V形橋墩施工關鍵控制研究

王戰國，張衛國

（1.寧波杭州灣新區開發建設有限公司，浙江 寧波 315336；2.江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

V形連續剛構橋因其抗彎剛度大、適應橋跨變形、造型美觀等優點，廣泛應用于當今的橋梁工程領域。通過斜撐，使主梁的跨徑減小，墩頂的負彎矩減弱，從而降低了上部梁截面高度，提高了橋梁的跨越能力[1-3]。但是由于V墩自身的結構特點，墩底及墩梁交界處應力復雜，平面桿系單元無法準確表示實際局部受力狀態，因此本文采用實體單元建模[4]，分析V墩部最不利位置應力，進行施工控制。隨著計算機的發展，有限單元法得以廣泛應用，特別是對于復雜結構體系的力學分析，使用有限單元法計算可以大幅簡化計算并且結果滿足一般工程需要。本文以寧波杭州灣新區濱海四路跨陸中灣江橋為實例，應用工程有限元分析軟件Midas Civil建立了V墩三維實體單元模型，依照施工流程，進行仿真模擬，分析了主要部位的應力分布規律；對比了不同工況下V墩的應力大小，為指導施工提供了理論依據。

1 概述

寧波杭州灣新區濱海四路跨陸中灣江橋梁（簡稱濱海四路橋）為三孔一聯V形連續剛構橋，主橋1#和2#墩為混凝土V形墩，V墩與上部箱梁固結，邊墩為球形鋼支座，跨徑布置為50 m+80 m+50 m，橋梁總長為183.7 m。橋梁寬度為50 m，分兩幅布置。上部結構采用預應力混凝土變截面連續箱梁，為雙向預應力結構，縱向按全預應力混凝土結構設計。箱梁為單箱三室斜腹板截面，箱梁跨中梁高為2.0 m。

主墩為1#、2#墩，結構形式為混凝土V形墩，V墩斜腿與上部箱梁固結，斜腿為矩形截面，厚度1.3 m，橫向寬度16.343 m。V形墩與主墩中心線對稱，夾角為58°，V形墩底部順橋向厚度為3.5 m。橋型布置見圖1。

圖1 濱海四路剛構橋橋型布置圖（單位：cm）

本工程V形墩和主梁均采用支架法現澆施工。由于樁基和承臺施工已采取了大圍堰且河床承載能力較高，故對V形墩采用落地滿堂支架法施工。支架采用Ф48×3.2 mm碗扣式鋼管。V形墩結構的總體施工順序為：搭設V形墩及0號段弧線區支架、1號段鋼平臺→V形墩斜腿澆筑→0號段橫梁及其外側部分一次性澆筑→橫梁處臨時預應力張拉→0號段剩余部分（墩頂區）支架→0號段剩余部分（墩頂區）澆筑→V形墩和0號段預應力張拉。V形墩及腳手架布置見圖2。

圖2 V墩支架布置圖（單位：cm）

2 建立有限元實體模型

本模型使用通用有限元工程軟件Midas Civil按照V形墩實際施工順序建立。V墩及墩頂箱梁采用實體單元建立，腳手架及臨時支撐鋼管采用梁單元建立，其中墩身及箱梁的材料特性為C55混凝土，腳手架及臨時支撐鋼管的材料特性為Q234。根據V墩形狀及主梁尺寸，本模型選用的是選用6節點實體單元進行模型劃分。在保證精度同時又不大量增加計算量的前提下，模型的單元的劃分間距控制在0.5 m以內。

V墩下部腳手架與V墩采用僅受壓連接，V墩底部與支架底部采用端部固結。為了模擬施工過程中墩部的受力情況，本文按照V墩的施工順序（見表1）建立了仿真計算模型見圖3～圖5。

表1 V墩施工順序

圖3 V墩斜腿澆筑

圖4 箱梁底部澆筑

圖5箱梁上部澆筑

圖3 所示模型共11 194個節點，13 328個實體單元。圖4所示模型共24 655個節點，26712個實體單元。圖5所示模型共28 804個節點，31 920個實體單元。總體坐標系以V墩墩底中心線與墩部左側截面中心線交點為坐標原點，以豎直向上為Z軸正方向，以橫橋向指向橋面中心線為X軸正方向，以順橋向指向中跨方向為Y軸正方向。

3 應力分析

3.1 V墩施工工況下的應力分析

根據Midas Civil中計算結果的輸出格式，計算結果通過如下表示：X軸方向的軸向應力σxx，Y軸方向的軸向應力為σyy，Z軸方向的軸向應力為σzz，其中應力以受壓為負，受拉為正。

對沒有采用臨時鋼束張拉V墩按照施工順序進行模擬分析，具體計算結果見表2及圖6。

表2 V墩斜腿各施工階段應力表

圖6 V各施工階段墩應力圖

從圖6及表2可知，第二、三施工階段，V墩根部出現了拉應力區，特別是第三施工階段，雖然V墩上緣拉應力變小，其拉應力主要由V墩上箱梁底板承擔，拉應力平均達到1.5 MPa，局部箱梁底與V墩接觸面達到2.4 MPa，箱梁底板及 V墩可能會出現開裂，這種情況對于V墩結構來說是十分致命的。因此必須在施工階段采取一定的措施來減小拉應力，保證V墩結構的受力在允許范圍之內。

3.2 施加臨時張拉力

通過查閱文獻[5,6]可知，V墩在第一階段澆筑完成后，承擔豎向荷載的能力很差，同時根部出現較大的拉應力，這對V墩結構是非常不利的。為了避免這種情況，一般做法是在V墩斜撐部位臨時張拉水平對拉束，實際布置位置和張拉力需要根據實際結構通過計算得到。本工程臨時張拉體系采用兩層直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋，每層布置9根。0#塊混凝土分兩次澆筑，兩次澆筑過程中需對張拉力進行調整，具體布置見圖7，臨時張拉系統采用單端張拉方式。

圖7 V墩臨時鋼束布置圖（單位：cm）

具體張拉順序如下：

（1）0#塊鋼筋綁扎完成后，張拉第一層、第二層鋼筋，張拉順序為先兩邊后中間。第一層（底層）鋼筋每根張拉至20 t，總拉力為180 t，第二層（靠近0#支架）鋼筋每根張拉至30 t，總拉力為270 t。（確保混凝土不脫離支架）。

（2）0#箱梁底板混凝土澆筑一半方量時，第一層（底層）鋼筋每根張拉至40 t，總拉力為360 t，第二層鋼筋每根張拉至50 t，總共張拉力為450 t。

（3）0#箱梁底板混凝土養護好后，提前張拉底板4根預應力鋼束，保證在箱梁頂板、腹板澆筑過程中，底板不產生拉應力。

圖8是在施工的第二、三階段加入臨時張拉力后由Midas模擬的V墩結構的整體應力狀態，其中臨時張拉束通過索單元進行模擬。臨時張拉V墩斜腿各施工階段應力見表3。

圖8 臨時張拉施工階段V墩應力圖

表3 臨時張拉V墩斜腿各施工階段應力表

從以上應力分析中可以看出，在張拉臨時束后，V墩根部的拉應力得以改善，大部分拉應力區轉化為了壓應力區，而且第三階段施工完成后，箱梁底板拉應力平均為0.5 MPa，結構處于安全。

4 施工監控

為了監控V墩在施工過程中的實際應力情況，在V墩受力的關鍵部位安裝了埋入式混凝土應變傳感器（見圖9）。表4為實測數據。

圖9 V墩現場傳感器埋置

表4 V墩關鍵部位實測應力

由圖10 V墩應力結果對比，可知，Midas實體模型分析結果與現場測量數據基本一致，采用臨時張拉措施后，V墩及0#箱梁在施工過程中基本處于受壓狀態，滿足結安全，并且混凝土澆筑前后對現場V墩根部及箱梁底部進行觀測，均未出現結構裂縫。

圖10 V墩應力對比值

5 結論

由于V墩在建造過程中結構應力復雜，在設計及施工階段應著重注意拉應力區域的出現。通過加強V墩下部的腳手架體系或在V墩墩身處施加臨時張拉束，都可以有效消除墩身根部出現的拉應力區。本文以濱海四路橋的V墩施工過程為實例，建立了V墩實體單元模型，對比分析了張拉臨時束前后V墩的空間應力狀態，為實際施工方案提供了理論依據。

通過仿真模擬可以發現，通過施加臨時張拉力可以有效消除V墩根部拉應力區，同時優化最大受壓區的壓應力；通過預埋傳感器實測結果也可以證明，在V墩的關鍵部位并未出現拉應力區，V墩結構受力安全。