多跨連續(xù)V形剛構(gòu)橋設(shè)計分析

王少峰 宋麗 郭憶

1 概述

剛構(gòu)橋是指上部承重的梁、板與墩、臺的柱式墻壁整體結(jié)合在一起的一種橋梁結(jié)構(gòu)。其構(gòu)思是利用墩臺與上部結(jié)構(gòu)的固結(jié)構(gòu)造,使跨中彎矩減小,同時在墩、臺與梁結(jié)合處產(chǎn)生彎矩與推力,在同樣同行荷載與使用同樣建筑材料下,剛構(gòu)橋的單跨跨徑可以加大并減小梁高。剛構(gòu)橋因橋墩的形式不同可分為門式剛構(gòu)、斜腿剛構(gòu)、T形剛構(gòu)、V形剛構(gòu)等。

近年來隨著我國橋梁事業(yè)的發(fā)展,V形剛構(gòu)橋被廣泛采用。如浙江省淳安縣千島湖大橋(70+7×105+70+40)m,桂林漓江大橋(67.5+95+67.5)m等。V形剛構(gòu)橋減少了支點和跨中彎矩值,降低了梁高,節(jié)約了材料;同時結(jié)構(gòu)輕盈、線條流暢、造型美觀,成為經(jīng)濟實用的景觀橋梁的又一合理選擇。

2 天泉湖大橋設(shè)計特點分析

天泉湖大橋位于國家4A級景區(qū)鐵山寺國家森林公園天泉湖景區(qū)內(nèi),盱眙縣城南側(cè),湖面寬度約160 m,采用(28+5×40+28)m連續(xù)V形剛構(gòu)體系。

通過計算我們發(fā)現(xiàn),V形墩的采用使得構(gòu)造既有梁的特征,也具有拱的特點。雖能使上部構(gòu)造減小,但受力狀態(tài)也發(fā)生了較大變化。在結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、整體溫度、收縮、徐變、活載的作用下,主墩墩底會產(chǎn)生較大的水平力和彎矩,特別是主墩豎直高度較小、多跨連續(xù)時,影響尤為嚴(yán)重。這種水平力和彎矩會對剛構(gòu)的受力狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響,同時會造成基礎(chǔ)的規(guī)模大大增加,必須在設(shè)計過程中采取合理的措施,予以解決。

1)確定合理的邊、中跨跨度。通過計算并查閱大量文獻(xiàn)資料,并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況,確定大橋邊跨長28 m,中跨長40 m,邊跨∶中跨=0.7,接近最佳比例0.6。2)確定墩身合理傾角。經(jīng)計算并查閱大量文獻(xiàn)資料,發(fā)現(xiàn)隨著墩身傾角的擴大,主梁彎矩、拉力變化不大,但主梁軸向壓力迅速增大,對主梁受力有利,與此同時主墩下部的水平力也在增加,對基礎(chǔ)不利,傾角又不宜過大,合理范圍為35°～45°,本橋墩身傾角采用 40°。3)確定梁高及墩身厚度。考慮到本橋主跨跨徑不大,采用較小的梁高,不便于施工,結(jié)合連續(xù)梁的高跨比,確定本橋采用等截面梁高1.7 m,高跨比約為1/23。V形墩墩身由于軸力較大,彎矩較小,斜腿截面高度可比主梁適當(dāng)減小。通常斜腿下端可采用跨中梁高的0.4倍～0.8倍,斜腿上端可采用斜腿下端的1.2倍～1.5倍。本橋斜腿下端截面高0.8 m,斜腿上端截面高1.0 m。4)合理布置預(yù)應(yīng)力鋼束。本橋在設(shè)計過程中采用部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計理論,減小結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力,減小梁體彈性壓縮,同時也減小了結(jié)構(gòu)后期收縮徐變;全橋合龍后,通過在邊跨施加部分預(yù)應(yīng)力調(diào)整結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。5)確定合理的合龍方式及施工步驟。計算及文獻(xiàn)資料表明,先中跨后邊跨的合龍方式可有效的減小墩底的水平力及彎矩,同時采用逐段施工的方式也可以有效的減少預(yù)應(yīng)力及收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力,本橋施工順序及合龍方式均采用上述方法實施。6)合理選擇鉸的位置。文獻(xiàn)資料顯示如將V形墩的下端視為固定,則單孔橋為9次超靜定結(jié)構(gòu),以后每增加一孔就增加6次超靜定。超靜定次數(shù)過多,溫度變化、收縮徐變等造成附加內(nèi)力增大。為了消除這種影響,可選擇設(shè)置鉸,降低超靜定次數(shù),從而減少附加內(nèi)力。鉸可以設(shè)置在主梁上,也可以設(shè)置在墩上,我們分別對兩種情況進行了對比計算,計算結(jié)果見表1,表2。表中數(shù)據(jù)顯示無論是將鉸設(shè)置在墩底還是主梁上,隨著超靜定次數(shù)的降低,均可以有效降低溫度、收縮、徐變等產(chǎn)生的附加內(nèi)力。改善主梁受力狀況,減小基礎(chǔ)規(guī)模。雖然兩種方法都可以滿足結(jié)構(gòu)的使用要求,但是天泉湖大橋所處位置為水庫,水面高低起伏較大,最低最高水位相差近9 m,如在墩底設(shè)置支座(鉸),不僅外形美觀受到影響,而且支座的養(yǎng)護、維修、替換也存在較大問題,解決難度大,費用高。

表1 主墩墩底設(shè)鉸墩底內(nèi)力、主梁應(yīng)力對比表

表2 主梁設(shè)鉸墩底內(nèi)力、主梁應(yīng)力對比表

經(jīng)計算,本橋牛腿(鉸)設(shè)置在距離主墩中心14 m處,接近跨徑1/4(10 m)的位置。牛腿(鉸)處撓度僅1 cm,滿足規(guī)范要求,對行車舒適度影響極小,取得了良好的效果。

3 天泉湖大橋設(shè)計計算

經(jīng)過上述比較最終天泉湖大橋設(shè)計如下:主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土等截面單箱單室連續(xù)箱梁,箱梁梁高1.7 m,V腿與箱梁交接處按圓弧變化,梁高按直線變化,梁端橫梁為1.0 m厚,墩頂橫梁為1.5 m厚,箱梁在橫橋向底板保持水平,箱梁頂板設(shè)2%的雙向橫坡。腹板斜率為2.48保持不變,主橋箱梁采用縱向預(yù)應(yīng)力體系。箱梁頂板厚度為0.25 m;底板厚度由跨中的0.25 m漸變至墩頂處0.5 m;腹板厚度由跨中0.5 m漸變至墩頂處為0.7 m;均隨梁高變化段按直線變化。主橋上部采用少支架逐聯(lián)逐段施工,縱向預(yù)應(yīng)力分段分批張拉。全橋由中間至兩側(cè)逐漸合龍。主橋縱向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.2規(guī)格的鋼絞線束,OVM錨固體系,鋼束張拉錨下控制應(yīng)力采用 σk=0.75Rby。其中,腹板束為 Φs15.2-15,頂、底板束為Φs15.2-9。預(yù)應(yīng)力管道均采用金屬波紋管成型。

主墩采用V形墩造型,墩身厚度為墩頂1.0 m直線變化到墩底0.8 m,寬度為墩頂5 m變化到墩底4 m(見圖1)。

主橋結(jié)構(gòu)靜力分析采用《橋梁博士3.2》進行計算,計算時考慮基礎(chǔ)與箱梁的共同作用,按集成剛度的原理,將本橋柔性樁基礎(chǔ)模擬為雙柱的支撐形式。計算中按有關(guān)規(guī)范規(guī)定對各種荷載進行不同的荷載組合,分別對結(jié)構(gòu)施工和使用階段的強度、應(yīng)力和剛度做了驗算。計算結(jié)果符合現(xiàn)行規(guī)范要求,能夠滿足使用需要。

4 結(jié)語

V形墩剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)輕盈、造型優(yōu)美、受力合理、節(jié)省投資,適合作為景觀橋型使用,但由于其為多次超靜定結(jié)構(gòu),在墩高不能滿足的情況下,受結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、整體溫度、收縮、徐變、活載等影響內(nèi)力較大,應(yīng)采取合理的措施將不利因素予以一一消除或減小。通過本文分析,不難看出,合理的選擇鉸的位置,能夠迅速的減小附加內(nèi)力,使結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的受力狀態(tài),滿足使用要求。希望本文能給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計者帶來一定的借鑒價值。

[1] 上海市政工程設(shè)計研究總院.橋梁設(shè)計工程師手冊[M].北京:人民交通出版社,2007:7.

[2] 彭文成.V型墩連續(xù)剛構(gòu)主墩底水平力和彎矩的計算分析[J].交通科技,2004(4):12-14.

[3] 王 萍.V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋分析[J].公路,1997(5):12-16.

[4] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.