V形墩连续刚构桥设计参数研究

李盛家 LI Sheng-jia

（广西新发展交通集团有限公司，南宁 530029）

0 引言

V形墩连续刚构桥因其造形别致、美观，具有较高的景观效果，始终在市政桥梁的选形中占有一席之地[1，2]。作为常规连续刚构桥的变形，V形墩连续刚构桥除了造形上富有特色以外，其力学性能也发生了较大的变化。因此对其进行相关研究，本文以景观桥为背景，采用三维有限元软件建立杆系模型[3，4]，基于控制变量法对V形墩连续刚构桥的设计参数进行影响性分析[5，6]，分布研究边中跨比μ、V腿角度α、中墩约束刚度K对V形墩连续刚构桥支反力和内力的影响规律，相关工作可为类似V形墩连续刚构桥设计提供参考依据[7，8]。

1 工程概况

某景观桥采用（15+18+15）m钢筋混凝土V形墩连续刚构，V腿与竖直夹角52.5°，桥宽为12.5m。桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图（单位：mm）

2 V形墩连续刚构桥参数特性研究

2.1 边中跨比μ对结构效应的影响

提出四种不同跨径组合（12+24+12）m、（13+22+13）m、（14+20+14）m、（15+18+15）m，其对应的边中跨比μ分别为0.50、0.59、0.70、0.83，分别建立有限元模型分析得到各自的结构效应。

①不同边中跨比μ对V形墩连续刚构桥边墩和中墩支反力的影响，结果如图2所示。

图2 边中跨比μ对边墩和中墩支反力的影响

由图2可见，当边中跨比μ逐渐增大时，中墩支反力有减小的趋势，而边墩支反力有增大的趋势。当边中跨比过小时，边墩在最小标准组合作用下可能出现负反力，即在实际结构中表现为支座脱空，这将对结构的安全使用产生影响。因此在设计过程中不宜选取过小的边中跨比。

②不同边中跨比μ对V形墩连续刚构桥中墩墩底水平力和弯矩的影响见图3。

图3 边中跨比μ对中墩墩底水平力和弯矩的影响

由图3可以得到，边中跨比μ增大时，中墩墩底水平力先减小，再增大；而中墩墩底弯矩则始终呈现减小的趋势。从具体数值上分析，墩底水平力由4100kN减小到4030kN再增大到4140kN，变化幅度很小，在工程中几乎可以忽略不计；而中墩墩底弯矩则减小了10%。由此可见，在实际的设计中，适当选取较大的边中跨比能够降低中墩墩底弯矩，这对于中墩桩基的受力是有利的，同时也能够降低桩基的造价。

2.2 V腿角度α对结构效应的影响

提出四种不同V腿竖向夹角α为45°、50°、55°、60°，分别建立有限元模型分析得到各自的结构效应。

①不同V腿角度α对V形墩连续刚构桥边墩和中墩支反力的影响见图4。

图4 V腿角度α对边墩和中墩支反力的影响

由图4可见，当V腿角度逐渐增大时，中墩反力逐渐增大而边墩反力逐渐减小。若V腿角度过大，在最不利荷载组合作用下，边墩有可能出现负反力，即支座脱空，将对结构的安全使用产生不利影响。因此在设计时，不宜采用过大的V腿角度。

②不同V腿角度α对V形墩连续刚构桥中墩墩底水平力和弯矩的影响见图5。

图5 V腿角度α对中墩墩底水平力和弯矩的影响

由图5可以看出，当V腿角度增大时，中墩墩底的水平力和弯矩呈现出增大的趋势。具体来看，中墩墩底的水平力比墩底弯矩对V腿角度的变化更为敏感。当V腿角度由45°增大到60°时，中墩墩底水平力增大了25%，而中墩墩底弯矩仅增大了5%。但从数值上分析，中墩墩底弯矩较大而水平力较小，对于基础，仍需按压弯构件进行强度设计。

2.3 中墩约束刚度K对结构效应的影响

分别计算中墩约束刚度K为0.5K、1.0K、1.5K、2.0K的有限元模形（其中K为本设计中采用的单排桩等效约束刚度），得到各自的结构效应。

①不同中墩约束刚度K对V形墩连续刚构桥边墩和中墩支反力的影响见图6。

图6 中墩约束刚度K对边墩和中墩支反力的影响

由图6可见，不同的中墩约束刚度对于结构支反力的影响很小，都在3%以内，以至于在图中变化趋势很不明显。这样的变化幅度，在工程中可以几乎可以忽略，因此在设计中可以不考虑中墩约束刚度对于结构支反力的影响。

②不同中墩约束刚度K对V形墩连续刚构桥中墩墩底水平力和弯矩的影响见图7。

图7 中墩约束刚度K对中墩墩底水平力和弯矩的影响

由图7可以得到，当中墩约束刚度增大时，中墩墩底水平力和弯矩都显著增大。具体分析，中墩墩底水平力增大了100%，而中墩墩底弯矩增大了177%。数据表明中墩墩底弯矩对约束刚度更为敏感，并且约束刚度越强，对于基础的受力越不利。

3 结论

文章采用三维有限元软件建立杆系模型，基于控制变量法对V形墩连续刚构桥的设计参数进行影响性分析，得到以下结论：①边中跨比μ增大或V腿角度α减小，会减小中墩支反力，增大边墩支反力。中墩墩底约束刚度的变化对于结构支反力几乎没有影响。对于V形刚构这种结构体系，本身就存在中墩反力远大于边墩反力的特点，因此在最不利情况下，边墩有可能出现负反力即支座脱空的现象。所以，在结构设计时，应首先考虑采用较大的边中跨比μ或较小的V腿角度α。②中墩约束刚度K增大使中墩墩底水平力增大最多（约100%），V腿角度α对其的影响次之（约25%），边中跨比μ则几乎没有影响（约3%）。与此同时，中墩约束刚度K增大也使中墩墩底弯矩增大最多（约177%），且增幅大于墩底水平力的增幅，边中跨比μ对墩底弯矩的影响次之（约10%），而V腿角度α对其影响较小（约5%）。墩底水平力和弯矩对于中墩基础的设计具有重要影响。而中墩基础的形式又会直接影响中墩墩底的约束刚度。因此，在设计V形墩连续刚构桥的中墩基础时，采用约束刚度较小的单排桩或梅花桩形式，对于整个基础的受力都是有利的。同时，采用较大的边中跨比μ或较小的V腿角度α，也对中墩基础有积极的影响。