某空腹式连续梁桥V构区域受力性能研究

陈 海 清

(福州市城乡建设发展有限公司， 福建 福州 350003)

随着桥梁工程的发展，预应力混凝土连续梁桥从材料到跨度都取得了巨大的突破。空腹式V构变高度梁，以V构的形式来增加根部梁的高度，减少结构重量，提高跨越能力，同时能使梁底呈现明显的拱形，增添桥梁的柔美[1]。具有梁式桥、斜腿刚架桥的特点，结构受力性能较好，支座周围结构刚度相比普通连续梁桥桥墩大大提高，兼具结构构件尺寸减小，造价经济等优势[2-4]，从而大大受到青睐。

但是，空腹式连续梁桥V构部分结构复杂，截面形式变化多样，各交汇点局部应力较大[4-5]。同时，空腹式V构在上、下弦分离后又结合，形成封闭环状结构，受施工工艺、混凝土收缩、环境温度等因素影响[6-7]，施工及运营过程中可能会产生拉应力，混凝土结构产生裂缝的机率很高，对结构的耐久性使用寿命有较大影响[8-9]。现有资料对变截面连续梁V构受力性能研究还相对较少，大多仅对施工方法进行了说明，而尚未给出有关V构局部在各个工况下应力的明确计算方法[10-12]。

以某实际工程为背景[13-14]，建立MIDAS/Civil有限元模型[15]，对V构区域的各个施工阶段及成桥阶段进行详细的受力分析，得到结构的实际受力状态。为该工程的建设提供技术指导，同时可供同类桥梁参考。

1 背景工程

背景工程分左右幅采用双向八车道规模，两侧设非机动车道、人行道，桥面宽度42.5 m。通航主跨采用240 m空腹式钢混凝土混合变截面连续箱梁结构，过渡跨采用123.5 m变截面连续箱梁结构，副跨采用多孔83 m变截面连续箱梁结构。全桥孔跨布置为(71+9×83+71) m+(71+83+123.5+240+123.5+83+71) m=1 684 m，分为主、副桥两联。其中主桥联长为(71+83+123.5+240+123.5+83+71) m=795 m，副桥联长(71+9×83+71) m=889 m。桥型布置如图1所示。

图1背景工程桥型布置图(单位：cm)

主V构细部构造图如图2所示，总长56.2 m，宽20.25 m，立柱截面高4 m。支点位置上弦梁高3.8 m，向两侧利用2次抛物线ΔH=0.003994083X2增加梁高，上弦顶板厚0.35 m～0.50 m，腹板厚0.90 m，底板0.40 m；下弦竖向高度4.50 m，交汇后箱梁高度及梁顶至下弦底距离按3.8次抛物线ΔH=0.000000220481X3.8变化，下弦顶板0.8 m，底板1.0 m，腹板和上弦同厚度。

图2主V构构造图(单位：m)

2 主V构施工工艺

V构结构复杂，应力复杂，选择合适的施工工艺对结构最终受力，施工的操作性、经济性尤为关键。通常V构的施工工艺有全支架法施工、挂篮加支架法施工与支架加扣索法施工等。

全支架法施工通过在陆上或水中搭设支架作为支撑结构，施工完V构下弦后，再在下弦上搭设支架施工上弦，V构合龙后张拉永久预应力；挂篮加支架法施工通过搭设墩旁支架或三角架施工下弦0#节段，采用挂篮依次对称悬浇下弦节段，施工过程中通过扣索对拉调整下弦内力及线形，再在下弦上搭设支架施工上弦，最后挂篮施工V构合龙段；支架加扣索法通过在承台及水中搭设支架作为支撑结构。施工完V构下弦，第一次张拉临时预应力，在下弦上搭设支架施工上弦(分2次浇筑并预留后浇带)，上弦第一次浇筑完成后，第二次张拉临时预应力，浇筑后浇带，浇筑上弦顶板，合龙V构段，张拉永久预应力完成V构施工。

采用支架加扣索法施工，结构受力明确，利于施工控制，且施工速度快，施工周期短。为了满足工程进度要求，该背景工程首先排除挂篮加支架法施工。同时，主V构高度高、混凝土方量大，自重较大，若采用全支架法经济性较差，而通过临时扣索能有效减少支架用量，因此，最终采用支架加扣索法。

具体施工如下：墩顶56.2 m段设置现浇支架进行混凝土浇筑。现浇支架从下往上为：φ 800×10 mm钢管桩基、2HM60纵梁、φ630×12 mm承台钢管立柱、2HM60曲梁、2[25@90 cm 次梁、纵向分配梁[8@90/30 cm、10×10 mm木方@15/10 cm及15 mm厚竹胶板模板。同时为保证施工完成后V构内力情况与原设计内力情况一致，在现场施工过程中增加预应力临时扣索(42束)，并通过临时扣索调整V构内力，使V构在施工完成后内力情况同设计状态接近。主墩V构支架断面如图3所示。

图3主墩V构支架断面图

3 有限元计算模型

3.1 有限元模型

采用桥梁专业软件MIDAS/Civil进行分析计算，空间计算模型如图4所示。全桥共587个节点，494个梁单元。建模过程中材料参数与实际结构一致，为C55混凝土(弹性模量35.5 GPa，泊松比0.2，质量密度2 549 kg/m3)和Q370qD(材料采用理想弹塑性模型，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，质量密度7 850 kg/m3，屈服强度370 MPa，抗拉强度510 MPa)。受力钢筋采用HRB400普通钢筋，预应力束采用фs15.2钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。部分竖向预应力采用精轧螺纹钢筋，其标准强度fpk=785 MPa，单根精轧螺纹钢筋张拉控制应力为0.9fpk=706.5 MPa，物理参数均按照对应规范设定。

图4有限元计算模型

3.2 主V构

主V构空腹细部构造模型如表1所示，上弦梁通过29个节点和28个梁单元进行模拟；下弦梁通过45个节点和44个梁单元进行模拟。

表1 主V构截面模型

3.3 边界条件

采用有限元MIDAS/Civil进行边界条件模拟时，V构结构与主梁交汇处及主梁立柱连接均采用刚性连接模拟，V构墩梁临时约束以及永久支座采用弹性连接，通过设置竖向、横桥向、纵桥向(SDx=2.4×108MPa、SDy=2.4 MPa、SDz=2.4 MPa)刚度进行模拟。主梁中心节点和立柱、立柱底部节点和支座顶部节点之间均采用刚性连接模拟，支座底部用一般支承固结，边跨、次边跨、次主跨现浇段的临时支架采用弹性连接的仅受压模拟。主V构结构的扣索施工通过赋予两次扣索张拉力的只受拉桁架单元来模拟，主V构结构对应的上弦主梁、边V构结构和次边V构结构的支架施工均采用弹性连接的仅受压模拟。有限元模型中相对应的边界模拟如图5所示。

图5边界条件模拟

3.4 荷载组合

施工阶段分析采用标准值组合，考察施工期间各作用的标准值合力效应；成桥阶段主要考察短期效应组合，成桥阶段考察的主要组合为：恒载+支座沉降+汽车+人群+温度+制动力。

4 施工阶段V构受力性能分析

4.1 施工步骤

主墩V构高度20 m，根据其结构特点，立柱分为5次浇注，上、下弦分4次对称浇注。在上弦正中位置设置湿接缝以防止箱梁混凝土开裂。各施工阶段索张拉力大小，依据V构施工顺序计算，保证施工期间结构的安全、成桥后线性与应力达到设计要求。

4.2 主要杆件受力性能分析

经验算，纵梁、曲梁、次梁、纵向分配梁等杆件受力情况如表2所示，均小于规范限值，主要杆件受力满足设计要求。

表2 主要杆件受力情况 单位：MPa

4.3 施工阶段V构受力性能分析

V构扣索施工重点关注混凝土构件应力、扣索拉力、支架反力三个方面，与此密切相关的施工阶段分别为：阶段一：扣索第一次张拉；阶段二：上弦非合龙段浇筑；阶段三：扣索第二次张拉。

施工阶段属短暂状况，混凝土应力计算主要对构件在预应力和自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力进行计算，应力验算主要有：

各主要施工阶段V撑上、下弦截面混凝土顶、底缘法向拉应力及法向压应力示于表3和表4，发现所有混凝土应力均小于规范限值。

各主要施工阶段扣索拉力示于表5。各主要施工阶段支架反力示于表6。各主要施工阶段V 撑截面底缘法向应力示于表7。

表3各主要施工阶段下弦截面混凝土应力单位：MPa

应力类型应力部位应力阶段一阶段二阶段三拉压顶缘0.10.20.4底缘———顶缘0.60.41.6底缘0.91.12.5

表4各主要施工阶段上弦截面混凝土应力单位：MPa

应力类型应力部位应力阶段一阶段二阶段三拉压顶缘—0.30.3底缘——0.7顶缘——0.5底缘—0.50.3

表5 各主要施工阶段扣索拉力

表6 各主要施工阶段支架反力

表7各主要施工阶段V撑截面底缘法向应力单位：MPa

阶段应力图阶段一阶段二阶段三

在第一阶段，计算结果为：V撑下弦支点最大反力为836 kN，拉索内力为3 000 kN，下弦未脱架，支架可共同承受下弦的重量，拉索初步参与受力。主V撑下弦已经施工完成，由于下弦支架无法承担V撑全部重力，此次进行扣索张拉主要为下弦支架分担后续上弦施工带来的重力。

在第二阶段，计算结果为：V撑上下弦交汇处反力合力为10 545 kN，下弦支架共有24根钢管桩提供18 720 kN设计承载力，支架系统有足够承载力。采用下弦支撑上弦现浇支架，上弦浇筑带来的重量由支架、下弦、拉索三者共同承担。

在第三阶段，计算结果为：下弦支架反力为0 kN，拉索内力为7 000 kN～8 000 kN。下弦完全脱架，V撑重力由拉索和支座承担，主V撑尚未合拢形成超静定的结构。

5 成桥阶段V构受力性能分析

V构受力性能按规范要求的荷载组合进行验算。三类最不利荷载组合作用下构件顶缘、底缘产生的应力如图6、图7所示，由图7可知，成桥阶段V构处于受压状态，且最大压应力小于规范限值，符合要求。

图6 V构应力包络图(单位：MPa)

图7V构承载能力极限状态组合下最大主

应力云图(单位：MPa)

6 结 论

(1) 施工阶段应重点关注混凝土构件应力、扣索拉力、支架反力三个方面，及与此密切相关的三个阶段：在锁扣第一张拉阶段，下弦未脱架，主要由下弦支架承重，扣索分担；在上弦非合拢段浇筑阶段，下弦、下弦支架、扣索共同承重；扣索第二次张拉后，下弦完全脱架，V撑下弦和部分上弦重力完全由扣索和支座承重。下弦杆底缘始终处于受压状态，满足设计要求。

(2) 成桥阶段V构在承载能力极限状况最不利荷载组合、正常使用极限状况、弹性阶段应力验算的标准组合下，各截面混凝土压应力均满足要求。