V形墩刚构桥固结区域设计

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300000）

与一般连续梁桥相比，V形墩刚构桥可以有效缩短跨径，降低梁支点的负弯矩以及跨中的正弯矩，进而降低梁的高度，在一定程度上节省了建筑材料，降低了建设成本。从外观上来看，V形墩轻盈美观，如果将V形墩斜腿的直线型处理成弧线形状，即可设计成有弧线的拱形刚构桥，此类型的桥梁符合传统的曲线美。

目前，我国有许多建成并投入运营的V形墩刚构桥，如相对跨径较大的广州黄洲大桥等。V形墩刚构桥两个斜撑之间的墩梁固结区域受力较为复杂，是V形墩刚构桥设计的关键节点。此区域的常用设计方法有两种：一是采用有限元进行分析，控制截面应力小于混凝土的拉应力，以确保墩梁固结区域的刚性连接；二是基于锚固原理进行设计，通常做法是将斜腿中的钢筋锚固到梁中，但这种方法并未考虑斜腿刚构中应力的传递途径，存在一定的安全隐患。本文对常规的V形墩设计方法进行了探讨，并借助拉压杆理论寻找合适的V形墩刚构桥墩梁固结区域的配筋设计方法。

一、采用应力控制法进行设计

采用应力控制法进行设计是确保墩梁固结区域有效连接的常用方法。此方法的设计思路为：总体上控制截面，通过调整截面形式、V墩的角度来优化节点的应力分布，最终实现墩梁固结区域的设计。设计流程为：总体结构尺寸设计→利用杆系进行结构设计→按照圣维南原理选取局部固结区域进行局部应力分析→根据应力情况判断局部节点选取是否合适，若不合适，则调整局部结构尺寸，按照流程重新计算。对于一些斜撑刚度较大的V形墩，如果调整截面尺寸后仍不能达到规定的应力值，可以采取施加预应力的方法。在地震作用下，根据强化设计理论，增强墩梁固结区域的抗力，相连区域则采用延性设计来保证墩梁固结区域的安全。

二、采用拉杆压杆理论进行设计

拉压杆模型源于桁架模型，目前已被欧美各国的规范以及工程逐渐采用，国内这方面的推广工作也在有序进行。V形墩刚构桥中，凡是应变分布基本符合伯努利平面应变假定的结构部分为B区域（B表示梁或伯努利），这种结构可通过弯矩、剪力以及扭矩的复核达到强度要求。凡是应力分布呈现明显非线性状态的结构部分为D区，即不连续区域或者扰乱区域，此区域的设计大多采用拉压杆模型，设计流程为：根据应力流向确定某结构为D区还是B区→构建D区拉压杆模型→根据平衡条件确定拉压杆模型中各个杆件的内力→根据拉杆的内力和钢筋的应力限制进行配筋设计。V形墩刚构桥固结区域应力为紊乱区域，按照上述规定，此区域为D区域，符合拉压杆理论设计范畴。笔者以一个景观V形墩刚构桥为例，阐述固结区域的配筋设计，该桥的跨度布置为20m+25m+20m，桥面宽度为9m，采用单箱单室结构，梁高取用等截面高度1.3m，桥梁总体布置如图1所示。

图1.桥梁总体布置图

该桥二期恒荷载考虑20cm铺装层以及两侧10KN·m的防撞护栏等重量，车道荷载为公路一级车道荷载，其余参数均严格按照规范选取。结构杆系计算采用桥梁设计常用计算手段，斜腿和梁交界处采用固结处理。为得到节点区域的拉应力流向，本文利用MIDAS软件，同时采用实体单元进行计算，计算结果如图2所示。

图2.节点应力流向图

由图2可知，拉应力通过节点时产生了两个流向，第一个流向沿梁方向传播，这一部分应力可以通过梁体系配筋得到满足，另一个流向即应力从梁体中流向了V形墩中。为实现拉应力流向的连续性，保证节点区域的固结，固结区域应配置适当的钢筋满足拉应力的需要。在得到节点应力流向的基础上，判断此处节点类型为CTT类型，其中T为拉力、C为压力，初步建立了计算简图，如图3所示。

图3.节点区计算简图

由图3可知，只要求出墩中拉力即可得到节点区域中拉力的大小，进而得到合理的钢筋配置。得到拉杆应力后，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）附录B.3.2对受拉钢筋进行配置，具体公式为：

fsd为普通钢筋抗拉强度设计值；fpd为预应力钢筋抗拉强度设计值；As, Ap分别为拉杆中的普通钢筋截面面积和预应力钢筋截面面积。

通过以上分析可以得到，V形墩中的钢筋不应仅是锚固在梁中。事实上，V形墩中的钢筋和梁的上表层钢筋形成搭接关系，才能保证应力沿着既定的轨迹线传递，不会产生应力二次分布。如果V形墩中的钢筋仅仅按照锚固长度锚固在梁体中，由于无法形成CTT节点区域，无法实现应力从梁体中到墩中的传递，此处节点将更接近于铰节点，而不是传统意义上的固结点，此时若按照锚固节点的方式进行钢筋配置，则会存在一定的安全隐患。

三、结语

采用应力控制法设计V形墩刚构桥的墩梁固结区域是目前常用的设计方法，这种方法直观明了，可以通过控制应力的方法来解决节点区域的应力传递问题。但也存在一个很大的问题——材料的不确定性，由于不符合抗震设计要求的延性设计理念，特别是在大的地震等不可预制的荷载作用下，其受力情况难以得到保证。

采用拉压杆理论对节点区域进行配筋设计，可以很好地根据应力的轨迹曲线进行设计，只需要根据CTT类型中墩中的拉应力就可以配置节点区域的钢筋。由于在应力轨迹线上配置了钢筋，使得节点区域具有很好的延性特征，符合抗震设计的延性设计理念。

配置固结区域钢筋时，应注意钢筋的贯通，绝不能直接将V形墩中的钢筋锚入固结区域，而是应贯通节点域，使斜腿中的钢筋与梁中的钢筋形成有效搭接，因为在CTT类型中，钢筋在节点区域只是搭接关系，不存在锚固关系。