V形墩-先简支后连续预制箱梁桥力学性能分析
——以平潭综合实验区竹屿湖大桥为例

凌建林

(深圳市市政设计研究院有限公司 广东深圳 518029)

0 引言

V形墩梁为水平线条，斜腿为倾斜线条，加上构件尺寸较小结构合理，因此桥梁显得轻巧美观、富有动感，景观效果较好，近几年在景观桥梁中得到了广泛应用。与其他桥梁相比，该桥型具有以下几点优势。

(1)V形墩支撑的桥梁与没有斜撑的连续梁相比，在相同跨径下，能够缩短计算跨径，且正负弯矩值均有所减少，因此构件截面尺寸减少，可有效降低梁高[1-2]。

(2)主梁采用先简支后连续梁，与V形墩通过支座连接，结构温度次内力、收缩徐变次内力问题得以解决。

(3)桥梁结构采用先简支、后连续的施工工艺，可缩短施工周期并降低工程造价。

但是，V形墩斜腿和基础刚接，其交叉处受力比较复杂[3-4]，必须进行细致的研究，避免裂缝出现。本文以平潭综合试验区竹屿湖大桥为例，对V形墩-先简支后连续梁桥的力学性能进行了较为深入的分析。

1 案例工程设计概况

1.1 工程概述

竹屿湖大桥位于福建平潭综合试验区万北路跨越竹屿湖处，是万北路的重要组成部分。桥面总宽50m，分左右两幅桥设置，轴线与规划河道中心线的夹角为90°。经过设计方案比选探讨，该桥最后采用V形墩-先简支后连续预制小箱梁桥，桥跨布置共3联，第一联25+15(V形墩)+25+15m(V形墩)，第二联25+15(V形墩)+25+15(V形墩)+25m，第三联15(V形墩)+25+15(V形墩)+25m，桥梁全长269.44m。竹屿湖大桥总体布置图和效果图如图1～图2所示。

图1 1/2桥梁立面图(单位：cm)

图2 竹屿湖大桥总体效果图

该桥上部结构，采用先简支后连续等高度预应力预制混凝土小箱梁，全桥分25m和15m预制梁段。考虑上部结构美观和方便施工，所有预制箱梁采用等高度1.4m的小箱梁。全桥分两幅，单幅桥宽25m，单幅横断面布置8片小箱梁。上部结构断面如图3所示。

下部结构桥墩和承台均为左右分离式结构，其中每幅桥横向布置4个桥墩，与承台固结。桥墩顺桥向V型，如图4所示，长22m，横桥向上宽下窄，最大宽度4.2m，斜腿倾角在49.1°～56.3°之间，斜腿厚度1.4m。为了提高V形墩的耐久性和改善应力状态，墩顶系杆布置沿纵桥向的预应力钢束来承担拉力，预应力采用7束10φs15.2钢绞线，分两排布置，上排4根，下排3根，具体位置如图5所示，钢束在两端采用竖弯并锚固于V型墩墩身。为了提高V形墩的整体性，同一承台的相邻V形墩斜腿采用墩顶横系梁连接(图3)。承台厚度为2.5m，承台底至其上1.5m高为等截面形式，1.5m～2.5m高为变截面，上小下大，承台下设直径1.2m钻孔灌注桩基，桩中心距3.1m，单墩共设置16根桩，桩长要求进入中风化花岗岩不小于2倍桩径，按嵌岩桩设计。

图3 竹屿湖大桥上部结构单幅标准断面图(单位：cm)

图4 V形墩立面图和侧面图(单位：cm)

图5 预应力钢束布置(单位：cm)

1.2 主要材料、设计参数和技术标准

主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土，承台采用C35混凝土，桩基采用C35海工混凝土。普通钢筋采用HRB400、HPB300两种型号。预应力钢束采用抗拉强度标准值1860MPa，公称直径15.2mm的低松弛高强度钢绞线，钢束张拉控制应力fpk为1395MPa。

竹屿湖大桥道路等级为城市次干路；设计车速50km/h；设计基准期为100年；设计安全等级为一级；结构重要性系数取1.1；环境类别为II类；汽车荷载为城-A级；人群荷载按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)计算取值；桥梁设计水位采用50年一遇洪水位+2.39m；抗震设防标准为丁类；抗震设防烈度采用7度以及地震动加速度峰值为0.10g；通航净空为3.5m满足小型游船同行。

2 结构计算受力分析

本文选取第二联进行结构计算，为进行全桥的受力性能分析，本文首先采用Midas/Civil 2015建立上、下部结构全桥模型，其中上部结构梁格模型，以空间杆系理论为基础进行全桥整体分析，上部构件类型为A类预应力构件。采用梁单元建立模型，端横梁及中隔板按实际构建刚度模拟，其余横向联系梁按虚梁模拟。边界模拟主梁与桥墩采用弹性连接，支座采用板式橡胶支座，支座竖向受压刚度根据JTG D62-2004第8.4.1条计算，顺向及横向剪切刚度根据CJJ 166-2011第6.2.5条计算。全桥梁单元共计2054 个，节点1453个，结构离散图如图6所示。

图6 第二联全桥杆系模型

2.1 全桥模型分析

该桥上部结构为传统的预制预应力混凝土小箱梁，主桥计算结果满足相关规范要求。本文主要研究对象为V型墩，该结构构件计算较为复杂和关键，因此本文仅列出V型墩的计算结果。分别选取正常使用极限状态的抗裂和承载能力极限状态下的强度验算，得到两种工况下V形墩最不利弯矩出现在墩底根部断面，该位置弯矩为负，上缘截面受拉(图7～图8)。最不利内力列于表1，其计算结果满足规范要求。短期效应组合下按偏心受压构件进行裂缝宽度验算，计算结果表明，最大裂缝宽度0.096mm，满足规范限值0.2mm要求[5]。

(a)最大轴力(单位：kN)(b)最大弯矩(单位：kN·m)

(a)最大轴力(单位：kN)(b)最大弯矩(单位：kN·m)

V形墩部位正常使用极限状态组合承载能力极限状态组合轴力/kN剪力/kN弯矩/kN·m正应力/MPa轴力/kN剪力/kN弯矩/kN·m抗力/kN系杆中部3491.422.7431.82.53306.117.9431.326763.9系杆与左斜腿接触面3491.4-254.0-449.82.53306.1-258.8-486.826763.9系杆与右斜腿接触面3491.4299.4-461.62.53306.1294.6-499.726763.9左斜腿等截面-4743.6781.71637.1-1.3-4757.9719.11416.569524.0右斜腿等截面-4213.1-348.41612.1-1.2-4234.7-386.41385.469524.0

2.2 V形墩细部分析

V型墩截面为连续变截面，且在桥墩与承台和细杆连接处受力情况复杂，若采用本文2.1节杆系模型进行结构计算，杆系模型较难准确模拟实际受力，从而影响结构计算的精确性，且无法准确计算连接节点的局部应力，难以分析V形墩的受力情况，特别是抗裂性能。因此，本文采用Midas/FEA建立单个V形墩实体模型进行细部分析，单个V型墩模型如图9所示。

图9 V形墩实体有限元模型

为准确研究V形墩在施工阶段和运营阶段的受力情况，该部分计算共分为5种工况。工况一采用自重和预应力荷载；工况二采用自重、预应力荷载和上部结构单侧施工荷载；工况三采用自重、预应力荷载和上部结构两侧施工荷载；工况四采用恒载、活载、预应力荷载和升温温差；工况五采用恒载、活载、预应力荷载和降温温差。5种工况下V形墩应力均满足设计要求。具体受力分析如下：

(1)工况一作用下V形墩应力计算结果如图10所示。根据应力计算结果可知，在V形墩预应力张拉完成阶段，墩顶系杆中部全截面受压。V形墩顺桥向最大压应力10.0MPa，最大拉应力1.0MPa；横桥向最大压应力0.75MPa，最大拉应力0.59MPa。

(2)工况二作用下V形墩应力计算结果如图11所示。在V形墩预应力张拉完成，架设一侧小箱梁的工况下，V形墩各部分应力状况良好。在扣除预应力锚固处效应、排除因构造简化导致的截面突变而引起的应力集中区域外，V形墩顺桥向最大压应力10.4MPa，最大拉应力2.0MPa，V形墩最大拉应力出现在未架梁侧斜腿外侧，因此设计需加强斜腿外侧配筋。V形墩横桥向最大压应力0.75MPa，最大拉应力0.67MPa。

(3)工况三作用下V形墩应力计算结果如图12所示。由应力云图可知，在V形墩预应力张拉和两侧小箱梁架设完成的工况下，V形墩各部分应力状况良好。由于预应力钢束对V形墩混凝土的挤压作用，V形墩顺桥向最大压应力8.8MPa，出现在墩顶系杆位置，最大拉应力为0.62MPa；V形墩横桥向最大压应力为0.78MPa，最大拉应力为0.52MPa。

(4)工况四作用下V形墩应力计算结果如图13所示。由应力云图可知，V形墩顺桥向应力最大压应力出现在墩底，为9.5MPa，最大拉应力为0.71 MPa；V形墩横桥向最大压应力为10.4MPa，也出现在墩底，最大拉应力为0.81MPa。

(5)工况五作用下V形墩应力计算结果如图14所示。V形墩顺桥向应力，最大压应力为5.3MPa，最大拉应力为0.92 MPa；V形墩横桥向最大压应力为1.2MPa，最大拉应力为1.1MPa。顺桥向和横桥向的最大拉力均出现在墩底约束区域，其余区域基本受压。

(a)顺桥向(b)横桥向

(a)顺桥向(b)横桥向

(a)顺桥向(b)横桥向

(a)顺桥向(b)横桥向

(a)顺桥向(b)横桥向

3 施工要点

先简支后连续梁桥具有简支梁桥和连续梁桥的优点，其简支梁可在工厂规模化预制，并通过湿接缝形成连续梁，从而极大地提高了桥梁的整体性。为提高该桥型施工质量，保障结构安全，本文给出以下3个施工要点。

(1)箱梁混凝土需达到设计强度的90%，且混凝土龄期不小于7d时方可张拉预应力钢束。预制梁内正弯矩钢束和墩顶连续梁处的负弯矩钢束均采用同时张拉，锚下控制应力为0.75fpk。

(2)后连续现浇段施工前，应严格按照要求对预制箱梁端头进行凿毛处理，湿润其表面并座浆，以保证新老混凝土的良好结合。

(3)桥墩和桥台属于大体积混凝土，其水化热量大，施工中应采取可靠措施防止混凝土内外温差过大而产生裂缝，如桥墩和桥台浇筑应在一天中温度较低时进行。

目前竹屿湖大桥已完成桩基、承台和V形墩施工，正在进行箱梁的架设安装，桥梁施工现场如图15所示。

4 结论

随着经济的高速发展，在保证桥梁结构安全的基础上，人们对桥梁美观的要求越来越高。本文依据平潭综合实验区竹屿湖大桥的结构设计方案，对第二联单幅桥模型和V形墩细部分别进行了力学性能分析，在该桥研究范围内得到了以下几点认知。

(1)V形墩-先简支后连续预制箱梁桥构造合理，轻巧美观，富有动感，起到了丰富城市景观的效果。

(2)正常使用极限状态短期效应组合和承载能力极限状态组合作用下V形墩墩底根部断面弯矩为负，上缘截面受拉。短期效应组合下V形墩最大裂缝满足规范要求，表明本桥V形墩斜腿夹角设置合理。

(3)V形墩斜腿和墩顶系梁构成了独立的承重和传力构件，可将支座荷载向下传递给基础。其中V形墩斜腿主要承受压力，墩顶系梁主要承受拉力，系梁内的预应力钢束可改善其应力状态。