徐嘉煜

(湖南湘江新區(qū)投資集團(tuán)有限公司, 湖南 長沙 410005)

1 工程概述

V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋造型優(yōu)美，在結(jié)構(gòu)上兼?zhèn)淞号c拱的特點(diǎn)，與相同跨徑的連續(xù)梁橋相比，縮短了計(jì)算跨徑、降低了梁高[1]。同時(shí)，結(jié)構(gòu)輕巧美觀，在對景觀要求較高的城市橋梁中有比較大的競爭力[2-4]。本文結(jié)合建設(shè)中的山西省呂梁市呂梁新城緯三十一路橋梁，選取墩高、墩壁厚度、V腿傾角和V腿厚度4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力的施工措施。

緯三十一路橋跨越北川河，河道寬度80m，斜交角6.14°。橋梁結(jié)構(gòu)形式采用30m+50m+30m預(yù)應(yīng)力砼V型墩連續(xù)剛構(gòu)，分幅布置，每幅橋?qū)?0m，單幅為：3車道+非機(jī)動(dòng)車道+人行道。主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨中梁高1.5m；下部結(jié)構(gòu)采用V型墩；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主橋橋型布置如圖1所示。

2 計(jì)算模型

本文采用Midas Civil建立整體有限元模型，見圖2。主梁及橋墩均采用C50混凝土，承臺(tái)采用C40混凝土，主梁配置預(yù)應(yīng)力，樁基剛度采用節(jié)點(diǎn)彈性支承進(jìn)行模擬。

圖2 有限元模型

3 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

本橋?yàn)?0m+50m+30m預(yù)應(yīng)力砼V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，墩高矮，地基主要為卵石和泥巖，各層m值均達(dá)到70000kN/m4以上。地質(zhì)條件好，下部結(jié)構(gòu)約束作用強(qiáng)，為減小預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響，施工方法采取分跨施工，分批張拉預(yù)應(yīng)力的方式，如圖3所示。中跨合攏后，在溫度和收縮徐變作用下，基礎(chǔ)受力仍極為不利，主墩樁基的受力成為本工程的控制性因素[5-8]。

圖3 施工步驟示意圖

選取墩高、墩壁厚度、V腿傾角和V腿厚度4個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底的彎矩和剪力作為設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，對不同參數(shù)對基礎(chǔ)受力的影響進(jìn)行分析。

3.1 V腿傾角

對采用不同V腿傾角的基礎(chǔ)受力進(jìn)行分析和比較。保持V腿高度不變，分別對V腿傾角為30°、35°、40°、45°和50°這5種情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

a) 承臺(tái)底剪力隨V腿傾角變化示意圖

b) 承臺(tái)底彎矩隨V腿傾角變化示意圖

由圖4可知，V腿傾角的變化對基礎(chǔ)受力有較大影響，V腿傾角越小，結(jié)構(gòu)的拱式受力越明顯，承臺(tái)底的水平剪力和彎矩越大。V腿傾角由30°增加至50°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底剪力和彎矩分別由14688kN、90136kN·m下降至12029kN、77391kN·m。由于V腿傾角對橋梁的景觀效果影響較大，在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，需結(jié)合景觀造型和結(jié)構(gòu)受力共同考慮，選取合適的V腿傾角。

3.2 V腿厚度

對不同V腿厚度基礎(chǔ)的受力進(jìn)行分析和比較。由于V腿部分為變厚度，分別選取V腿頂壁厚為1.2、1.5、1.8、2.1m，分別選取V腿底壁厚為0.6、0.8、1.0、1.2m進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

a) 承臺(tái)底剪力隨V腿頂厚度變化示意圖

b) 承臺(tái)底彎矩隨V腿頂厚度變化示意圖

由圖5可知，V腿頂厚度變化對基礎(chǔ)受力有一定影響，V腿頂厚度越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，承臺(tái)底的水平剪力和彎矩越大。V腿頂厚度由1.2m增加至2.1m時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底剪力和彎矩分別由12773kN、80603kN·m增加至13515kN、82592kN·m，變化幅度比傾角變化的影響小。

由圖6可知，V腿底厚度越大，承臺(tái)底的水平剪力越大，承臺(tái)底彎矩越小，但變化幅度均較小。V腿厚度這一參數(shù)主要是根據(jù)V腿本身的受力需要來選擇，對下部結(jié)構(gòu)受力的影響相對較小。具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮地質(zhì)條件和樁基布置情況。

a) 承臺(tái)底剪力隨V腿底厚度變化示意圖

b) 承臺(tái)底彎矩隨V腿底厚度變化示意圖

3.3 墩高

對采用不同墩高標(biāo)準(zhǔn)組合下的基礎(chǔ)受力進(jìn)行分析和比較。選取墩高為3、3.5、4、4.5、5m這5種情況進(jìn)行計(jì)算，保持墩頂標(biāo)高不變，通過改變V腿大小調(diào)整，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著墩高的增加，橋墩剛度減小，在標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺(tái)底的剪力也有所降低。橋墩的高度由3m增加至5m時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底的剪力由13598kN下降至12255kN。由于墩高與V腿大小相關(guān)，在兩者的共同影響下，標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺(tái)底彎矩隨墩高增加的變化規(guī)律不明顯。在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中墩高的選用需結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對剪力和彎矩的敏感程度進(jìn)行綜合考慮。

3.4 墩壁厚度

對采用不同墩壁厚度標(biāo)準(zhǔn)組合下的主梁及基礎(chǔ)受力進(jìn)行分析和比較。選取墩高為1.1、1.3、1.5、1.7、1.9m這5種情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

a) 承臺(tái)底剪力隨墩高變化示意圖

b) 承臺(tái)底彎矩隨墩高變化示意圖

a) 承臺(tái)底剪力隨墩壁厚度變化示意圖

b) 承臺(tái)底彎矩隨墩壁厚度變化示意圖

由圖8可知，隨著墩壁厚度的增加，橋墩剛度增大，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底的剪力和彎矩明顯增加。墩壁厚度由1.1m增加至1.9m時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下承臺(tái)底剪力和彎矩分別由11230kN、63213kN·m增加至14401kN、96052kN·m，變化明顯。墩壁厚度越小，對基礎(chǔ)受力越有利，但具體設(shè)計(jì)時(shí)墩壁厚度的選取需綜合考慮墩壁本身受力需要。

4 施工優(yōu)化措施

為進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)受力性能，提出了施工過程中的優(yōu)化措施：中跨合攏前對橋梁進(jìn)行臨時(shí)頂推，單幅橋梁頂推力為2000kN，如圖9所示。在中跨合龍完成后拆除臨時(shí)頂推設(shè)備。

圖9 施工優(yōu)化措施示意圖

采取施工優(yōu)化措施前、后的基礎(chǔ)受力如表1所示。由表可知，通過中跨合龍前對橋梁進(jìn)行臨時(shí)頂推，向橋梁施加一個(gè)向外邊跨的預(yù)推力，可以使得基礎(chǔ)產(chǎn)生向外側(cè)的有效水平預(yù)推力及彎矩儲(chǔ)備。采取施工優(yōu)化措施后，承臺(tái)底剪力由13072kN下降到了12172kN，承臺(tái)底彎矩由81602kN·m下降到了74882kN·m，基礎(chǔ)受力得到有效改善。

表1 采取施工優(yōu)化措施前后基礎(chǔ)受力對比階段承臺(tái)底軸力/kN承臺(tái)底剪力/kN承臺(tái)底彎矩/(kN·m)采取施工措施前40 49813 07281 602采取施工措施后40 32112 17274 882

5 實(shí)施方案計(jì)算結(jié)果

實(shí)施方案的墩高、墩壁厚度、V腿傾角和V腿頂、底厚度分別采用3.5 m、1.5 m、38°、1.5 m、0.8 m，同時(shí)采用施工優(yōu)化措施。實(shí)施方案計(jì)算結(jié)果(僅列出正截面抗裂計(jì)算結(jié)果)如圖10～13所示，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖10 荷載頻遇組合下截面上緣正應(yīng)力包絡(luò)

圖13 荷載準(zhǔn)永久組合下截面下緣正應(yīng)力包絡(luò)

6 結(jié)論

本文經(jīng)過有限元計(jì)算以及理論分析和比較，得到如下結(jié)論：

1) V腿傾角的變化對基礎(chǔ)受力有較大影響，V腿傾角越小，結(jié)構(gòu)的拱式受力越明顯，承臺(tái)底的水平剪力和彎矩越大。具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，需結(jié)合景觀和結(jié)構(gòu)受力綜合考慮，選取適合具體項(xiàng)目的V腿傾角。

2) V腿厚度變化對基礎(chǔ)受力影響相對較小，具體工程設(shè)計(jì)中，V腿厚度這一參數(shù)主要根據(jù)V腿本身受力需求來選擇。

3) 墩高的增加能在一定程度上減小橋墩的剛度，但墩高與V腿大小相關(guān)，在兩者的共同影響下，墩高增加能減小基礎(chǔ)部分水平力，但對彎矩影響不明顯。具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，墩高的選用需結(jié)合地質(zhì)條件以及基礎(chǔ)對剪力和彎矩的敏感程度進(jìn)行綜合考慮。

4) 減小墩壁厚度能有效減小橋墩剛度，標(biāo)準(zhǔn)組合下基礎(chǔ)的水平剪力和彎矩隨墩壁厚度的減小明顯減小。具體設(shè)計(jì)時(shí)在滿足墩壁本身受力需要的前提下，應(yīng)盡可能減小墩壁厚度。

5) 采取合龍前臨時(shí)頂推措施能有效改善基礎(chǔ)的受力情況。