V型墩剛構橋的空間受力分析與體系比選

杜林清

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

目前，國內常規的V型墩剛構橋多為預應力混凝土結構[1]，采用的體系多為墩臺固結體系。本工程由于道路接坡及景觀效果等因素需盡量降低梁高，故采用鋼連續箱梁及鋼V型墩的結構形式。同類型橋梁的先例較少，全鋼結構V型墩剛構橋的墩梁固結區受力情況、橫向變形協調性及墩臺連接體系等均需研究比選后進行合理設計。

1 工程概況

上海市奉賢區浦南運河橋跨徑布置為40m+70m+40m，橋寬為26.5m，雙向4車道，兩側設人非通道。主橋采用全鋼結構V型墩連續剛構橋，主梁與V型鋼橋墩固結。浦南運河主橋立面布置、主墩處橋梁斷面見圖1、圖2。

浦南運河橋鋼主梁跨中梁高1.8m，在主墩處二次拋物線過渡加高至2.3m，主梁采用橫向分離雙箱斷面，橫橋向橋面板及橫肋連續。V墩采用閉口鋼箱斷面，V墩鋼箱高度1m，寬度7m。該橋梁工程主要有以下特點及問題：

（1）V型墩梁固結區采用全鋼結構，且V墩橫向寬度較寬，縱橫向受力效應需同時考慮，空間效應較復雜，是設計時應重點關注的問題。

（2）橋梁為橫向雙幅布置，僅通過橋面板相連，故需對是否設置橫梁連接進行研究論證，并比較不同構造參數對結構整體受力性能的影響。

（3）V型墩與基礎間可采用墩臺固結或墩臺分離的結構體系，不同體系對主橋基礎體量及整體剛度均有影響，應進行比選擇優選取。

針對以上問題，本文采用通用有限元程序ANSYS建立空間板殼模型驗算，與桿系模型的計算結果進行對比，并研究3種橫梁設置情況（無橫梁、少橫梁、多橫梁）對結構受力特性的影響，最后，對墩臺固結、墩臺分離2種連接方式進行比選，選擇合理的結構體系。

2 計算模型

為提高計算效率，采用ANSYS程序建立半聯（邊跨+1/2主跨）空間板殼模型（見圖3），跨中鋼箱梁邊界采用對稱約束；V墩底及邊跨邊支點按實際支座位置建立約束；鋼結構主要板件及縱、橫向加勁肋均采用shell63殼單元進行模擬。

圖3 V型墩剛構橋空間板殼模型

采用Midas/Civil程序建立桿系模型，2幅縱梁及V墩均采用梁單元模擬，并建立橫向聯系梁，在實際支座位置設置約束。V型墩剛構橋桿系模型見圖4。

圖4 V型墩剛構橋桿系模型

加載工況：考慮恒載+活載（含汽車、非機動車、人群荷載）工況；空間板殼模型及桿系模型均按實際情況模擬恒載（含一期及二期恒載）；桿系模型中活載采用車道線加載，空間板殼模型中活載為在實際車道位置采用均布荷載加載，考慮最不利車道布置情況。

3 計算分析

根據空間板殼模型及桿系模型的計算結果，提取墩梁固結區的應力計算結果，空間板殼模型應力云圖、桿系模型應力計算結果見圖5、圖6。

圖5 空間板殼模型應力云圖（單位：kPa）

圖6 桿系模型應力計算結果（單位：kPa）

分別比較墩梁固結區各主要板件應力計算結果（見表1），其中空間板殼模型中的平均應力表示同一截面處各單元的平均應力，桿系模型的應力計算結果中已考慮剪力滯折減效應[2]。由表1可見：空間板殼模型中各板件的平均應力水平與桿系模型中基本相近；但由于主梁與V墩相接處的部分角點局部應力較大，空間板殼模型中的最大應力比桿系模型中應力高出一定水平。為保證結構安全性，應參考空間板殼模型中的計算結果，并結合其他荷載工況下應力水平后進行結構設計。

表1 恒載+活載作用下有限元模型與桿系模型應力結果對比 單位：kPa

4 橫梁設置構造參數比選

因縱梁在橫橋向為雙幅設置，當車道偏載時，橋面橫向會產生如圖7所示的2幅梁間豎向變形不協調，對橋梁受力整體性及橋面鋪裝的耐久性有一定影響[3]。

圖7 跨中處縱梁豎向變形（無橫梁）（單位：m）

為改善橋梁橫向變形協調性，考慮以下3種橫梁設置的方案：

（1）無橫梁方案：雙幅主梁間僅通過橋面板及橫肋連接，橋梁橫斷面如圖8（a）所示。

（2）少橫梁方案：雙幅主梁間設置橫梁，橫梁處斷面如圖8（b）所示，半聯橋內共設置4道橫梁，主要布置于主跨跨中、中支點及邊支點處。

圖8 橋梁橫斷面（單位：m）

（3）多橫梁方案：雙幅主梁間設置橫梁，構造同少橫梁方案，半聯橋共設置9道橫梁，設置間距約10m。

加載工況考慮2車道偏載，對3種方案的空間板殼模型分別加載，主跨1/2跨中、1/4跨中處同一橋梁斷面的豎向變形結果見圖9、圖10，圖中未示外側挑臂部分的變形。

圖9 主跨近1/2跨中處縱梁豎向變形結果對比

圖10 主跨1/4跨中處縱梁豎向變形結果對比

由圖9、圖10可見，設置橫梁對雙幅間箱梁豎向錯動變形有一定改善。在1/2跨中處，少橫梁方案比無橫梁方案可減小變形約1～2mm，在1/4跨中處可減小變形約0.5mm，多橫梁方案可繼續減小豎向變形不一致的幅度，但總體影響效果有限。綜合考慮經濟性、施工便捷性及橋下景觀等影響，選用少橫梁布置方案。

5 墩臺連接體系比選

對V墩與基礎的連接體系比選以下2種方案（見圖11）：

圖11 2種墩臺連接體系

（1）墩臺固結體系。鋼結構V墩與混凝土承臺設置剪力鍵連接，固結為整體。

（2）墩臺分離體系。V墩下設置支座，與承臺分離，縱、橫橋向均可活動。

對2種墩臺連接體系分別進行計算，從桿系計算模型中提取各荷載工況下的支反力，計算V墩承臺頂的荷載組合（其中剪力及彎矩均為順橋向計算結果）；采用m法計算單樁內力，對樁基布置數量、直徑、主筋配置等進行設計，并對比活載下跨中撓度，計算結果見表2。

表2 2種墩臺連接方式下反力及基礎計算結果

由表2可見，墩臺固結體系下主橋剛度較大，但在活載、溫度作用下，主墩基礎需承受的水平荷載及彎矩均較大，樁基礎設計的體量較大；在墩臺分離體系中，主墩下設置支座釋放了水平力，樁基設置合理，經濟性較佳，且主橋剛度滿足要求。

在耐久性方面，墩臺固結體系中的鋼混結合部位于承臺內，需進行特殊防腐處理，且需提高配筋率來控制裂縫寬度；墩臺分離體系中墩底支座需埋入地下，可設置支座保護罩進行密封處理，并需為遠期更換支座預留條件，耐久性也可達到較好程度。

綜合考慮經濟性、耐久性、受力合理性等因素，優先推薦采用墩臺分離體系。對于本工程，每幅V墩下設置雙支座，墩底橫梁部分傳力路徑明確清晰，應力水平適中，構造設計較為合理。

6 結 語

（1）采用桿系梁格模型進行整體受力框算，跨中、邊支點等主要控制斷面分析精度能滿足設計要求。但對于墩梁固結區等特殊復雜節點進行空間實體有限元分析是必要的，需結合板殼模型的計算結果進行結構設計，保證結構安全性。

（2）雙幅主梁間設置橫梁對結構整體受力性能有一定提高，對縱梁豎向變形不一致效應有所改善，且考慮鋼橋面使用的耐久性等問題，建議設置橫梁。多橫梁方案與少橫梁方案相比，效果相近，綜合經濟性、景觀性等因素，可采用少橫梁方案。

（3）墩臺固結體系主橋剛度大，但在活載及溫度工況下主墩需承受較大水平荷載及彎矩，基礎設計體量較大；而墩臺分離體系可釋放水平力，減小基礎工程量，并且不會過多降低主橋剛度，采用埋入式支座密封保護罩可保證支座耐久性，故綜合考慮推薦采用墩臺分離體系。