某V型剛構橋下部結構計算分析

楊 磊

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 項目概況

某V型剛構橋及其引道工程全長1708m，起點樁號為K1+365.00，終點樁號為K3+073.00；其中橋梁全長1028m，北引道長390m，南引道長290m；橋梁起點樁號為K1+651.00，終點樁號為K2+679.00；橋位處現狀主河槽寬度約460m，橋梁范圍內跨越南北岸現狀濱水路及南岸規劃南堤路和規劃南堤。

橋梁上部結構為先簡支后連續預應力混凝土小箱梁，跨徑布置為30+20+30+20=100m，下部結構主橋橋墩為現澆實體混凝土V型墩結構，墩頂設置預應力混凝土系桿，上部結構采用板式橡膠支座支撐于V型剛構橋墩處，見圖1。

橋梁下部結構主橋橋墩為現澆實體混凝土V型(順橋向)墩結構，墩頂設置預應力混凝土系桿；引橋橋墩為現澆實體混凝土Y型(橫橋向)墩結構，墩頂設置普通鋼筋混凝土系桿；橋臺為肋板式橋臺。

2 地質情況

地層主要由耕土、雜填土、素填土、黏性土、砂土、碎石土組成。勘察深度內見有地下水，為孔隙潛水，初見水位7.7～10.1m，穩定水位6.9～9.5m，穩定水位標高27.23～30.46m，補給來源主要為大氣降水及徑流。地下水位年變幅1～2m。

抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g。為對建筑抗震的一般地段。估算場地等效剪切波速為250～500m/s；場地覆蓋層厚度>5m；場地類別為II類。

判定地面下20.0m深度范圍內無液化土層。

3 下部結構計算分析

3.1 下部結構簡介

V型橋墩分兩種墩高，分別為岸上7.4m和河道里8.9m。橋墩縱橋向呈V字型，兩肢間設系桿，系桿內配置預應力鋼筋。橫橋向分兩幅，一幅內由三個V型墩組成，橫橋向由橫系梁聯接。系梁內配置預應力鋼筋，橋墩具體形式見圖2構造圖。

(1)主橋橋墩

主橋橋墩采用C40混凝土，橫橋向上寬下窄以曲線過渡，立面呈花瓶形狀；每幅橋橫橋向共布置3個橋墩，墩間設置橫系梁；橋墩橫橋向頂部寬4.6m，底部寬3m。橋墩順橋向呈V型，兩V腿中軸線在墩頂的間距為20m，即主橋橋墩兩V腿支撐在20m箱梁下方，墩頂設置預應力混凝土系桿；兩V腿最薄處厚度1.6m，墩頂系桿高1.0m，墩底寬4m。

(2)引橋橋墩

引橋橋墩采用C40混凝土，橫向橋呈Y型，墩頂設置普通鋼筋混凝土系桿；每幅橋橫橋向共布置3個橋墩；橋墩橫橋向頂部寬4.6m，底部寬2.5m；兩Y腿及墩頂系桿厚度均為1.0m。橋墩順橋向為等厚度，厚度為1.6m。

(3)橋臺

橋臺采用C30混凝土，為現澆鋼筋混凝土肋板式橋臺，單幅橋臺寬19.99m，兩幅橋臺中心設有2cm中縫。臺前設置錐形護坡，坡度為1∶1.5。要求臺后回填砂礫，壓實度≥95%。

(4)基礎

全橋承臺及樁基礎均采用C30混凝土。

主橋橋墩(8#、9#、18#～21#)承臺高度為3m，平面尺寸為8.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)。基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.2m，每個承臺下18根，全橋共216根。

主橋橋墩(10#～17#)承臺高度為5m，平面尺寸為8.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)。基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.2m，每個承臺下18根，全橋共288根。

引橋橋墩(1#～7#、22#～24#)承臺高度為2m，平面尺寸為6.5m(縱橋向)×19m(橫橋向)。基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.2m，每個承臺下10根，全橋共160根。

橋臺(0#、25#)承臺高度為1.5m，單個承臺平面尺寸為5.2m(縱橋向)×2.2m(橫橋向)，單幅橋橫橋向共6個承臺，承臺間設置系梁。基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.2m，每個承臺下2根，全橋共48根。

全橋樁基礎均需預埋檢測管，以保證檢測的有效性。

全橋承臺底面均設置厚度為10cm的C15素混凝土墊層，墊層平面尺寸每側比承臺大10cm。

3.2 主要結構計算

V型(順橋向)墩墩頂系桿按部分預應力構件及普通鋼筋混凝土構件雙控設計，V腿及墩底截面按普通鋼筋混凝土構件設計，其內力計算采用橋梁博士平面桿系有限元程序，并利用MIDAS計算軟件建立實體單元模型對結構進行空間應力分析，根據橋墩結構內力，進行基礎及承臺計算。

3.3 V型墩平面桿系計算

V型墩計算荷載采用：

(1)上部結構計算恒載反力。

(2)活載：上部結構計算活載產生的反力、摩阻力、整體升降溫。

經過計算比較墩身各個部分計算均由7.4m墩高V型墩控制。以下計算只列出7.4m墩高計算結果。7.4mV型橋墩分中跨和邊跨兩種情況。經過計算比較，邊跨較中跨不利，計算由邊跨控制。以下計算結果均為邊跨計算結果。

邊跨分兩種情況計算，V墩兩支點均為最大荷載效應及V墩兩支點最大-最小荷載效應，取其兩種情況分別計算，結構配筋形式依據最不利荷載效應確定。V型墩上下邊緣各配置兩層Ф32@10的鋼筋。系桿上下邊緣各配置兩層Ф32@10的鋼筋，系桿內配置7束12Фs15.2鋼絞線。

(1)抗彎計算

荷載效應分為兩種情況進行控制。一種是墩身按照普通鋼筋混凝土控制，系桿按照A類預應力混凝土控制；一種是墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制。具體計算結果見表1、表2。

表1 荷載效應(系桿按A類預應力混凝土控制)

表2 荷載效應(系桿按普通鋼筋混凝土控制)

注：以上結果墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制

(2)抗剪計算

橋墩墩身抗剪配置12肢Ф12箍筋，墩身支座懸臂處混凝土抗剪計算按照混凝土構件直接受剪時計算。

綜上所述，在墩身按照普通鋼筋混凝土控制，系桿按照A類預應力混凝土控制，以及墩身系桿均按照普通鋼筋混凝土控制兩種情況下，承載能力極限狀態、正常使用極限狀態及抗剪強度均滿足《公路橋涵設計通用規范》、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求。

3.4 實體模型分析

根據平面模型的計算結果，兩種形式的橋墩計算由7.4m高V型墩邊跨-最大最小組合控制設計。

按照7.4mV型橋墩結構尺寸建立實體模型，見圖4，用MidasFEA軟件進行實體分析。從上部計算文件提取反力結果。

實體模型采用四面體實體模型，建立了三肢V型橋墩、系桿、橫系梁及承臺樁基。系桿內預應力鋼束采用鋼筋梁單元模擬，見圖5，程序自動與混凝土實體單元耦合。鋼束的兩端采用豎彎并錨固于V型墩墩身。約束采用樁底固結約束。從上部平面橋博計算文件提取反力，進行正常使用狀態極限組合查看系桿應力情況。

由圖6、圖7可知，系桿順橋向正應力最大拉應力出現在系桿靠支點處下緣為1.36MPa，最大壓應力為3.52MPa。系桿橫橋向正應力最大拉應力出現在橫系梁下緣為0.7MPa，最大壓應力出現在支座墊石位置處為1.14MPa。最大拉應力及最大壓應力均滿足規范要求。實體模型分析結果見表3。

表3 實體模型分析結果

4 結語

(1)通過平面桿系分析，V型剛構橋墩均滿足承載能力及正常使用要求；通過實體單元模型進行空間應力分析可知，結構整體應力滿足要求，局部錨固位置出現拉應力可采取構造措施解決；橋墩基礎及承臺經驗算滿足規范要求。

(2)V型剛構橋墩受力復雜，溫度作用影響結構受力較大，通過合理配置預應力鋼束、調整上部結構施工工序等方法，可有效解決受力問題。

(3)V型剛構橋墩結構輕盈美觀，適合城市及景觀要求較高地區采用，可結合橋梁工程所處位置地質、地形、墩高及景觀要求等適當調整，達到經濟、美觀要求。