V型支撑桥梁设计研究

李 映，陈 云

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

V 形支撑桥梁外形轻巧美观，结构受力性能良好。V 形支撑提升了桥梁的跨越能力，降低了梁高，增大了支点附近梁的刚度，同时 V 形支撑丰富了桥梁线条，使桥梁造型具有动感，景观效果好，国内外已经建造很多该类桥梁[1]。

当 V 撑占梁的比例较小时，结构更多显示出梁和刚构受力特征[2]；当 V 撑较长且呈弧线时，结构已具备拱桥的受力特征[3]。连续梁结构简单、受力明确，温度、收缩和徐变内力均较小，但存在支座的维修与更换问题。连续刚构桥属于高次超静定结构体系，升降温及收缩徐变作用产生的结构次内力和基础水平力成为比较突出的问题，合龙段内力主动调整可适当减少基础内力[4]。连续刚构设挂孔后，或连续梁与连续刚构组合后，结构超静定次数减少，徐变收缩及温差作用产生次内力及基础反力得到很大改善。拱式结构体系在竖向荷载作用下拱脚有水平推力。针对建筑造型介于标准的 V 型刚构和 V 型拱（上承式拱桥）之间的桥梁，如何选择其合理的结构体系需要进行仔细分析研究。

本文对背景工程赣州沙石大桥五跨 V 形支撑桥梁可采用的 6 种不同结构体系进行对比分析，同时对 V 形支撑的角度及刚度进行参数分析，结论可供该类桥梁设计时参考。

2 设计实例

赣州沙石大桥位于赣州市南部，跨越章江，连接章江新区与峰山片区，是赣州市城市扩展的重要基础设施，是城市向南拓展的重要通道（见图1）。道路等级为城市主干路，设计车速为 40 km/h，设计荷载为城—A 级，最高通航水位为 5 a 一遇洪水位，航道等级为Ⅶ（2），底宽 32 m，净高 5 m。主桥为五跨预应力混凝土斜腿刚构桥，跨径组合为60 m+3× 90 m+60 m=390 m，横桥向为单幅，桥宽33 m。主梁采用变截面预应力混凝土梁，单箱五室，中支点梁高 2.0 m，边支点和跨中梁高 2.5 m，顶板厚 0.28 m，底板厚 0.24 m，腹板厚 0.5 m 到0.75 m。斜腿采用变截面钢筋混凝土结构，单箱三室，顶底板厚 0.5 m，腹板厚 1.0 m，斜腿底部横向宽度 16 m。中跨跨中设 16 m 钢筋混凝土挂孔，挂孔箱室布置与主梁相同。箱梁与斜腿均采用 C55混凝土。水中主墩采用钢筋混凝土实体桥墩，顺桥向宽度 5 m 到 7 m，横桥向宽度 20.5 m 到 22.5 m，墩高除 P6 墩 7.7 m 外其余 5.5 m，主墩墩身除与 V腿相接 1.5 m 范围内采用 C55 混凝土外，其余部分采用 C40 混凝土。水中主墩基础采用扩大基础，底部尺寸为 22 m×26 m×7 m，顺桥向分为三级，横桥为等宽，扩大基础埋入中风化粉砂质泥岩不少于 2.5 m。施工步骤为主桥基础围堰施工，在支架上进行 V 腿三角区施工，逐段现浇三角区梁段，吊装中跨挂孔，边跨跨中合龙。该桥于 2014年5月结构贯通。图2为大桥总体布置图，图3为横断面图。

图1 赣州沙石大桥效果图

图2 总体布置图 (单位：m)

图3 横断面图 (单位：m)

3 体系分析

通过对边界条件的改变（固结或铰接）、挂孔的设置与否和挂孔的数目及位置改变等可将赣州沙石大桥这种五跨 V 形支撑桥梁划分为如下 6 种结构体系：①全设支座连续梁；②不设挂孔连续刚构；③设一个挂孔连续刚构；④设三个挂孔连续刚构；⑤连续梁与刚构组合；⑥拱（V 撑上挂孔）。各结构体系示意见图4。

图4 结构体系示意

3.1 基础反力比较

恒载作用下，由于中墩左右平衡，各种体系中的中墩水平力为 1 910 kN 到 5 350 kN 之间，相对较小，体系②和体系⑥边墩有较大水平力，尤其是体系⑥拱桥体系中将产生 81 000 kN 的水平力，需靠基础来抵抗该水平力或者采用系杆来平衡该水平力。体系⑥中的边墩恒载弯矩是由于边跨曲梁效应产生的，如果拉系杆水平力，将会有效抵消这部分效应。表1为基础水平力比较表，表2为基础弯矩比较表。

表1 基础水平力比较表（单位：kN）

表2 基础弯矩比较表（单位：kN · m）

温度作用下，体系②中墩及边墩均产生很大水平力，尤其是边墩，水平力达 113 000 kN，可见全连续刚构体系由于刚度太大，会产生很大的温度水平力，而且该水平力也不能通过拉系杆来解决，除非地基可以承受水平力，否则该结构体系就是不合适的。在加了挂孔以后（体系③）温度水平力降到 17 900 kN，边墩设支座后（体系⑤）水平力为 24 500 kN，体系②拱桥水平力更小 7 690 kN，体系①、④对温度是静定的，没有水平力。从基础温度水平力的角度除了体系②全连续刚构以外，其它 5 种都是可以选择的结构体系。

3.2 结构内力比较

分别对 V 撑三角区斜腿、三角区顶部跨中截面以及主梁的跨中截面进行内力分析，比较各结构体系的受力特点。

恒载下轴力基本差不多，剪力及弯矩体系③最小，体系④也比较小，其余 4 种体系差不多，说明是否设挂孔对斜腿恒载受力影响比较大。温度作用下，全连续刚构（体系②）斜腿中有很大内力，设一个挂孔（体系③）或设一个支座后（体系⑤）温度内力大大降低，轴力降为约 30%，弯矩降为约60%。体系⑥拱桥温度内力约为体系③、⑤的一半。体系①、④边界条件对整体升降温是静定的，只有三角区内很小的局部温度内力。

恒载下边墩 V 腿除了体系⑥拱桥由于边跨曲梁效应不同外，其余 5 种体系内力差别不大。温度作用下，边墩 V 腿受力与中墩 V 腿相似，全连续刚构（体系②）斜腿中有很大内力，设一个挂孔（体系③）或设一个支座后（体系⑤）温度内力大大降低，轴力降为约 25%～40%，弯矩降为约 40%～60%。体系①、④、⑥温度内力都很小。

由上述中墩与边墩的 V 腿内力比较（见表3、表4）可以看出，除拱桥外各结构体系的恒载 V 腿内力差别并不大，但温度效应差别明显，体系②全连续刚构中 V 腿温度内力很大，降低超静定次数可有效降低温度内力，拱桥体系的温度内力也相对较小。

恒载下 V 撑三角区顶部跨中内力除拱桥（体系⑥）外，其余 5 种体系内力差别不大。温度作用下，与 V 腿相似，全连续刚构（体系②）V 撑三角区顶部跨中有很大内力，中墩顶部跨中将产生162 000 kN 的轴力，设一个挂孔（体系③）或设一个支座后（体系⑤）温度内力大大降低，体系①、④温度内力都很小，见表5。

恒载下主梁跨中内力除拱桥（体系⑥）外，体系①、②、⑤内力差别不大，体系③、④设挂孔后，挂孔跨中弯矩约为不设挂孔时的一半。温度作用下，与 V 腿相似，全连续刚构（体系②）主梁跨中有很大内力，设一个挂孔（体系③）或设一个支座后（体系⑤）温度内力大大降低，体系①、④温度内力都很小，见表6。

3.3 结构刚度比较

6 种体系均为对称结构体系，故对每个 V 形支撑桥梁结构求出其边跨跨中、第二跨跨中、中跨跨中的向上及向下活载挠度，以各点活载挠度之和的反函数 1/f 来反应结构整体刚度，f 越大，结构整体刚度越小。各结构体系活载挠度比较见表7，刚度比较见图5。

表3 中墩V撑三角区斜腿内力比较表（单位：kN · m）

表4 边墩V撑三角区斜腿内力比较表（单位：kN · m）

表5 V撑三角区顶部跨中内力比较表（单位：kN · m）

表6 主梁跨中内力比较表（kN.m）

表7 挠度比较表（单位：mm）

图5 刚度比较示意图

从图表中可以看出，体系②刚度最好，体系①体系⑤略次之，体系③体系、⑥更小一些，但他们的挠度绝对值都很小，说明都具有较好的刚度。体系④刚度远远小于其它 5 种结构体系，整体稳定性差，3 个挂孔对行车也极其不利，在选择桥型时，应该慎重考虑此结构体系。

4 参数分析

4.1 V撑角度

以不设挂孔连续刚构、拱（V 撑上挂孔）这两种结构体系为基准，保持结构的其他参数不变，取 V撑与竖线的交角 α 分别为 48 °、58 °、68 °的三种组合情况进行对比分析，研究 V 形墩墩身倾角变化对结构性能的影响，见图6。

图6 计算模型图示（48 °、58 °、68 °）

V 型墩墩身与竖直线交角的大小对结构的受力特性有重要影响，交角越大，结构的拱效应越明显，墩底水平力和弯矩越大。从表8中可以看出，连续刚构体系中，随着角度从 48 °增加到 68 °，基础恒载及温度水平力接近翻倍，边墩恒载水平力更达近三倍。拱桥体系中边墩恒载基础水平力增加 65%，边墩温度水平力约增加近两倍。连续刚构体系中基础水平力对V撑角度的的敏感性比拱桥体系更强。

表8 不同V撑角度时基础水平力（单位：kN）

4.2 V 撑刚度

以连续刚构、拱这两种结构体系为基准，保持结构的其他参数不变，针对 V 型墩墩身厚度做出调整，从而改变斜腿的刚度。选择 V 腿截面为矩形，并分别对截面厚度 H=1.5 m、2 m 和 2.5 m 这 3种组合情况进行对比分析，研究 V 形墩墩身厚度（刚度）变化对结构性能的影响。表9为不同 V 撑刚度时基础水平力。

随着墩身厚度从 1.5 m 增大到 2.5 m，连续刚构体系恒载水平力变化不大，温度水平力增加约30%；拱桥体系边墩恒载水平力变化不大，温度水平力翻倍，说明拱桥体系温度效应对 V 墩刚度的敏感性比连续刚构体系更强。

5 结语

（1）V 型支撑桥梁根据边界条件固结或铰接的不同、挂孔的设置与否和挂孔的数目及位置不同可形成刚构、梁、拱及其组合等不同结构体系。

表9 不同 V 撑刚度时基础水平力（单位：kN）

（2）根据赣州沙石大桥的不同结构体系分析，不设挂孔的连续刚构由于刚度太大导致基础反力和结构内力都太大，而设 3 个挂孔连续刚构刚度太小，这两种结构体系在该桥中基本不适合，其余4 种结构体系基本可行，其中拱桥体系的恒载水平力需由基础承受或通过拉系杆来平衡。设计中可根据实际具体情况，如能否设支座、是否有条件设置系杆、是否考虑设置挂孔等综合考虑后选择合适的结构体系。

（3）随着 V 墩倾角和刚度的增大，基础水平力明显增大，V 墩倾角的影响更为显著，设计中应注意选择合适的 V 墩倾角和刚度。

[1] 宋桂峰，楼庄鸿，钟文香.我国的预应力混凝土 V 形支撑桥梁[J].公路交通科技，2003(4):34-38.

[2] 赵玉泉，田伟雄.Y 形墩连续刚构桥的设计 [J].城市道桥与防洪，2009(6):78-79.

[3] 任文，王建光，孔光.上承式连续梁拱组合体系设计实例[J].城市道桥与防洪，2014(2):70-72.

[4] 赵会东，李承根.V 形支撑桥梁连续刚构组合梁桥合龙段设计[J].桥梁建设，2002(5):39-42.