■郭 威

（1.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；2.福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

拱桥由于其优美的造型， 经典的中式风格，在城区等对景观要求较高的项目中，往往受到建设者的青睐。 然而，由于传统的圬工拱桥、双曲形或“Π”形拱桥等结构对基础的强度要求高， 施工工艺繁琐，不能满足日益加快的现代桥梁建设需要。 为此，本文对大夹角V 形刚构桥梁的受力特点进行了分析，并对其设计影响因素进行了研究，以期使结构兼顾良好景观效果与合理的受力特性。

1 受力特性分析

V 形刚构为高次超静定结构， 在外力作用下，内力变化复杂。 随着V 形夹角的增大，桥墩纵向刚度增大，在混凝土收缩徐变、温度变化等作用下，斜腿与主梁、承台两个连接面的应力也随之增大[1]。 为解决以上问题，本文尝试了以下措施改善结构受力情况：（1）采用先分段悬臂浇筑，再合龙成形的施工步骤，使得成桥后结构在自重作用下的受力特性与施工阶段基本一致。 （2）使用预应力钢束改善构件的工作状态。 （3）在合龙前施加外力作用储备于结构内，抵消混凝土收缩徐变的作用。 （4）采用高桩承台基础， 结构计算设置土弹簧边界模拟桩土效应，充分利用桩基柔度。

2 工程概况

泉州大桥于1984 年建成通车，孔径布置为（5×30+5×50+12×30）m（拱桥跨径不含桥墩宽度），桥宽12 m，双向2 车道。 大桥上部采用空腹式等截面悬链线型拱结构， 矢跨比1/6。 主拱圈由九片预制的“Π”形拱组成，拱上立钢筋混凝土柱，上架盖梁，再安装混凝土空心板。 人行道由外挑钢筋混凝土盖梁及拖梁和“Π”形板组成，均为预制安装。 大桥位于324 国道上，是324 国道跨越晋江的重要桥梁。经过近40 年的发展， 原桥通行能力已严重滞后于现有交通需求，亟需扩建改造。 根据交通量测算，并结合当地建设规划，扩建新桥宽度为26 m，横断面布置如图1 所示。

图1 泉州大桥扩建工程标准横断面

为使新桥景观效果最大程度同原桥协调一致，建设单位要求提供仿照原桥的拱形主桥设计方案。勘测结果显示，桥位处水深约4 m。河床内各土层物理力学性质变化较大，但分布较为均匀，自上而下大致为：5 m 厚淤泥层，4 m 厚粉质粘土，6 m 厚卵石层，1.5 m 厚砂土状强分化花岗岩，2 m 厚碎块状强风化花岗岩，基岩为微风化花岗岩。 原泉州大桥泉州岸台、5# 推力墩及厦门桥台均为沉井基础，横向单侧宽度比现有桥面宽出1.75 m。 若在原桥旁边建设同跨径式拱桥，须在同样位置设置推力墩。 由于新桥基础位置已被原桥基础侵占，因此只能采用水平推力桩基础方案，如图2 所示。 该方案施工难度较大，施工质量难以保证，施工费用高。 因此泉州大桥的扩宽改建工程不宜采用同原桥相同的上承式拱桥方案。

图2 水平推力墩示意图

综合考虑工程的整体美观性、经济性、施工可行性，本项目为主桥设计了变截面预应力连续V 型刚构桥型方案（图3）。

图3 连续V 型刚构桥型布置图

刚构段上部结构采用变截面双箱斜腹板箱梁，中间设50 cm 宽现浇连接段。单箱梁顶面宽13 m，箱底宽6.488～7.16 m。 箱梁控制断面梁高为：墩顶直线段及主跨跨中处为1.7 m， 主梁与V 墩交接点处2.352 m，箱梁底缘与旧桥同高度按悬链线变化。箱梁顶板厚度为26 cm，底板厚从跨中至交接部由26 cm变化为120 cm， 腹板厚度从跨中处50 cm 渐变至交接处75 cm。 主桥箱梁采用C50 混凝土（图4～5)。

图4 1/2 中跨墩顶及跨中截面

图5 1/2 主梁与斜腿交界面

V 墩与交界面处主梁下缘同宽，线形按旧桥拱圈拟合，等截面高1.2 m。V 墩采用C50 混凝土。V 墩底部与梯形承台连接， 承台下设直径1.8 m 钻孔灌注桩基础。 承台与桩基采用C30 混凝土。

为改善桥梁构件的工作状态，使得正常使用状态下， 各构件正截面边缘拉应力不超过规定限值，本方案按照A 类预应力混凝土构件的要求设计预应力钢束布置形式。 钢束采用标准强度为1860 MPa的低松弛高强度钢绞线， 共采用了5ΦS15、12ΦS15、15ΦS15、19ΦS15 四种类型， 纵向预应力钢束布置如图6 所示。

图6 纵向预应力钢束布置图

3 荷载作用

施工阶段荷载作用形式：（1）齿板及横隔板：重量以集中荷载形式施加在相应节点上；端横梁：重量以均布荷载形式作用在相应单元上。 （2）二期恒载：桥面铺装为防水砼8 cm （25 kN/m3）； 沥青砼10 cm（23 kN/m3）；防撞栏7.5 kN/m，两侧共15 kN/m。（3）挂篮及合拢吊架： 计算中将挂篮和模板重量取60 t；中、边跨合拢吊架、模板重24 t，两侧各施加12 t，作用在悬臂端部；中、边跨合拢时平衡压重采用与合拢段箱梁等重量的垂直荷载，作用在悬臂端部。

运营阶段荷载作用形式[2]：（1）汽车活载：公路-I级（城-A 级）。 （2）温度作用：结构所有单元均计入均匀温差作用，但仅上部结构（箱梁）计入梯度温差作用，结构其余部分不计梯度温差作用。 均匀温差：升温温差取25℃，降温温差取－20℃。 梯度温差：正温差工况，箱顶取T=14℃，离箱顶10 cm 取T=5.5℃，离箱顶40 cm 取T=0℃； 反温差取值为正温差的一半。 （3）人群荷载3.5 kN/m2。 （4）墩台不均匀沉降值取5 mm。

4 计算模型

4.1 模型简介

本桥采用MIDAS 程序计算，全桥共划分380 个单元、11 个施工阶段。 刚构墩桩基础按弹性地基梁法考虑桩土效应，不同深度土弹簧刚度按m 法计算。

结构计算模型如图7 所示。

图7 计算模型

4.2 施工过程模拟

主桥施工步骤为： 桩基承台施工-浇筑刚构段拱形V 墩、墩顶直线段箱梁、连续梁段桥墩及0 号块-张拉V 墩上主梁及V 墩预应力-施工悬浇段主梁-边跨合龙，3 孔刚构中跨施加预推力（横向67 t， 竖向52 t 仅施加在两个次边墩内侧悬臂端）后合龙-次边跨合龙-施工桥面铺装等二期恒载。

4.3 计算结果

数值模拟结果如图8～10 所示： 在正常使用极限状态下，正截面最大应力、斜截面最大主拉应力均满足规范关于A 类预应力构件要求；承载能力极限状态下，荷载作用值小于截面抗力值[3]。

图8 持久状况正常使用极限状态正截面最大应力图

图9 持久状况正常使用极限状态最大主拉应力图

图10 承载能力极限状态弯矩及截面抗力包络图

5 桩基形式及刚度影响分析

在超静定结构中，构件的刚度对荷载作用下的内力分部有直接影响。 在本项目中，由温度变化引起的结构缩胀， 进而产生的桩基应力变化是否合理，是决定方案可行性的关键因素。 为选择最优桩基形式，本项目对直径1.3、1.5、1.8 m 的单排桩和直径1.3、1.5 m 的双排桩共五种形式的桩基温度内力进行了试算，结果如表1 所示。

表1 桩基温度作用计算结果

由对比计算结果可知， 单排桩基的温度作用内力、应力均优于双排桩基。 这是由于双排桩顶部弯曲变形几乎被固结导致的。 而单排形式桩基础，随着直径的增大，桩顶温度作用减小，桩底温度作用增大。结构变形图也显示： 双排桩基反弯点高于同直径的单排桩基；单排桩基随直径增大反弯点下移。 综合对比以上试算结果， 本文采用单排1.8 m 的桩基方案，每排按3 根桩基布置。

6 结论与展望

通过对多跨拱形V 墩刚构桥梁进行设计分析，得出以下结论：（1）对于高次超静定结构，施工步骤对结构内力有直接影响。 通过分段施工，体系转换，可以使结构在成桥阶段的恒载作用与施工阶段相近，从而对结构的恒载内力进行控制。 本方案采用悬臂浇筑，先合龙边孔与中间三孔，最后合龙次边孔的施工步骤，使得成桥前结构在自重下的变形基本完成，减小了成桥次内力。 （2）采用弹性地基梁模拟桩土效应，积极利用有利地质条件，充分考虑桩基变形空间，是本方案可行的关键因素。 且仅靠缩小桩径增加柔度， 不能完全改善桩基内力状态，而应该选择刚度适中，桩基上下部内力分布均匀的直径。 而高桩承台的采用，避免了薄壁墩水中施工需钢围堰等辅助措施， 提高了方案合理性、 经济性。（3）中跨合龙前，在次边墩内侧悬臂端的预加外力，作为成桥阶段的抵抗力矩储存于桩基内，有效改善了次边墩桩基的内力情况。 （4）V 型刚构避免了传统拱上建筑连接节点多，支座、伸缩缝需更换等缺点，在提升行车舒适性的同时降低了桥梁运营维护成本。

此外，本项目由于边墩河床岩层较高，桩基变形空间不足，边墩未能采用V 形刚构。 若引入柔性护壁释放桩周约束，或可解决桩基变形问题，使得新桥外形与原桥更加统一。 而悬浇节段若采用工厂预制养生，后吊装拼接的施工方法，可减少混凝土收缩徐变引起的结构内力。 随着经济社会的发展，桥梁项目对设计的要求不仅满足于经济适用上，对美学要求也在增加， 本文讨论的设计思路与方法，可为类似的拱形桥梁设计提供参考。