V形桥墩施工关键控制研究

王战国，张卫国

（1.宁波杭州湾新区开发建设有限公司，浙江 宁波 315336；2.江西省交通运输科学研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

V形连续刚构桥因其抗弯刚度大、适应桥跨变形、造型美观等优点，广泛应用于当今的桥梁工程领域。通过斜撑，使主梁的跨径减小，墩顶的负弯矩减弱，从而降低了上部梁截面高度，提高了桥梁的跨越能力[1-3]。但是由于V墩自身的结构特点，墩底及墩梁交界处应力复杂，平面杆系单元无法准确表示实际局部受力状态，因此本文采用实体单元建模[4]，分析V墩部最不利位置应力，进行施工控制。随着计算机的发展，有限单元法得以广泛应用，特别是对于复杂结构体系的力学分析，使用有限单元法计算可以大幅简化计算并且结果满足一般工程需要。本文以宁波杭州湾新区滨海四路跨陆中湾江桥为实例，应用工程有限元分析软件Midas Civil建立了V墩三维实体单元模型，依照施工流程，进行仿真模拟，分析了主要部位的应力分布规律；对比了不同工况下V墩的应力大小，为指导施工提供了理论依据。

1 概述

宁波杭州湾新区滨海四路跨陆中湾江桥梁（简称滨海四路桥）为三孔一联V形连续刚构桥，主桥1#和2#墩为混凝土V形墩，V墩与上部箱梁固结，边墩为球形钢支座，跨径布置为50 m+80 m+50 m，桥梁总长为183.7 m。桥梁宽度为50 m，分两幅布置。上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，为双向预应力结构，纵向按全预应力混凝土结构设计。箱梁为单箱三室斜腹板截面，箱梁跨中梁高为2.0 m。

主墩为1#、2#墩，结构形式为混凝土V形墩，V墩斜腿与上部箱梁固结，斜腿为矩形截面，厚度1.3 m，横向宽度16.343 m。V形墩与主墩中心线对称，夹角为58°，V形墩底部顺桥向厚度为3.5 m。桥型布置见图1。

图1 滨海四路刚构桥桥型布置图（单位：cm）

本工程V形墩和主梁均采用支架法现浇施工。由于桩基和承台施工已采取了大围堰且河床承载能力较高，故对V形墩采用落地满堂支架法施工。支架采用Ф48×3.2 mm碗扣式钢管。V形墩结构的总体施工顺序为：搭设V形墩及0号段弧线区支架、1号段钢平台→V形墩斜腿浇筑→0号段横梁及其外侧部分一次性浇筑→横梁处临时预应力张拉→0号段剩余部分（墩顶区）支架→0号段剩余部分（墩顶区）浇筑→V形墩和0号段预应力张拉。V形墩及脚手架布置见图2。

图2 V墩支架布置图（单位：cm）

2 建立有限元实体模型

本模型使用通用有限元工程软件Midas Civil按照V形墩实际施工顺序建立。V墩及墩顶箱梁采用实体单元建立，脚手架及临时支撑钢管采用梁单元建立，其中墩身及箱梁的材料特性为C55混凝土，脚手架及临时支撑钢管的材料特性为Q234。根据V墩形状及主梁尺寸，本模型选用的是选用6节点实体单元进行模型划分。在保证精度同时又不大量增加计算量的前提下，模型的单元的划分间距控制在0.5 m以内。

V墩下部脚手架与V墩采用仅受压连接，V墩底部与支架底部采用端部固结。为了模拟施工过程中墩部的受力情况，本文按照V墩的施工顺序（见表1）建立了仿真计算模型见图3～图5。

表1 V墩施工顺序

图3 V墩斜腿浇筑

图4 箱梁底部浇筑

图5箱梁上部浇筑

图3 所示模型共11 194个节点，13 328个实体单元。图4所示模型共24 655个节点，26712个实体单元。图5所示模型共28 804个节点，31 920个实体单元。总体坐标系以V墩墩底中心线与墩部左侧截面中心线交点为坐标原点，以竖直向上为Z轴正方向，以横桥向指向桥面中心线为X轴正方向，以顺桥向指向中跨方向为Y轴正方向。

3 应力分析

3.1 V墩施工工况下的应力分析

根据Midas Civil中计算结果的输出格式，计算结果通过如下表示：X轴方向的轴向应力σxx，Y轴方向的轴向应力为σyy，Z轴方向的轴向应力为σzz，其中应力以受压为负，受拉为正。

对没有采用临时钢束张拉V墩按照施工顺序进行模拟分析，具体计算结果见表2及图6。

表2 V墩斜腿各施工阶段应力表

图6 V各施工阶段墩应力图

从图6及表2可知，第二、三施工阶段，V墩根部出现了拉应力区，特别是第三施工阶段，虽然V墩上缘拉应力变小，其拉应力主要由V墩上箱梁底板承担，拉应力平均达到1.5 MPa，局部箱梁底与V墩接触面达到2.4 MPa，箱梁底板及 V墩可能会出现开裂，这种情况对于V墩结构来说是十分致命的。因此必须在施工阶段采取一定的措施来减小拉应力，保证V墩结构的受力在允许范围之内。

3.2 施加临时张拉力

通过查阅文献[5,6]可知，V墩在第一阶段浇筑完成后，承担竖向荷载的能力很差，同时根部出现较大的拉应力，这对V墩结构是非常不利的。为了避免这种情况，一般做法是在V墩斜撑部位临时张拉水平对拉束，实际布置位置和张拉力需要根据实际结构通过计算得到。本工程临时张拉体系采用两层直径为32 mm的精轧螺纹钢筋，每层布置9根。0#块混凝土分两次浇筑，两次浇筑过程中需对张拉力进行调整，具体布置见图7，临时张拉系统采用单端张拉方式。

图7 V墩临时钢束布置图（单位：cm）

具体张拉顺序如下：

（1）0#块钢筋绑扎完成后，张拉第一层、第二层钢筋，张拉顺序为先两边后中间。第一层（底层）钢筋每根张拉至20 t，总拉力为180 t，第二层（靠近0#支架）钢筋每根张拉至30 t，总拉力为270 t。（确保混凝土不脱离支架）。

（2）0#箱梁底板混凝土浇筑一半方量时，第一层（底层）钢筋每根张拉至40 t，总拉力为360 t，第二层钢筋每根张拉至50 t，总共张拉力为450 t。

（3）0#箱梁底板混凝土养护好后，提前张拉底板4根预应力钢束，保证在箱梁顶板、腹板浇筑过程中，底板不产生拉应力。

图8是在施工的第二、三阶段加入临时张拉力后由Midas模拟的V墩结构的整体应力状态，其中临时张拉束通过索单元进行模拟。临时张拉V墩斜腿各施工阶段应力见表3。

图8 临时张拉施工阶段V墩应力图

表3 临时张拉V墩斜腿各施工阶段应力表

从以上应力分析中可以看出，在张拉临时束后，V墩根部的拉应力得以改善，大部分拉应力区转化为了压应力区，而且第三阶段施工完成后，箱梁底板拉应力平均为0.5 MPa，结构处于安全。

4 施工监控

为了监控V墩在施工过程中的实际应力情况，在V墩受力的关键部位安装了埋入式混凝土应变传感器（见图9）。表4为实测数据。

图9 V墩现场传感器埋置

表4 V墩关键部位实测应力

由图10 V墩应力结果对比，可知，Midas实体模型分析结果与现场测量数据基本一致，采用临时张拉措施后，V墩及0#箱梁在施工过程中基本处于受压状态，满足结安全，并且混凝土浇筑前后对现场V墩根部及箱梁底部进行观测，均未出现结构裂缝。

图10 V墩应力对比值

5 结论

由于V墩在建造过程中结构应力复杂，在设计及施工阶段应着重注意拉应力区域的出现。通过加强V墩下部的脚手架体系或在V墩墩身处施加临时张拉束，都可以有效消除墩身根部出现的拉应力区。本文以滨海四路桥的V墩施工过程为实例，建立了V墩实体单元模型，对比分析了张拉临时束前后V墩的空间应力状态，为实际施工方案提供了理论依据。

通过仿真模拟可以发现，通过施加临时张拉力可以有效消除V墩根部拉应力区，同时优化最大受压区的压应力；通过预埋传感器实测结果也可以证明，在V墩的关键部位并未出现拉应力区，V墩结构受力安全。