混凝土裂缝宽度计算可采用采用钢筋混凝土梁长期裂缝宽度的取值方法，即在短期荷载作用下的裂缝宽度计算公式基础上并考虑长期影响的扩大系数乘以1.5。

YB 9082—2006是以日本规范为基础，忽略了型钢和混凝土之间的粘接作用，仅是单独计算型钢和钢筋混凝土部分，并按叠加原理建立承载力和刚度的计算公式。YB 9082—2006实际应用比较方便，且计算简单，可操作性强，但设计结果偏于保守。

［1］中交公路规划设计院.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］冶金工业部建筑研究总院.YB 9082—2006钢骨混凝土结构设计规程［S］.北京：冶金工业出版社，2006.

［3］中国建筑科学研究院.JGJ 138—2001型钢混凝土组合结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［4］王军文，宋晓东，张文学，等.石板坡大桥墩梁固结点局部应力分析［J］.国防交通工程与技术，2007 （1）：30-32.

［5］张树清.矮塔斜拉桥塔-梁-墩固结局部分析［J］.交通科技，2015（5）：46-47.

［6］郑山锁，李磊.型钢高强高性能混凝土结构基本性能与设计［M］.北京：科学出版社，2012.

［7］叶列平.钢骨混凝土柱设计方法［J］.建筑结构，1997 （5）：8-12.

［8］王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算［M］.北京：科学出版社，2005.

Calculation&Analysis to V-Shaped Reinforced Bar Concrete Pier of Jiulong Bridge

ZHANG Shuqing，YIN Chao

Jiulong Bridge is a continuous rigid frame bridge adopting V-shaped piers.V-shaped pier has good anti-thrust rigidity，in structural integral calculation&analysis，it is found that the piers have relatively big bending force.For structural safety，in accordance with relevant regulations，a shaped steel frame is used to form a steel bar concrete structure.This paper then carries out calculation and analysis to sectional anti-bending，sectional anti-shearing，crack width of steel bar concrete pier，and evaluates the V-shaped pier design of this bridge according to the calculation result.

V-shaped pier；anti-thrust rigidity；anti-bending；anti-shearing；crack

1009-6477（2016）04-0064-04

U443.22

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.014

2016-03-17

张树清（1983-），男，安徽省阜南县人，硕士，工程师。