多跨拱形V 墩剛構橋梁設計及影響因素分析

■郭 威

（1.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；2.福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

拱橋由于其優美的造型， 經典的中式風格，在城區等對景觀要求較高的項目中，往往受到建設者的青睞。 然而，由于傳統的圬工拱橋、雙曲形或“Π”形拱橋等結構對基礎的強度要求高， 施工工藝繁瑣，不能滿足日益加快的現代橋梁建設需要。 為此，本文對大夾角V 形剛構橋梁的受力特點進行了分析，并對其設計影響因素進行了研究，以期使結構兼顧良好景觀效果與合理的受力特性。

1 受力特性分析

V 形剛構為高次超靜定結構， 在外力作用下，內力變化復雜。 隨著V 形夾角的增大，橋墩縱向剛度增大，在混凝土收縮徐變、溫度變化等作用下，斜腿與主梁、承臺兩個連接面的應力也隨之增大[1]。 為解決以上問題，本文嘗試了以下措施改善結構受力情況：（1）采用先分段懸臂澆筑，再合龍成形的施工步驟，使得成橋后結構在自重作用下的受力特性與施工階段基本一致。 （2）使用預應力鋼束改善構件的工作狀態。 （3）在合龍前施加外力作用儲備于結構內，抵消混凝土收縮徐變的作用。 （4）采用高樁承臺基礎， 結構計算設置土彈簧邊界模擬樁土效應，充分利用樁基柔度。

2 工程概況

泉州大橋于1984 年建成通車，孔徑布置為（5×30+5×50+12×30）m（拱橋跨徑不含橋墩寬度），橋寬12 m，雙向2 車道。 大橋上部采用空腹式等截面懸鏈線型拱結構， 矢跨比1/6。 主拱圈由九片預制的“Π”形拱組成，拱上立鋼筋混凝土柱，上架蓋梁，再安裝混凝土空心板。 人行道由外挑鋼筋混凝土蓋梁及拖梁和“Π”形板組成，均為預制安裝。 大橋位于324 國道上，是324 國道跨越晉江的重要橋梁。經過近40 年的發展， 原橋通行能力已嚴重滯后于現有交通需求，亟需擴建改造。 根據交通量測算，并結合當地建設規劃，擴建新橋寬度為26 m，橫斷面布置如圖1 所示。

圖1 泉州大橋擴建工程標準橫斷面

為使新橋景觀效果最大程度同原橋協調一致，建設單位要求提供仿照原橋的拱形主橋設計方案。勘測結果顯示，橋位處水深約4 m。河床內各土層物理力學性質變化較大，但分布較為均勻，自上而下大致為：5 m 厚淤泥層，4 m 厚粉質粘土，6 m 厚卵石層，1.5 m 厚砂土狀強分化花崗巖，2 m 厚碎塊狀強風化花崗巖，基巖為微風化花崗巖。 原泉州大橋泉州岸臺、5# 推力墩及廈門橋臺均為沉井基礎，橫向單側寬度比現有橋面寬出1.75 m。 若在原橋旁邊建設同跨徑式拱橋，須在同樣位置設置推力墩。 由于新橋基礎位置已被原橋基礎侵占，因此只能采用水平推力樁基礎方案，如圖2 所示。 該方案施工難度較大，施工質量難以保證，施工費用高。 因此泉州大橋的擴寬改建工程不宜采用同原橋相同的上承式拱橋方案。

圖2 水平推力墩示意圖

綜合考慮工程的整體美觀性、經濟性、施工可行性，本項目為主橋設計了變截面預應力連續V 型剛構橋型方案（圖3）。

圖3 連續V 型剛構橋型布置圖

剛構段上部結構采用變截面雙箱斜腹板箱梁，中間設50 cm 寬現澆連接段。單箱梁頂面寬13 m，箱底寬6.488～7.16 m。 箱梁控制斷面梁高為：墩頂直線段及主跨跨中處為1.7 m， 主梁與V 墩交接點處2.352 m，箱梁底緣與舊橋同高度按懸鏈線變化。箱梁頂板厚度為26 cm，底板厚從跨中至交接部由26 cm變化為120 cm， 腹板厚度從跨中處50 cm 漸變至交接處75 cm。 主橋箱梁采用C50 混凝土（圖4～5)。

圖4 1/2 中跨墩頂及跨中截面

圖5 1/2 主梁與斜腿交界面

V 墩與交界面處主梁下緣同寬，線形按舊橋拱圈擬合，等截面高1.2 m。V 墩采用C50 混凝土。V 墩底部與梯形承臺連接， 承臺下設直徑1.8 m 鉆孔灌注樁基礎。 承臺與樁基采用C30 混凝土。

為改善橋梁構件的工作狀態，使得正常使用狀態下， 各構件正截面邊緣拉應力不超過規定限值，本方案按照A 類預應力混凝土構件的要求設計預應力鋼束布置形式。 鋼束采用標準強度為1860 MPa的低松弛高強度鋼絞線， 共采用了5ΦS15、12ΦS15、15ΦS15、19ΦS15 四種類型， 縱向預應力鋼束布置如圖6 所示。

圖6 縱向預應力鋼束布置圖

3 荷載作用

施工階段荷載作用形式：（1）齒板及橫隔板：重量以集中荷載形式施加在相應節點上；端橫梁：重量以均布荷載形式作用在相應單元上。 （2）二期恒載：橋面鋪裝為防水砼8 cm （25 kN/m3）； 瀝青砼10 cm（23 kN/m3）；防撞欄7.5 kN/m，兩側共15 kN/m。（3）掛籃及合攏吊架： 計算中將掛籃和模板重量取60 t；中、邊跨合攏吊架、模板重24 t，兩側各施加12 t，作用在懸臂端部；中、邊跨合攏時平衡壓重采用與合攏段箱梁等重量的垂直荷載，作用在懸臂端部。

運營階段荷載作用形式[2]：（1）汽車活載：公路-I級（城-A 級）。 （2）溫度作用：結構所有單元均計入均勻溫差作用，但僅上部結構（箱梁）計入梯度溫差作用，結構其余部分不計梯度溫差作用。 均勻溫差：升溫溫差取25℃，降溫溫差取－20℃。 梯度溫差：正溫差工況，箱頂取T=14℃，離箱頂10 cm 取T=5.5℃，離箱頂40 cm 取T=0℃； 反溫差取值為正溫差的一半。 （3）人群荷載3.5 kN/m2。 （4）墩臺不均勻沉降值取5 mm。

4 計算模型

4.1 模型簡介

本橋采用MIDAS 程序計算，全橋共劃分380 個單元、11 個施工階段。 剛構墩樁基礎按彈性地基梁法考慮樁土效應，不同深度土彈簧剛度按m 法計算。

結構計算模型如圖7 所示。

圖7 計算模型

4.2 施工過程模擬

主橋施工步驟為： 樁基承臺施工-澆筑剛構段拱形V 墩、墩頂直線段箱梁、連續梁段橋墩及0 號塊-張拉V 墩上主梁及V 墩預應力-施工懸澆段主梁-邊跨合龍，3 孔剛構中跨施加預推力（橫向67 t， 豎向52 t 僅施加在兩個次邊墩內側懸臂端）后合龍-次邊跨合龍-施工橋面鋪裝等二期恒載。

4.3 計算結果

數值模擬結果如圖8～10 所示： 在正常使用極限狀態下，正截面最大應力、斜截面最大主拉應力均滿足規范關于A 類預應力構件要求；承載能力極限狀態下，荷載作用值小于截面抗力值[3]。

圖8 持久狀況正常使用極限狀態正截面最大應力圖

圖9 持久狀況正常使用極限狀態最大主拉應力圖

圖10 承載能力極限狀態彎矩及截面抗力包絡圖

5 樁基形式及剛度影響分析

在超靜定結構中，構件的剛度對荷載作用下的內力分部有直接影響。 在本項目中，由溫度變化引起的結構縮脹， 進而產生的樁基應力變化是否合理，是決定方案可行性的關鍵因素。 為選擇最優樁基形式，本項目對直徑1.3、1.5、1.8 m 的單排樁和直徑1.3、1.5 m 的雙排樁共五種形式的樁基溫度內力進行了試算，結果如表1 所示。

表1 樁基溫度作用計算結果

由對比計算結果可知， 單排樁基的溫度作用內力、應力均優于雙排樁基。 這是由于雙排樁頂部彎曲變形幾乎被固結導致的。 而單排形式樁基礎，隨著直徑的增大，樁頂溫度作用減小，樁底溫度作用增大。結構變形圖也顯示： 雙排樁基反彎點高于同直徑的單排樁基；單排樁基隨直徑增大反彎點下移。 綜合對比以上試算結果， 本文采用單排1.8 m 的樁基方案，每排按3 根樁基布置。

6 結論與展望

通過對多跨拱形V 墩剛構橋梁進行設計分析，得出以下結論：（1）對于高次超靜定結構，施工步驟對結構內力有直接影響。 通過分段施工，體系轉換，可以使結構在成橋階段的恒載作用與施工階段相近，從而對結構的恒載內力進行控制。 本方案采用懸臂澆筑，先合龍邊孔與中間三孔，最后合龍次邊孔的施工步驟，使得成橋前結構在自重下的變形基本完成，減小了成橋次內力。 （2）采用彈性地基梁模擬樁土效應，積極利用有利地質條件，充分考慮樁基變形空間，是本方案可行的關鍵因素。 且僅靠縮小樁徑增加柔度， 不能完全改善樁基內力狀態，而應該選擇剛度適中，樁基上下部內力分布均勻的直徑。 而高樁承臺的采用，避免了薄壁墩水中施工需鋼圍堰等輔助措施， 提高了方案合理性、 經濟性。（3）中跨合龍前，在次邊墩內側懸臂端的預加外力，作為成橋階段的抵抗力矩儲存于樁基內，有效改善了次邊墩樁基的內力情況。 （4）V 型剛構避免了傳統拱上建筑連接節點多，支座、伸縮縫需更換等缺點，在提升行車舒適性的同時降低了橋梁運營維護成本。

此外，本項目由于邊墩河床巖層較高，樁基變形空間不足，邊墩未能采用V 形剛構。 若引入柔性護壁釋放樁周約束，或可解決樁基變形問題，使得新橋外形與原橋更加統一。 而懸澆節段若采用工廠預制養生，后吊裝拼接的施工方法，可減少混凝土收縮徐變引起的結構內力。 隨著經濟社會的發展，橋梁項目對設計的要求不僅滿足于經濟適用上，對美學要求也在增加， 本文討論的設計思路與方法，可為類似的拱形橋梁設計提供參考。