V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)參數(shù)研究

李盛家 LI Sheng-jia

（廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，南寧 530029）

0 引言

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋因其造形別致、美觀，具有較高的景觀效果，始終在市政橋梁的選形中占有一席之地[1，2]。作為常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋的變形，V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋除了造形上富有特色以外，其力學(xué)性能也發(fā)生了較大的變化。因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究，本文以景觀橋?yàn)楸尘?，采用三維有限元軟件建立桿系模型[3，4]，基于控制變量法對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響性分析[5，6]，分布研究邊中跨比μ、V腿角度α、中墩約束剛度K對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋支反力和內(nèi)力的影響規(guī)律，相關(guān)工作可為類似V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[7，8]。

1 工程概況

某景觀橋采用（15+18+15）m鋼筋混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)，V腿與豎直夾角52.5°，橋?qū)挒?2.5m。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

2 V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋參數(shù)特性研究

2.1 邊中跨比μ對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

提出四種不同跨徑組合（12+24+12）m、（13+22+13）m、（14+20+14）m、（15+18+15）m，其對(duì)應(yīng)的邊中跨比μ分別為0.50、0.59、0.70、0.83，分別建立有限元模型分析得到各自的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

①不同邊中跨比μ對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩和中墩支反力的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 邊中跨比μ對(duì)邊墩和中墩支反力的影響

由圖2可見，當(dāng)邊中跨比μ逐漸增大時(shí)，中墩支反力有減小的趨勢(shì)，而邊墩支反力有增大的趨勢(shì)。當(dāng)邊中跨比過(guò)小時(shí)，邊墩在最小標(biāo)準(zhǔn)組合作用下可能出現(xiàn)負(fù)反力，即在實(shí)際結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為支座脫空，這將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用產(chǎn)生影響。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中不宜選取過(guò)小的邊中跨比。

②不同邊中跨比μ對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖3。

圖3 邊中跨比μ對(duì)中墩墩底水平力和彎矩的影響

由圖3可以得到，邊中跨比μ增大時(shí)，中墩墩底水平力先減小，再增大；而中墩墩底彎矩則始終呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。從具體數(shù)值上分析，墩底水平力由4100kN減小到4030kN再增大到4140kN，變化幅度很小，在工程中幾乎可以忽略不計(jì)；而中墩墩底彎矩則減小了10%。由此可見，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，適當(dāng)選取較大的邊中跨比能夠降低中墩墩底彎矩，這對(duì)于中墩樁基的受力是有利的，同時(shí)也能夠降低樁基的造價(jià)。

2.2 V腿角度α對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

提出四種不同V腿豎向夾角α為45°、50°、55°、60°，分別建立有限元模型分析得到各自的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

①不同V腿角度α對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩和中墩支反力的影響見圖4。

圖4 V腿角度α對(duì)邊墩和中墩支反力的影響

由圖4可見，當(dāng)V腿角度逐漸增大時(shí)，中墩反力逐漸增大而邊墩反力逐漸減小。若V腿角度過(guò)大，在最不利荷載組合作用下，邊墩有可能出現(xiàn)負(fù)反力，即支座脫空，將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用產(chǎn)生不利影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，不宜采用過(guò)大的V腿角度。

②不同V腿角度α對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖5。

圖5 V腿角度α對(duì)中墩墩底水平力和彎矩的影響

由圖5可以看出，當(dāng)V腿角度增大時(shí)，中墩墩底的水平力和彎矩呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。具體來(lái)看，中墩墩底的水平力比墩底彎矩對(duì)V腿角度的變化更為敏感。當(dāng)V腿角度由45°增大到60°時(shí)，中墩墩底水平力增大了25%，而中墩墩底彎矩僅增大了5%。但從數(shù)值上分析，中墩墩底彎矩較大而水平力較小，對(duì)于基礎(chǔ)，仍需按壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.3 中墩約束剛度K對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

分別計(jì)算中墩約束剛度K為0.5K、1.0K、1.5K、2.0K的有限元模形（其中K為本設(shè)計(jì)中采用的單排樁等效約束剛度），得到各自的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

①不同中墩約束剛度K對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩和中墩支反力的影響見圖6。

圖6 中墩約束剛度K對(duì)邊墩和中墩支反力的影響

由圖6可見，不同的中墩約束剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)支反力的影響很小，都在3%以內(nèi)，以至于在圖中變化趨勢(shì)很不明顯。這樣的變化幅度，在工程中可以幾乎可以忽略，因此在設(shè)計(jì)中可以不考慮中墩約束剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)支反力的影響。

②不同中墩約束剛度K對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋中墩墩底水平力和彎矩的影響見圖7。

圖7 中墩約束剛度K對(duì)中墩墩底水平力和彎矩的影響

由圖7可以得到，當(dāng)中墩約束剛度增大時(shí)，中墩墩底水平力和彎矩都顯著增大。具體分析，中墩墩底水平力增大了100%，而中墩墩底彎矩增大了177%。數(shù)據(jù)表明中墩墩底彎矩對(duì)約束剛度更為敏感，并且約束剛度越強(qiáng)，對(duì)于基礎(chǔ)的受力越不利。

3 結(jié)論

文章采用三維有限元軟件建立桿系模型，基于控制變量法對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響性分析，得到以下結(jié)論：①邊中跨比μ增大或V腿角度α減小，會(huì)減小中墩支反力，增大邊墩支反力。中墩墩底約束剛度的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)支反力幾乎沒(méi)有影響。對(duì)于V形剛構(gòu)這種結(jié)構(gòu)體系，本身就存在中墩反力遠(yuǎn)大于邊墩反力的特點(diǎn)，因此在最不利情況下，邊墩有可能出現(xiàn)負(fù)反力即支座脫空的現(xiàn)象。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮采用較大的邊中跨比μ或較小的V腿角度α。②中墩約束剛度K增大使中墩墩底水平力增大最多（約100%），V腿角度α對(duì)其的影響次之（約25%），邊中跨比μ則幾乎沒(méi)有影響（約3%）。與此同時(shí)，中墩約束剛度K增大也使中墩墩底彎矩增大最多（約177%），且增幅大于墩底水平力的增幅，邊中跨比μ對(duì)墩底彎矩的影響次之（約10%），而V腿角度α對(duì)其影響較?。s5%）。墩底水平力和彎矩對(duì)于中墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有重要影響。而中墩基礎(chǔ)的形式又會(huì)直接影響中墩墩底的約束剛度。因此，在設(shè)計(jì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的中墩基礎(chǔ)時(shí)，采用約束剛度較小的單排樁或梅花樁形式，對(duì)于整個(gè)基礎(chǔ)的受力都是有利的。同時(shí)，采用較大的邊中跨比μ或較小的V腿角度α，也對(duì)中墩基礎(chǔ)有積極的影響。