V 型钢混结合桥墩的计算分析与设计优化

薛弘毅

（东南大学建筑设计研究院有限公司交通分院，江苏 南京210096）

1 桥梁概况与V 型钢混结合桥墩

桥墩是桥的主要支撑物，承担着将桥上部构造的自重和外荷的负荷传递到承销台的基础上的作用。在不同的桥梁下部结构形式中，V 形墩造形轻巧优美, 墩顶与上部构造可采用固结,成为斜腿刚构；在地震的作用下，钢筋混凝土的桥墩容易发生桥墩的倾斜和裂缝，甚至倒塌。因此，采用延展性更好的钢混组合断面的桥墩，可以提高抗震性能。

本桥为锦江桥的西侧连接匝道桥，位于成都市绕城高速南侧。本桥采用v 型钢管混凝土桥墩，混凝土承台，钻孔灌注桩基础。本西侧匝道桥分为2 联，桥梁总长178.5m，跨径布置为(3.5+3×25)m+(3×24)m。桥梁标准断面布置如图1 所示，总宽11.5m，横向布置为0.75m(风嘴)+0.4m(栏杆)+5m(人行道) +5m(人行道)+0.4m(栏杆)+0.75m(风嘴)。

图1 桥梁建成图与桥梁典型横断面

2 初定V 型钢混结合桥墩尺寸与计算分析

2.1 设计荷载

图2 上部结构支座反力标准组合值图

上部结构的支座反力计算结果如图2 所示，可见W5#号墩的支座反力最大，取其为最不利的下部结构进行有限元建模计算分析。同时可知恒载是最主要的荷载作用，其对支座反力的影响最大，其次是活载(行人荷载)；同时梯度温度对支座反力的影响也比较大；支座沉降与整体温度对支座反力的影响较小。

2.2 初定V 型桥墩尺寸

主桥(锦江桥)均采用V 形桥墩，墩顶尺寸为往下2m 截面直径为0.9m，往上为以5%的斜率渐变。桥墩两v 腿斜向收拢锚固于承台，柱脚埋入承台1.5m。承台上方柱脚为跑道型混凝土墩底。承台尺寸为5.2m×2.5m×2.5m；承台下为2 根直径1.5m 的钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计。本桥(西侧连接匝道桥)桥墩尺寸参照主桥尺寸进行初步设计。

本桥初定墩柱尺寸如下：W5#墩墩高为5.22m，支座间距为4m；墩柱截面为圆钢管，直径为800mm，采用25mm 钢板。系梁为方钢管，尺寸为3200*700mm，采用25mm 钢板。隔板与加劲板均采用25mm 钢板，与墩柱外钢板焊接连接。封板采用30mm 钢板。在钢柱与混凝土承台连接处，墩柱底部采用直径22mm 长度150mm 的圆头焊钉，同时墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨胀混凝土。

2.3 初定桥墩的计算分析结果

由于支座中心与桩基中心基本重合，台后填土高度较小，因此，桥台仅需验算桩基承载力（见桩基验算）即可。选取西侧连接匝道桥的W5#桥墩进行验算。

图3 初定的V 型桥墩形式与应力云图

承载能力极限状态下墩柱弯矩包络图、墩柱应力包络图如图3 所示。可知，承载能力极限状态下计算得到墩柱最大应力值为54.4MPa，远小于Q345B 应力设计值270MPa，墩柱钢结构应力验算满足规范要求，应力富余较大，有结构尺寸优化的空间。由于本桥为连接匝道桥，与主桥相比其所受荷载较小，可以采用较小的尺寸节约材料用量，提高环保经济性能。

3 V 型钢混结合桥墩尺寸优化与计算分析

在Midas Civil 模型中桥墩、墩顶系梁、承台均采用梁单元模拟。桥墩与系梁的连接采用刚接约束，桥墩与承台采用刚接约束。

3.1 V 型桥墩尺寸优化

本桥为锦江桥的西侧连接匝道桥，与主桥相比其所受荷载较小，可以采用较小的尺寸节约材料用量，提高环保经济性能。

图4 优化后的V 型桥墩设计尺寸图

优化后墩柱尺寸如下：W5#墩的墩柱高为5.22m，支座间距为4m；墩柱截面采用圆钢管，直径为800mm，采用20mm 钢板(原为25mm 钢板)。系梁为方钢管，尺寸为3200*700mm，采用20mm 钢板(原为25mm 钢板)。隔板与加劲板均采用25mm 钢板，与墩柱外钢板焊接连接。封板采用30mm 钢板。在钢柱与混凝土承台连接处，墩柱底部采用直径22mm 长度150mm 的圆头焊钉，同时墩底灌注2.5 立方米的C40 微膨胀混凝土。

图5 优化后的V 型桥墩形式与应力云图

3.2 优化后桥墩的计算分析结果

承载能力极限状态下的墩柱弯矩包络图、墩柱应力包络图如图5 所示。可知，优化后承载能力极限状态下计算得到墩柱最大应力位置在墩柱底部，其值为92.9MPa，小于Q345B 应力设计值270MPa，墩柱钢结构应力验算满足规范要求。

柱脚焊钉优化结果验算:柱脚采用焊钉连接件，考虑弯矩全部由焊钉传递

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优化结果如下：墩柱与系梁原来采用25mm 厚的钢板，经过优化后变为20mm 厚钢板，W5#墩的钢材用量原为15300kg，现变为13030kg，钢材用量减少了2270kg；焊钉数目由初定40 个经优化后减少到30 个，圆头焊钉数量减少了10 个。西侧匝道桥全桥共有7 个钢混结合V 型桥墩，全桥用钢量共减少14300kg。同时直径22 圆头焊钉数量减少70 个。

4 结论

桥墩是桥的主要支撑结构，在不同的桥梁下部结构形式中，V 形墩造形轻巧优美，与上部鱼腹式钢箱梁外形相得益彰，契合大众审美需求；墩顶与上部构造可采用固结, 成为斜腿刚构；其斜腿钢构造型可减少上部结构跨径, 并可减小桥墩重量。采用钢混组合桥墩可减轻地震作用下桥的损伤程度，并增加结构的延性，提高桥梁抗震性能。

本文首先建立上部模型，提取支座反力，确定受力最不利的墩柱为W5#墩。之后建立W5#墩的实体有限元模型进行计算分析。得到结果初定墩柱尺寸较大，用钢量较大，承载能力极限状态下计算得到墩柱最大应力值为54.4MPa，远小于Q345B 应力设计值270MPa，墩柱钢结构应力验算满足规范要求，但应力富余较大；有结构尺寸优化的空间，可以进行设计优化。

优化后的墩柱截面采用圆钢管，直径为800mm，采用20mm钢板 (原为25mm 钢板)；系梁截面为方钢管，尺寸为3200*700mm，采用20mm 钢板(原为25mm 钢板)。之后对优化后的结构进行有限元计算。可知，优化后承载能力极限状态下计算得到墩柱最大应力位置在墩柱底部，其值为92.9MPa，小于Q345B 应力设计值270MPa，墩柱钢结构应力验算满足规范要求。

优化结果如下：墩柱与系梁原来采用25mm 厚的钢板，经过优化后变为20mm 厚钢板，W5#墩的钢材用量原为15300kg，现变为13030kg，钢材用量减少了2270kg；焊钉数目由初定40 个经优化后减少到30 个，圆头焊钉数量减少了10 个。西侧匝道桥全桥共有7 个钢混结合V 型桥墩，全桥用钢量共减少14300kg。同时直径22 圆头焊钉数量减少70 个。

优化后的桥墩更加轻巧美观，并节约了材料，符合保护环境的要求。本文对实际工程的桥墩设计有一定参考意义，对连接匝道的结构尺寸优化设计有一定的借鉴意义。