国内V 形支撑结构桥梁设计与研究综述

唐杨

(重庆交通大学土木工程学院 400074)

引言

21 世纪以来,我国的桥梁工程得到了快速的发展,不仅在桥梁的跨度、长度、结构难度等方面有了明显的提高,而且越来越重视桥梁美学在结构设计中的体现,其中V 形支撑结构桥梁就是桥梁美学运用上的突出表现。20 世纪七八十年代,V 形支撑结构桥梁在我国的建设较少,只是在国外的相关文献中可以见到少量的这种结构形式。现在,我国的V 形支撑结构桥梁得到了快速的发展,出现了各种结构形式的V 形支撑结构桥梁。

V 形支撑结构桥梁近年来得到快速的发展,与其较多的优势是密不可分的。首先,在结构受力上,V 形支撑的设置减小了主梁支点之间的距离,降低了墩顶负弯矩和跨中正弯矩; 主梁支点之间距离的降低也同时降低了主梁的挠度,由于主梁的悬臂长度相对较短,使得施工过程中的变形控制更为容易; V 形支撑的设置也降低了墩身的高度,增强了桥梁的水平刚度。其次,V 形支撑的设置降低了主梁的弯矩,从而在结构设计时降低了主梁的设计高度。一般认为,V 形支撑结构桥梁比连续梁经济10% ～15% 左右[1,2]。最后,由于V 形支撑结构桥梁主梁高度较小,给人以轻盈美观的感受,同时V 形支撑相比于竖直墩更能给人一种挺拔有力的安全感[3]。

本文首先对V 形支撑结构桥梁的结构形式和设计参数进行统计分析,为以后V 形支撑结构桥梁的设计提供更多的参考数据,然后对V 形支撑结构桥梁的关键技术研究进行总结归纳,为今后V 形支撑结构桥梁的研究指明方向。

1 V 形支撑结构桥梁的设计参数研究

V 形支撑结构桥梁的设计主要在主梁和V 形支撑上,通过查阅相关文献和部分图纸,统计得到目前我国该类桥型的主梁和V 形支撑的设计参数。

1.1 V 形支撑结构桥梁的结构形式

目前V 形支撑结构桥梁主要有连续梁、连续刚构、刚构-连续组合梁、拱梁组合结构以及带挂梁的刚架等几种主要结构形式,见表1。在表1 中的结构形式一栏,1 代表连续刚构,2 代表连续梁(V 形支撑下设支座),3 代表带挂梁的刚架,4 代表刚构-连续组合梁,5 代表连续梁(V 形支撑上设支座),6 代表连续刚构与拱的组合结构,7 代表连续梁与拱的组合结构。以上七种结构形式的结构示意如图1 所示。

表1 V 形支撑结构桥梁统计Tab.1 Statistics of V-shaped support bridge

续表

图1 结构形式Fig.1 Structure type

V 形支撑连续刚构桥是V 形支撑结构桥梁中最为普遍的结构形式,其V 形支撑顶部与主梁固结,底部与承台固结,设计中主要以三跨为主,怀化舞水二桥[4]、青田塔山大桥[5]、上海泐马河大桥[6]均是其中鲜明的代表。V 形支撑连续梁桥有两种结构形式,一种将支座设置在V 形支撑的底部,一种将支座设置在V 形支撑的顶部。在V 形支撑的顶部设置支座的连续梁桥一般在V 形支撑的上部设置拉梁,拉梁与上部结构的主梁并没有连接,在V 形支撑的底部与承台固结,东莞万江大桥[7]和洛阳新区跨伊河桥[8]就是其中典型的代表。在V 形支撑的底部设置支座的连续梁桥是一般的简单结构形式[9],还有V 形支撑的顶部与主梁固结,同时在V 形支撑的两肢与主梁形成的倒三角区域内部设置腹拱的复杂形式,腹拱的拱脚与V 形支撑的跨中附近固结,拱顶与主梁固结,桂林龙门大桥[10]就是很好的例子,结构示意如图2。为了适应江河较宽的情况,出现了刚构-连续组合梁的结构形式,刚构-连续组合梁桥一般在桥梁的中间数墩设置V 形支撑,在桥梁的两侧设置竖直墩,竖直墩的墩顶设置支座,比如重庆云门试验段4#桥[11]中间设置两个V 形支撑,V 形支撑的两侧均为竖直墩,竖直墩墩顶设置支座。梁拱组合的V 形支撑结构可以使得桥梁的单跨跨径更大,一般在桥梁的主跨设置系杆拱,这种结构形式是V 形支撑连续梁桥(连续刚构)与拱形成的组合结构形式,黑龙江大黑河岛桥[12]就是V 形支撑连续刚构与拱的组合,北京温榆河景观桥[13]就是V 形支撑连续梁与拱的组合。以上几种结构形式在整体上均为超静定结构,带挂梁的刚构在桥梁整体结构上为静定结构,在结构形式上可以理解为将V 形支撑连续刚构的某一跨或某几跨的主梁断开,设置牛腿安装挂梁,桂林雉山漓江大桥[1]、赣州砂石大桥[14]就是其中的代表。

图2 带腹拱的V 形支撑连续梁Fig.2 Continuous beam with V-shaped support and abdominal arch

1.2 主梁结构参数

1.截面形式

V 形支撑结构桥梁的主梁截面形式以箱梁为主,也有少量其他的截面形式,比如杭州湾跨海大桥南岸接线工程[15]以及浙江平湖的青阳汇大桥主桥[16]中的V 形支撑结构桥采用T梁作为主梁截面,重庆云门试验段4#桥[11]采用钢-混凝土组合截面作为主梁截面,组合截面由两片工字钢梁和混凝土桥面板组合而成。根据桥宽的不同,V 形支撑结构桥采用的箱梁形式有单箱单室、单箱多室以及多箱多室,对于桥面较宽的桥型大多采用单箱单室或者单箱双室的双幅布置。绝大部分V 形支撑结构桥梁的箱梁都是变板厚的形式,主要表现在底板和腹板的厚度变化,而顶板通常是等厚度的。顶板厚度一般在30cm 左右,底板和腹板的厚度变化幅度较大,底板一般在20cm ～80cm 之间变化,腹板一般在40cm ～80cm 之间变化。由于篇幅限制,部分桥梁的横截面统计参数见表2。

表2 V 形支撑结构桥梁横截面参数部分统计数据Tab.2 Statistics of V-shaped support structure bridges on cross-section

2.梁长

V 形支撑两肢之间的主梁长定义为V 撑上梁长,主跨跨径与V 撑上梁长之差定义为V 撑间梁长。

根据全部统计数据,V 撑上梁长在9.5m～48m 之间,浙江平湖青阳汇桥[16]的梁长最小,桂林龙门大桥[10]的梁长最大,V 形支撑两肢之间的梁长占主跨跨径约12.2%～46.7%,其中百分比在20%～35%的约占70%,由于篇幅限制,部分桥梁的梁长统计参数见表3。

表3 V 形支撑结构桥梁梁长参数部分统计数据Tab.3 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length

3.梁高

一般V 形支撑结构桥梁采用变截面的主梁,通常在V 形支撑顶部与主梁连接的位置处梁高最大,跨中位置梁高最小,故而在统计分析中计算出了两个高跨比,将V 形支撑顶部与主梁连接位置处的梁高与主跨跨径之比定义为V 撑处的高跨比,将跨中处的梁高与主跨跨径之比定义为跨中处的高跨比。同时,将主跨跨径替换为V 撑间梁长,又计算出一组高跨比数据。由于篇幅限制,部分桥梁的梁高统计参数见表4。

表4 V 形支撑结构桥梁梁长与梁高参数部分统计数据Tab.4 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length and beam height

按桥梁的主跨计算,V 撑处的高跨比为1/16.9 ～1/44.6,其中1/20 ～1/30 约占73%,高跨比最小的是兰州深安黄河大桥[17],高跨比最大的是桂林龙门大桥[10]; 跨中位置的高跨比为1/21.7 ～1/59.9,其中1/25 ～1/45 约占70%,高跨比最大的是福建丘墩大桥[18-20],高跨比最小的是株洲五桥[21]。

按V 形支撑之间的梁长计算,V 撑处的高跨比为1/9.2 ～1/39.2,其中1/10 ～1/25 约占92%,高跨比最大的是桂林龙门大桥[10],最小的是兰州深安黄河大桥[17]; 跨中位置的高跨比为1/12.8 ～1/39.2,其中1/20 ～1/35 约占71%,高跨比最大的是宝鸡金陵河大桥[1],最小的是兰州深安黄河大桥[17]。

1.3 V 撑结构参数

1.截面形式

V 形支撑的结构类型大致可分为钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、劲性骨架预应力混凝土结构以及钢结构,表5 中V 形支撑结构类型一栏,1 代表钢筋混凝土结构,2 代表预应力混凝土结构,3 代表劲性骨架预应力混凝土结构,4 代表钢结构; 表5 中截面形式一栏,1代表矩形实心截面,2 代表空心箱形截面。由于篇幅限制,部分桥梁的V 形支撑结构统计参数见表5。

表5 V 形支撑结构参数部分统计数据Tab.5 Statistics of parameters on V-shaped support

从表5 中可以看出,大部分的V 形支撑采用钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构,约占统计总量的81%,劲性骨架预应力混凝土结构在V 形支撑中使用较少,大多是从施工方便的角度考虑的,但是相对浪费材料,因为劲性骨架使用的钢材会埋入到V 形支撑中成为结构的一部分,钢结构的V 形支撑更少,但也有重庆云门试验段4#桥[22]使用了钢结构作为V 形支撑的报导。从V 形支撑的截面形式上看,绝大多数的V 形支撑采用了实心的矩形截面,约占统计总量的83%。大多数桥梁的V 形支撑横桥向尺寸很大,一个承台上只固结一个V 形支撑或者一个承台的支座上只支承一个V 形支撑,也有一个承台上固结多个V 形支撑作为一幅的情况,这种V 形支撑的横桥向尺寸较小,通常在V 形支撑的横向有系梁连接成整体,如赤峰友谊大桥[23,24]横桥向有4 片V 形支撑,在V 形支撑的跨中有横系梁,洛阳新区的跨伊河桥[8]横桥向也有3 片V 形支撑,但横系梁设置在V 形支撑的顶部。V 形支撑的截面大多采用等厚度截面,还有部分变厚度的V 形支撑,一般都是上薄下厚的变化形式,比如浙江千岛湖大桥[25]、扬中夹江二桥等[26],也有极少数上厚下薄的变化形式,比如宁波后塘河大桥[27]、南通通吕4 号桥[28]。V 形支撑除了变厚以外,还有少数变宽的,一般采用上宽下窄的变化形式,比如广东中山东明大桥[29]、赣州沙石大桥[30]等。V形支撑的两肢截面一般情况下是相同或者相差不大的,而小榄水道特大桥[31]的V 形支撑的两肢截面存在较大差异,靠外侧一肢的截面尺寸为1.2m×10m,靠内侧一肢的截面尺寸为2m×13.8m。

2.夹角

V 形支撑与竖线之间的夹角主要在25° ～45°之间,约占统计总量的66.7%,部分统计参数见表5。V 形支撑的某一肢与竖线的夹角通常相同或者相差不大,也存在V 形支撑与竖线之间的夹角在整座桥梁的内侧与外侧相差较大的情况,比如小榄水道特大桥[31],靠内侧一肢与竖直线的夹角为55.4°,靠外侧一肢与竖直线的夹角为44.6°。

2 研究现状

V 形支撑结构桥梁目前的研究主要集中在V形支撑的受力特性、V 形支撑结构桥梁的施工方法及施工控制、V 形支撑的混凝土施工步骤、V形支撑结构桥梁的旧桥加固以及V 形支撑结构桥梁的动力特性。

2.1 V 形支撑结构桥梁的受力特性研究

1.局部受力特性研究

V 形支撑结构桥梁的局部受力特性研究一般是对V 形支撑0#号块的受力特性研究,一般将V撑与上部主梁形成的倒三角区域称为0#号块。0#号块的空间效应明显,施工过程复杂,对于板厚较大的V 形支撑可能出现深梁的受力特点,采用普通的梁单元不能够分析得到较为准确的细部受力状况,很容易造成混凝土结构的开裂。对此,很多专家学者对V 形支撑0#号块都采用实体单元做过精细化的有限元分析[32-38]。

研究表明V 形支撑连续梁桥(连续刚构桥)在施工过程中极易出现一些不利的施工工况,在这些施工工况下结构的某些局部区域会出现较高的拉应力。郁钧晖[39]分析宁波奉化江大桥时,在顶推施工阶段后,V 形支撑靠边跨侧内表面出现的拉应力达到4.68MPa。李旺丰[40]在用ANSYS 分析某V 形支撑连续刚构桥时,在二期恒载施工阶段,在V 形支撑边跨根部的外侧出现2.30MPa 的拉应力。胡明[41]在分析八渡南盘江特大桥时,计算荷载工况下在V 腿与主梁形成的夹角位置出现5.45 MPa 的拉应力。李立峰[42]在最大支反力的工况下,在V 形支撑根部的外侧出现1.10 MPa 的拉应力,在墩梁固结支座底面出现了0.91MPa 的拉应力,横隔板人孔出现0.89 MPa 的拉应力。唐杨[43]在分析龙门大桥0#号块时,在自重工况下,V 形支撑根部的内侧出现2.28MPa 的主拉应力。由此可见,在V 形支撑结构桥梁的设计过程中,V 形支撑0#号块需要建立实体单元模型进行详细的细部分析,对结构进行优化,避免施工过程中V 形支撑0#号块的混凝土开裂。以上施工工况分析大多将边界条件理想化,很少考虑精确的边界模拟。沈明[44]为了精确计算V 形支撑底部在顶推过程中的受力,采用了线性接触宽度和非线性接触单元两种边界模拟方法进行对比计算分析,最终计算得到V 形支撑根部截面的上缘部分区域出现1.64MPa 的拉应力,考虑到混凝土表面温度、收缩可能发生混凝土开裂,提出了在V 形支撑底部截面上缘设置预应力筋的加强办法。

以上的V 形支撑0#号块的施工过程分析一般都针对某一施工阶段直接建立有限元模型,鲜有精确考虑施工过程对V 形支撑0#号块受力的影响。刘孝武[45]采用单元生死技术模拟了施工过程,真实模拟了施工过程对0#号块受力的影响。

带系梁的V 形支撑结构桥梁,系梁也是一个容易受破坏的位置。刘一平[8]对带系梁的V 形支撑建立局部结构实体有限元模型进行分析,通过计算分析系梁在预应力作用下仍处于受压的工作状态,保证了结构工作状态下的安全。李梁等[46]研究了水化热和混凝土收缩徐变对系梁受力特性的影响,对比分析了整体浇筑施工和分段浇筑施工下系梁的受力。

V 形支撑拱梁组合体系桥的节点位置更为复杂,黄玲玉[47]以小榄水道特大桥为研究对象,对V 形支撑、拱和主梁的交汇点进行了有限元分析和试验研究,有限元理论分析结果与实测值的误差能够控制在30%以内。

V 形支撑0#号块的极限承载能力研究的很少。勾红叶[48]同样以小榄水道特大桥为研究对象,对V 形支撑、拱和主梁的交汇点进行了非线性受力行为的极限承载能力试验研究。袁明军[49]等以奉化江南翔桥为工程背景,建立了V形支撑0#号块的三维非线性有限元模型,研究了活载作用下V 形支撑0#号块的极限承载能力。

2.整体受力特性研究

邹志翔[50]以一座斜交的V 形支撑连续刚构桥为工程背景,采用梁格法建立了有限元模型,研究了汽车活载和自重、二期恒载作用下的空间受力特性,对V 形支撑斜交桥梁的设计提出了相关建议和注意事项。

由于V 形支撑结构桥梁的结构体系较多,一些专家学者对其受力特性进行了对比研究。龚俊虎[51]等以小榄水道特大桥为研究背景,对比研究了V 形支撑连续刚构桥和V 形支撑连续刚构-拱组合桥的受力特性,研究表明由于拱肋对V 形支撑连续刚构桥的加劲作用,活载作用下中跨最大弯矩和挠度下降50%,V 形支撑连续刚构-拱组合桥在后期收缩徐变作用下的挠度仅为V 形支撑连续刚构桥的12%,V 形支撑连续刚构-拱组合桥的竖向刚度是V 形支撑连续刚构桥的2.56倍以上。陈云[14]以赣州沙石大桥为工程背景,通过改变沙石大桥的边界条件和内部连接方式,对比研究了全设支座连续梁、不设挂孔连续刚构、设一个挂孔连续刚构、设三个挂孔连续刚构、连续梁与刚构组合、拱(V 撑上设挂孔)共6种结构体系的受力特性。

实际工程结构在现实中受到自重、二期恒载、预应力、温度(整体温度、温度梯度)、收缩徐变等各种外力的作用,所表现出来的受力是各种外力作用下的共同结果,单独研究某一项外力作用下的结构受力行为,对控制这种作用下的受力行为具有积极意义。徐治芹等[52]研究了整体升、降温作用下V 形支撑连续刚构桥的受力特性,从结构设计的角度,分析了影响V 形支撑连续刚构桥水平刚度的各项因素,提出了相关结构优化的建议。主要有合理减小V 形支撑下面的竖墩及V 形支撑的厚度,增大竖墩的高度,将有V形支撑的竖墩墩底设置铰接,释放弯矩约束。张绪林[53]等以株洲红港大桥为工程背景,研究了施工阶段和成桥阶段收缩徐变对V 形支撑连续刚构-拱组合桥引起的内力变化规律。研究表明在施工阶段,收缩徐变对三角区刚构及主梁的影响较小,对中跨主梁的内力及线形影响较大,在使用阶段,收缩徐变效应对主梁内力和竖向位移影响均较小。

V 形支撑结构桥梁的稳定性也有相关研究成果,刘迎倩[54]以小榄水道特大桥为工程背景,研究了V 形支撑连续刚构-拱组合桥的稳定性,研究表明拱肋的稳定性较弱,失稳模态为侧倾失稳,横撑的数量、布置形式和刚度对稳定性影响较大,“米”字形撑稳定性最好,“X”撑与“K”撑次之,“一”字形撑最差,拱肋自身的刚度对拱肋的稳定性也有较大影响。

对于箱型截面的主梁,必然存在剪力滞、扭转、畸变等空间受力行为。胡国伟[55]以小榄水道特大桥为工程背景,研究了V 形支撑连续刚构-拱组合桥主梁的剪力滞、扭转以及畸变效应。

3.结构参数对受力特性的影响研究

石飞停等[56]以青田塔山大桥为工程背景,研究了基础刚度、V 形支撑的倾角和厚度以及合龙顶推力对V 形支撑连续刚构桥整体受力性能的影响,得到了结构参数对主梁结构内力状态的影响规律。研究表明V 形支撑的倾角对主梁和V形支撑的受力性能有很大的影响,V 形支撑边跨侧一肢对应的主梁截面负弯矩和中跨侧一肢对应的主梁截面负弯矩均随着V 形支撑与竖直线夹角的增大而减小,V 形支撑两肢之间的主梁负弯矩有相同的变化规律,主梁的轴力有相反的变化规律; V 形支撑中跨侧一肢的弯矩随着V 形支撑与竖直线的夹角的增大而增大,V 形支撑边跨侧一肢的弯矩有相反的变化规律,V 形支撑与竖直线的夹角对V 形支撑的轴力影响不大; V 形支撑边跨侧一肢的弯矩和中跨侧一肢的弯矩随着V 形支撑厚度的增加而增加,V 形支撑厚度的变化对V形支撑的轴力影响不大; 相对而言,V 形支撑的倾角对主梁和V 形支撑的受力状态影响较大,而其他参数影响较小。张亚东等[57]在对V 形支撑的倾角和厚度对V 形支撑连续刚构桥受力特性的影响分析上也得到了一致的结论。

以上V 形支撑的倾角对V 形支撑连续刚构桥的受力特性影响规律是各种荷载作用下的综合效果,张玺[58]分别研究了自重、预应力、二期恒载、整体温度以及温度梯度作用下V 形支撑倾角的变化对V 形支撑连续刚构桥受力特性的影响。

童远飞[59]以西安地铁三号线V 形支撑连续刚构桥为工程背景研究了基础刚度对结构整体受力的影响,不考虑基础刚度时将承台以下固结处理,考虑基础刚度时将群桩按等刚度原则模拟成两根短柱,柱底固结,使得群桩和两根短柱在单位水平位移、单位竖向位移、单位转角下所需施加的外力相等。研究表明是否考虑基础刚度对结构的内力有很大影响。

2.2 V 形支撑结构桥梁的施工方法及施工控制研究

1.施工方法研究

总体上来看,V 形支撑部分的施工多采用支架现浇施工,只是设置支架的形式有所差别,常见的有以下几种形式： (1)满堂支架法; (2)平衡内支撑法; (3)预埋劲性骨架法; (4)鹰架+临时墩; (5)型钢支架+ 拉杆。桂林龙门大桥、南翔桥均采用满堂支架法搭设支架[60]; 千岛湖大桥、东阳江大桥、南京集庆门大桥采用平衡内撑法搭设支架[61]; 黄州大桥埋置劲性骨架,通过拉杆形成稳定的倒三角结构,是典型的预埋劲性骨架法; 南昆铁路南盘江大桥采用鹰架+临时墩[62,63],成功实现了高墩支架的搭设; 怀化市舞水二桥采用型钢和拉杆组成V 形支撑的支架,型钢用于制作斜托梁[64]。当倒三角结构受力平衡能够满足时,也可以不设置平衡塔架,仅用拉杆代替,同时不设置劲性骨架[65]。除了支架施工以外,V 形支撑部分也有采用预制拼装施工的,一般针对横桥向有多片V 形支撑的情况,一般来说由于横桥向尺寸较小,单片V 形支撑的自重也不会太大,采用预制拼装施工的有平湖青阳汇大桥。平湖青阳汇大桥施工中,V 形支撑的倒三角桁片一次性安装到位,为了防止桁片安装时的倾倒,在V 形框架的底面设置高为8cm 的榫块,承台顶面设置凹槽,安装桁片时涂以环氧水泥砂浆,在承台上设置预埋钢板与V 形框架底部两侧预埋的角钢焊牢,同时将横桥向数个桁片底座浇筑混凝土连成整体,并与承台伸出的钢筋相连[16]。

V 形支撑之间的中、边跨主梁普遍采用悬臂浇筑施工和支架现浇施工,对于地质条件较好、河流不太深的桥梁多采用支架现浇施工,对于水流太深、支架过高或者有通航要求的一般采用悬臂浇筑施工。也有少部分的主梁采用顶推施工,一般在V 形支撑施工完成后进行,V 形支撑的顶部可能设置支座,也可能顶推完成后将主梁与V形支撑顶部固结。比如福建丘墩大桥、东莞万江大桥均采用顶推施工法,所不同的是福建丘墩大桥在主梁顶推完成后将主梁与V 形支撑顶部固结形成V 形支撑连续刚构,而东莞万江大桥在顶推完成后在V 形支撑的顶部设置支座形成V 形支撑连续梁[66]。除了顶推施工以外,还有预制拼装施工,比如杭州湾跨海大桥南岸V 形墩跨线桥,在中跨和边跨设置横截面为3 片预应力混凝土T 梁的预制件,最终形成带挂梁的刚架结构[15],又如洛阳新区跨伊河桥,在V 形支撑施工完成后首先架设小箱梁形成简支结构,然后通过现浇使得简支变连续[8]。除此之外,还有少数V 形支撑结构桥梁采用转体施工法,比如郑西铁路客运专线洛河特大桥,首先在既有路两侧平行于既有路方向通过支架现浇施工,梁部施工完成后转体合龙,从而跨越既有路[67]。

2.施工控制研究

相比于普通的连续梁桥或者连续刚构桥,V形支撑结构桥梁的施工过程更为复杂,为了保证桥梁的成桥线形和受力状态,需要仔细分析施工过程中的受力变化,优化桥梁结构的施工步骤,采用有效的应对措施。对此,针对V 形支撑结构桥梁施工控制的研究也不少。

赵会东等[68]针对V 形支撑基础受到较大水平力的特点,分析了产生水平力的各项因素,分析结果表明活载、均匀温度、支座沉降变化引起的水平力是双向的,这部分水平力无法调整,自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、施工荷载产生的水平力是单向的,其中混凝土收缩徐变和施工荷载占较大比例,对此提出了内力主动调整的办法,在中跨合龙之前施加预顶力,并设法保持预顶力,抵消或者部分抵消混凝土收缩和施工荷载产生的水平力,从而减小基础所承担的水平力。张飞等[69]针对V 形支撑连续刚构桥,研究了合龙温度对顶推力所引起的结构变形和结构受力的影响,研究表明低温合龙设置的顶推力要低于高温合龙,低温合龙对主梁的竖向变形控制有利,使得成桥后主梁线形更为平顺,采用低温合龙会使得在顶推时、成桥后的结构受力更为安全合理。

李国亮[70]针对一座V 形支撑连续刚构桥,研究了满堂支架的拆除时机对结构受力的影响,研究表明倒三角区支架的拆除时机对桥梁在施工阶段及成桥后的内力均有显著影响,建议在施工过程中早拆支架,使结构受力明确。

吴春朝[71]通过对卧龙湖大桥进行有限元分析,发现在V 形支撑二次浇筑时斜肢根部会出现裂缝,裂缝宽度已经超过公路质量评定要求,通过优化图纸,在V 形支撑根部添加抗裂钢筋,将普通钢筋混凝土改为钢纤维混凝土,从而限制了裂缝宽度。

另外,较多的V 形支撑施工会张拉临时预应力钢束,一般在V 形支撑的两肢设置粗钢筋或者预应力钢绞线进行对拉。李中培[72]等对临时预应力的张拉力进行了优化设计,提出以V 形支撑根部和端部箱梁不利区域的最大主拉应力以及单根圆钢立柱的最大竖向和水平反力为控制目标的最优张拉力。

2.3 V 形支撑的混凝土施工步骤研究

不同的施工步骤将对结构的受力有着较大的影响,不仅影响结构的最大主应力值还会影响结构受力的分布,V 形支撑0#号块的施工过程复杂,施工步骤多样,在制定具体施工方案时需要制定多套施工方案进行比选。

V 形支撑的施工主要有一次浇筑和多次浇筑两种,V 形支撑上主梁的施工步骤形式多样,主要有竖向分层浇筑、纵桥向分段浇筑和竖向纵向混合浇筑,竖向的分层最多一般为三层,即底板部分、腹板部分、顶板部分,纵桥向分段主要有两种分法,其一为三段式分法,分为左侧主梁段、跨中2m 合龙段、右侧主梁段,其二为五段式分法,分为左侧汇合段、左侧2m 合龙段、跨中主梁段、右侧2m 合龙段、右侧汇合段。

孙才杰[73]对比研究了V 形支撑0#号块的两种施工过程对混凝土收缩产生的影响,两种施工过程的区别在于V 形支撑上主梁的施工,方案一为先浇筑V 形支撑两肢之间的主梁,然后浇筑V形支撑一肢与上部主梁的汇合区域,最后浇筑另一肢与上部主梁的汇合区域,方案二为先浇筑V形支撑顶部及主梁底部,然后浇筑主梁中部,最后浇筑主梁顶部。方案一就是典型的纵向三段式浇筑,方案二为竖向分层浇筑。舞水二桥的0#号块施工(纵桥向长25m),先浇筑V 形支撑两肢之间的跨中13m 梁段,然后浇筑两侧各4m 的V 形支撑与主梁的汇合段,最后浇筑跨中13m 梁段两侧各2m 的合龙段[74]。舞水二桥的施工步骤即是典型的纵向五段式施工。南通市通吕4 号桥的主梁浇筑分三步,第一步浇筑至腹板顶部,同时浇筑V 形腿与主梁汇合段,第二步浇筑顶板,第三步浇筑合龙段混凝土[75]。南通市通吕4 号桥的施工步骤即是竖向纵向混合浇筑施工。

2.4 V 形支撑结构的旧桥加固研究

现役与在建的V 形支撑结构桥梁越来越多,由于目前车辆超载现象较为普遍,V 形支撑0#号块空间受力复杂,此种结构类型的桥梁加固研究也将越来越多。

张国庆[76]对某座V 形支撑预应力混凝土连续梁桥进行精细化的有限元分析,发现V 形支撑顶部的拉梁在跨中位置存在较大的下挠,同时端部的主应力过大,与现场观察的桥梁开裂位置一致,最后重新建立拉梁失效的有限元模型(模型中去掉拉梁),计算表明拉梁失效后,最大主拉应力出现在V 形支撑的根部,最终提出了亲水环氧树脂灌浆处理裂缝并且在V 形支撑上缘设置体外预应力的加固措施。

李永河[77]对高平大桥V 形支撑连续斜梁桥进行原位荷载试验,分析了旧桥病害的成因,提出了加固措施。主要有增设体外预应力钢束、粘贴钢板,将桥端至V 形支撑3m 桥跨范围用钢筋混凝土填实。

2.5 V 形支撑结构桥梁的动力特性研究

1.自振特性研究

桥梁施工结束到正式通车前都会对桥梁进行荷载试验,荷载试验中就需要对桥梁的动力特性进行检测。王巍等[78]研究了CRH2C 动车组以不同车速通过V 形支撑连续刚构桥时桥梁的自振特性和动力响应,分析了桥梁在动载作用下的工作状态,试验结果表明,在动车组激励下,跨中横向振幅出现峰值效应,桥梁横、竖向刚度均满足规范要求,动力性能良好。陈世九[79]对一座V形支撑连续刚构桥进行脉动试验和跑车试验,得到自振频率、阻尼比、振型以及不同跑车工况下的冲击系数和竖向加速度响应值,同时建立有限元模型进行对比分析,试验与理论分析表明,该桥实际刚度较大,行车较为舒适,结构偏于安全。

张祥彬[80]以小榄水道特大桥为工程背景,研究了该桥的自振特性,同时研究了二期恒载与桩-土-结构相互作用对桥梁动力性能的影响。

2.抗震性能研究

刘世明等[81]以石家庄友谊大街桥为工程背景,进行E1 地震作用下的反应谱分析,研究表明预应力引起的次内力有时会超过预应力引起的一次内力,设计中应该特别注意主跨跨中以及V形支撑附近截面的次弯矩和边跨跨中截面的次剪力。

程炜钢等[82]以新洋港V 形支撑连续刚构桥为工程背景,采用反应谱法和一致时程激励法研究了在E1 地震作用下的内力和位移响应,研究表明地震作用下的位移响应较小,竖向地震荷载作用对V 形支撑的轴力和主跨跨中内力影响较大。

王积鑫[23]以赤峰市友谊大桥为工程实例,采用多模态反应谱法分别在E1、E2 地震作用下对结构进行抗震设计,然后采用非线性动力时程分析法对结构的抗震性能进行评价。在日本神户地震波的作用下,结构达到屈服剪力,无论横桥向还是顺桥向均进入屈服状态,但未进入极限状态。

总的来看,目前对于V 形支撑结构桥梁的动力特性研究较少,由于V 形支撑结构桥梁的结构体系多样,还需要更多的试验和理论研究。

3 总结与展望

通过数十座V 形支撑结构桥梁设计参数的统计分析,可为今后该类桥型的设计提供参考。同时,通过目前的研究文献发现,还有以下几点有待进一步深入研究。

1.V 形支撑0#号块空间受力复杂,目前很多局部受力分析都是针对施工过程中的某一施工步骤的结构直接建模进行分析,没有考虑施工过程对结构受力的影响。需要进一步对比研究两种建模方法对结构受力分析的区别和差异。

2.V 形支撑0#号块的施工一般采用支架浇筑施工,支架的搭设方法对结构的传力路径具有较大影响,从而对0#号块的受力大小及应力分布产生影响,目前都是针对一种支架搭设方法的受力研究,多种支架搭设方法的受力行为对比有待进一步研究。

3.V 形支撑0#号块的施工步骤设计方案较多,需要结合工程实际仔细对比分析才能拟定最合适的施工步骤方案,但目前对于不同施工步骤对V 形支撑0#号块受力影响的对比分析研究较少。

4.目前对V 形支撑结构桥梁的加固研究较少,且针对的结构体系单一,随着现役桥梁服役时间的延长,会出现更多不同结构体系的V 形支撑结构桥梁的损伤,更为复杂的结构加固研究可能是一个研究方向。

5.目前V 形支撑结构桥梁的动力特性研究较少,主要集中在静力特性方面,此种结构的动力特性还有较大的研究空间。