石飞停,甘亚南,张杨永

(1.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051；2.上海同豪土木工程咨询有限公司，上海 200092)

V墩连续刚构桥受力性能的参数分析研究

石飞停1,甘亚南1,张杨永2

(1.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051；2.上海同豪土木工程咨询有限公司，上海 200092)

以青田塔山大桥为例，采用参数分析的方法，探讨了基础刚度、V形墩倾角、墩身尺寸、合拢顶推力等结构设计参数对V形墩连续刚构桥整体受力性能的影响，最后得出了参数变化时结构内力状态的变化规律。研究结论表明V形墩倾角是最重要的设计参数，对主梁和墩柱的受力性能有着很大影响；基础刚度、墩身尺寸、合拢顶推力对上部结构主梁受力性能影响相对较小，对墩柱受力性能影响相对较大。

连续刚构；V形墩；倾角；基础刚度；顶推力

0 引言

近年来，V形墩连续刚构桥由于其在力学、美学、造价上的优势，获得了越来越多的发展，特别是众多城市桥梁开始相继采用此种景观效果较好的结构形式[1]。目前的研究大多集中在V形墩的施工技术、结构整体受力分析、墩顶0#块局部受力分析[2-4]等方面，关于设计参数变化对整体受力性能影响方面的研究不多，较为零散。基础刚度、V形墩倾角、V形墩墩身尺寸、合拢顶推力等参数对结构整体受力性能有着重要影响[5]，有必要展开详细研究。

1 工程概况

青田塔山大桥设计中主桥为预应力混凝土V形墩连续刚构桥[6]，跨径布置为80m+120m+80m =280m，见图1。上部结构为单箱双室变高度混凝土箱梁，顶面全宽为18.0m，V形墩墩顶段梁高为4.5m，边跨支点及跨中梁高为2.5m，箱梁梁高和底板厚度均按二次抛物线变化。V形墩墩顶横梁宽2.8m、端横梁宽1.8m。箱梁底板宽11.0m，两侧悬臂宽3.5m。箱梁顶板厚度0.26m；箱梁底板厚度从0.40m变化到1.00m；腹板厚度从0.60m变化到0.80m。为减小主梁的应力集中，箱梁底面与V形墩斜撑间设圆弧过渡段。主墩墩柱，即V形墩斜腿与承台固结，上部结构主梁梁端设置盆式活动支座。主梁设纵、横、竖三向预应力体系。

V形墩斜腿采用预应力混凝土结构，斜腿的墩身沿纵桥向宽1.50m，横桥向宽11.0m，与竖直线夹角为25°。V形墩预应力布置在墩身中心位置，张拉端设在V形墩墩顶横梁倒角位置，固定端埋设于承台混凝土内。主墩基础采用承台桩基础，承台顶设墩座与V形墩斜腿固结。

图1 桥型方案布置图

2 模型建立

采用桥梁专用有限元程序MIDAS/Civil建立有限元模型[7]，主梁和桥墩均采用梁单元模拟，梁端支座采用弹簧连接单元模拟，按施工阶段建立有限元模型，如图2所示。

图2 V形墩连续刚构桥有限元计算模型

3 参数分析

桥梁结构体系的受力状态是多个参数综合作用的结果。参数研究的目的在于分析设计参数变化对结构体系受力性能的影响，揭示结构体系受力性能与设计参数的内在联系和一般规律，为设计优化提供依据[8]。对于常规的V形墩连续刚构桥而言，主要设计参数包括：基础刚度、V形墩倾角、V形墩墩身尺寸、合拢顶推力等，下面分别加以讨论。

3.1 基础刚度

基础刚度的大小对上部结构受力性能影响不大，但对V形墩的墩底弯矩影响较大。背景工程采用承台桩基础，不同的桩根数和桩径对基础刚度影响较大，分析时分别考虑三种桩基布置形式：12根直径2.4m桩、18根直径1.6m桩、24根直径1.2m桩。桩长不变，承台尺寸不变，桩根数多时桩间距小。三种桩基布置形式下的基础刚度如表1所示。

表1 成桥恒载下V形墩墩身弯矩(kN·m)

参数分析时，除桩基布置形式改变外，其它设计参数不变。成桥状态时恒载作用下的V形墩墩身弯矩如表2所示。可以看出，V形墩墩身弯矩随着基础刚度的减小而减小。

表2 成桥恒载下V形墩墩身弯矩(kN·m)

3.2 V形墩倾角

V形墩倾角定义为V形墩身与竖直线的夹角，其大小对主梁和墩身的受力状态有重要影响，是影响结构受力性能的主要参数[9-10]。参数分析时，取V形墩倾角分别为15°、20°、25°、30°、35°五个角度，其它设计参数保持不变，从上部结构主梁和V形墩墩身的受力状态讨论V形墩倾角的影响。

V形墩倾角越大，上部结构主梁的计算跨径越小。不同V形墩倾角下主梁的墩顶弯矩和轴力变化如图3所示。图中的纵坐标均作了适当的数学处理，表示为除以初值后的相对值，以百分比表示，初值取倾角为25°时的计算结果。下面参数分析的各图处理方式与此处相同，不再赘述。

从图3中可以看出，上部结构主梁的边跨侧墩顶负弯矩、中跨侧墩顶负弯矩均随着V形墩倾角的增大而减小；V形墩两墩柱之间的主梁负弯矩也随着V形墩倾角的增大而减小；而V形墩两墩柱之间的主梁轴力随着V形墩倾角的增大而增大。V形墩倾角从25°变化到35°，边跨侧墩顶负弯矩、中跨侧墩顶负弯矩、V形墩两墩柱之间的主梁负弯矩分别减小21%、17%、40%；而V形墩两墩柱之间的主梁拉力增加22%。

图3 倾角与主梁内力状态关系图

不同V形墩倾角下V形墩墩柱的弯矩和轴力变化如图4所示。从中可以看出，V形墩倾角变化对中跨侧墩柱的弯矩影响很大，其值随着V形墩倾角的增大而增大；边跨侧墩柱的弯矩随着V形墩倾角的增大而减小；V形墩倾角变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。V形墩倾角从25°变化到35°，边跨侧墩柱弯矩减小52%，但中跨侧墩柱弯矩却增加为初值的4.3倍。

图4 倾角与V形墩墩身内力状态关系图

3.3 墩身尺寸

墩身刚度对于连续刚构桥的受力性能影响较大。V形墩墩身刚度主要受墩身厚度控制，一般而言，墩身厚度越小，墩柱越柔，主梁与墩身受力也越好。V形墩墩身厚度对上部结构影响很小，对下部结构影响稍大。参数分析时，取墩身厚度1.0m、1.5m、2.0m，其它设计参数保持不变，讨论墩身厚度对V形墩墩身的受力状态的影响。

不同墩身厚度下V形墩墩柱的弯矩和轴力变化如图5所示。从中可以看出，边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩均随着V形墩墩身厚度的增大而增大；而墩身厚度变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。V形墩墩身厚度从1.5m变化到2.0m，边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩分别增大19%、11%。

3.4 合拢顶推力

三跨连续刚构桥，一般采用先边跨后中跨的合拢顺序，在中跨合拢前对主梁施加顶推力，能有效的改善墩身的受力状态。中跨合拢顶推力对上部结构影响较小，对下部结构有一定影响[9]。参数分析时，取合拢顶推力分别为500、750、1000，其它设计参数保持不变，讨论合拢顶推力对V形墩墩身的受力状态的影响。

不同合拢顶推力下V形墩墩柱的弯矩和轴力变化如图6所示。从中可以看出，边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩均随着V形墩倾角的增大而减小；而合拢顶推力变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。合拢顶推力从750变化到1000，边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩分别减小16%、10%。

图6 合拢顶推力与V形墩墩身内力状态关系图

4 结论

影响V形墩连续刚构桥受力性能的结构参数主要有基础刚度、V形墩倾角、V形墩墩身尺寸、合拢顶推力等，通过青田塔山大桥的受力计算和参数分析，得出如下结论：

基础刚度的大小对上部结构受力性能影响不大，但对V形墩墩柱的弯矩影响较大。V形墩墩柱弯矩随着基础刚度的减小而减小。

V形墩倾角对上部结构主梁的受力有较大影响，主梁的边跨侧墩顶负弯矩、中跨侧墩顶负弯矩均随着V形墩倾角的增大而减小；V形墩两墩柱之间的主梁负弯矩也随着V形墩倾角的增大而减小；而V形墩两墩柱之间的主梁轴力随着V形墩倾角的增大而增大。

V形墩倾角对下部结构的受力有较大影响，V形墩倾角对中跨侧墩柱的弯矩影响很大，其值随着V形墩倾角的增大而增大；边跨侧墩柱的弯矩随着V形墩倾角的增大而减小；而V形墩倾角变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。

边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩均随着V形墩墩身厚度的增大而增大；而墩身厚度变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。

边跨侧墩柱弯矩、中跨侧墩柱弯矩均随着V形墩倾角的增大而减小；而合拢顶推力变化对V形墩墩柱的轴力影响不大。

相对而言，V形墩倾角对主梁和墩柱的受力状态影响较大，而其它参数影响较小。桥梁设计时首先应综合考虑受力安全、外形美观、施工便利等因素，确定合适的V形墩倾角。

[1] 符碧惠,李玉红.V墩式连续刚构桥的设计[J].中国市政工程,2012(1):14-15.

[2] 宋敏.三角刚架悬索组合梁桥预压式钢-混结合段施工关键技术[J].市政技术,2012(2):63-66.

[3] 程炜钢,徐伟,冯东明.V形墩连续刚构桥静动力行为及地震响应分析[J].南京工程学院学报:自然科学版,2012(1):11-16.

[4] 张昕.泐马河大桥V墩及0号段施工控制技术[J].城市道桥与防洪,2013(7):202-204.

[5] 施文杰,杨友安.多跨拱形V墩连续刚构桥设计及影响参数分析[J].现代交通技术,2014(5):19-22.

[6] 孙长志.青田塔山大桥V形墩施工过程分析[J].铁道标准设计,2007(7):75-77.

[7] 邱顺冬.桥梁工程MidasCivil应用工程实例[M].北京：人民交通出版社,2011.

[8] 张杨永.连续刚构箱梁桥剪力滞效应的参数分析[J].公路工程,2008(4):58-60.

[9] 梁吉学,李闻涛.V型墩连续刚构桥叉角角度变化的影响分析[J].山西建筑,2009(12):338-339.

[10] 陈立生,石雪飞,阮欣,等.V墩连续刚构桥墩底顶推合龙的数值模拟及控制标准[J].城市道桥与防洪,2014(10):141-143.

(责任编辑：孙文彬)

Parameter Analysis of Mechanical Behavior of Continuous Rigid-Frame Bridge with V-Shaped Piers

SHI Fe-ting1, GAN Ya-nan1, ZHANG Yang-yong2

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu 224051,China;2.Shanghai Tonghao Civil Engineering Consulting Co., Ltd.,Shanghai 200092,China)

Taking Qingtian Tashan Bridge as an example, the influence of structure design parameters on mechanical behavior of continuous rigid-frame bridge were discussed in detail with the method of parameter analysis. These parameters contained the foundation stiffness, the dip of V-shaped pier, size of V-shaped pier, the closure jacking force, and so on. At last, the change rules of structural mechanical behavior with the change of structure design parameters were given. Research results showed that the dip of V-shaped pier was the most important design parameter, which had great influence on bending moment of girder and piers. Other parameters such as foundation stiffness, sizes of V-shaped pier, closure jacking force had less influence on mechanical behavior of girder, but they had certain influence on mechanical behavior of V-shaped piers.

continuous rigid-frame;V-shaped pier; dip angle;foundation stiffness;jacking force

2015-07-30

江苏省高校自然科学研究项目(13KJB560014)

石飞停(1979-)，男，黑龙江尚志人，讲师，硕士，主要从事桥梁结构计算分析与设计理论研究。

U448.27

A

1009-7961(2015)05-0057-03