V形墩剛構橋固結區域設計

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300000）

與一般連續梁橋相比，V形墩剛構橋可以有效縮短跨徑，降低梁支點的負彎矩以及跨中的正彎矩，進而降低梁的高度，在一定程度上節省了建筑材料，降低了建設成本。從外觀上來看，V形墩輕盈美觀，如果將V形墩斜腿的直線型處理成弧線形狀，即可設計成有弧線的拱形剛構橋，此類型的橋梁符合傳統的曲線美。

目前，我國有許多建成并投入運營的V形墩剛構橋，如相對跨徑較大的廣州黃洲大橋等。V形墩剛構橋兩個斜撐之間的墩梁固結區域受力較為復雜，是V形墩剛構橋設計的關鍵節點。此區域的常用設計方法有兩種：一是采用有限元進行分析，控制截面應力小于混凝土的拉應力，以確保墩梁固結區域的剛性連接；二是基于錨固原理進行設計，通常做法是將斜腿中的鋼筋錨固到梁中，但這種方法并未考慮斜腿剛構中應力的傳遞途徑，存在一定的安全隱患。本文對常規的V形墩設計方法進行了探討，并借助拉壓桿理論尋找合適的V形墩剛構橋墩梁固結區域的配筋設計方法。

一、采用應力控制法進行設計

采用應力控制法進行設計是確保墩梁固結區域有效連接的常用方法。此方法的設計思路為：總體上控制截面，通過調整截面形式、V墩的角度來優化節點的應力分布，最終實現墩梁固結區域的設計。設計流程為：總體結構尺寸設計→利用桿系進行結構設計→按照圣維南原理選取局部固結區域進行局部應力分析→根據應力情況判斷局部節點選取是否合適，若不合適，則調整局部結構尺寸，按照流程重新計算。對于一些斜撐剛度較大的V形墩，如果調整截面尺寸后仍不能達到規定的應力值，可以采取施加預應力的方法。在地震作用下，根據強化設計理論，增強墩梁固結區域的抗力，相連區域則采用延性設計來保證墩梁固結區域的安全。

二、采用拉桿壓桿理論進行設計

拉壓桿模型源于桁架模型，目前已被歐美各國的規范以及工程逐漸采用，國內這方面的推廣工作也在有序進行。V形墩剛構橋中，凡是應變分布基本符合伯努利平面應變假定的結構部分為B區域（B表示梁或伯努利），這種結構可通過彎矩、剪力以及扭矩的復核達到強度要求。凡是應力分布呈現明顯非線性狀態的結構部分為D區，即不連續區域或者擾亂區域，此區域的設計大多采用拉壓桿模型，設計流程為：根據應力流向確定某結構為D區還是B區→構建D區拉壓桿模型→根據平衡條件確定拉壓桿模型中各個桿件的內力→根據拉桿的內力和鋼筋的應力限制進行配筋設計。V形墩剛構橋固結區域應力為紊亂區域，按照上述規定，此區域為D區域，符合拉壓桿理論設計范疇。筆者以一個景觀V形墩剛構橋為例，闡述固結區域的配筋設計，該橋的跨度布置為20m+25m+20m，橋面寬度為9m，采用單箱單室結構，梁高取用等截面高度1.3m，橋梁總體布置如圖1所示。

圖1.橋梁總體布置圖

該橋二期恒荷載考慮20cm鋪裝層以及兩側10KN·m的防撞護欄等重量，車道荷載為公路一級車道荷載，其余參數均嚴格按照規范選取。結構桿系計算采用橋梁設計常用計算手段，斜腿和梁交界處采用固結處理。為得到節點區域的拉應力流向，本文利用MIDAS軟件，同時采用實體單元進行計算，計算結果如圖2所示。

圖2.節點應力流向圖

由圖2可知，拉應力通過節點時產生了兩個流向，第一個流向沿梁方向傳播，這一部分應力可以通過梁體系配筋得到滿足，另一個流向即應力從梁體中流向了V形墩中。為實現拉應力流向的連續性，保證節點區域的固結，固結區域應配置適當的鋼筋滿足拉應力的需要。在得到節點應力流向的基礎上，判斷此處節點類型為CTT類型，其中T為拉力、C為壓力，初步建立了計算簡圖，如圖3所示。

圖3.節點區計算簡圖

由圖3可知，只要求出墩中拉力即可得到節點區域中拉力的大小，進而得到合理的鋼筋配置。得到拉桿應力后，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）附錄B.3.2對受拉鋼筋進行配置，具體公式為：

fsd為普通鋼筋抗拉強度設計值；fpd為預應力鋼筋抗拉強度設計值；As, Ap分別為拉桿中的普通鋼筋截面面積和預應力鋼筋截面面積。

通過以上分析可以得到，V形墩中的鋼筋不應僅是錨固在梁中。事實上，V形墩中的鋼筋和梁的上表層鋼筋形成搭接關系，才能保證應力沿著既定的軌跡線傳遞，不會產生應力二次分布。如果V形墩中的鋼筋僅僅按照錨固長度錨固在梁體中，由于無法形成CTT節點區域，無法實現應力從梁體中到墩中的傳遞，此處節點將更接近于鉸節點，而不是傳統意義上的固結點，此時若按照錨固節點的方式進行鋼筋配置，則會存在一定的安全隱患。

三、結語

采用應力控制法設計V形墩剛構橋的墩梁固結區域是目前常用的設計方法，這種方法直觀明了，可以通過控制應力的方法來解決節點區域的應力傳遞問題。但也存在一個很大的問題——材料的不確定性，由于不符合抗震設計要求的延性設計理念，特別是在大的地震等不可預制的荷載作用下，其受力情況難以得到保證。

采用拉壓桿理論對節點區域進行配筋設計，可以很好地根據應力的軌跡曲線進行設計，只需要根據CTT類型中墩中的拉應力就可以配置節點區域的鋼筋。由于在應力軌跡線上配置了鋼筋，使得節點區域具有很好的延性特征，符合抗震設計的延性設計理念。

配置固結區域鋼筋時，應注意鋼筋的貫通，絕不能直接將V形墩中的鋼筋錨入固結區域，而是應貫通節點域，使斜腿中的鋼筋與梁中的鋼筋形成有效搭接，因為在CTT類型中，鋼筋在節點區域只是搭接關系，不存在錨固關系。