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摘要：V型墩连续刚构桥缩短了计算跨径，降低了梁高，削减了墩顶处梁的负弯矩尖峰，节省工程材料，外观上更轻巧美。本文結合工程实例，对预应力砼V形墩连续刚构桥的设计谈一些设计体会。
关键词：V形墩；连续刚构；设计
一、工程概况：
某大桥工程起点与正在修建的环城南路相接，终点与的地方道路平面交叉，路线全长约1.64km。主桥跨径布置为55m+100m+55m，结构形式为预应力砼V形墩连续刚构桥。
桥位处于低纬度热带北缘，属于热带海洋气候，年平均气温24.0℃，最高平均气温28℃左右，最低平均气温18℃左右，年平均降水量1953毫米，平均相对湿度85%。常年以东北风和东风为主，年平均风速3.4m/s。场地抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g，设计地震属第一组，特征周期为0.45s。
图1 大桥布置
1、主要技术标准
1）道路等级：一级公路兼城市主干道
2）计算行车速度：60km/h
3）桥梁设计基准期：100年
4）桥梁设计荷载等级：公路—Ⅰ级
5）桥梁设计洪水频率：1/100
6）地震：地震设防烈度8度，按9度设防
2、结构形式
1）上部结构
上部结构主梁横断面采用单箱单室直腹板截面，梁高按2次抛物线变化，根部梁高5.2m，跨中梁高2.5m，箱梁采用直腹板。箱梁顶板宽14.5m（单幅箱宽），顶板厚0.28m，两侧翼缘板悬臂长3.5m，横向设置2.0%的横坡，箱梁底宽7.5m，底板厚度由根部的0.6m变化至跨中0.32m，腹板厚0.5～0.7m。
主桥箱梁节段施工分为0～11号节段、合拢段，边跨现浇段。0号节段长22米，分两次浇筑，1号～5号节段长均为3米，6号～11号节段长为3.5米，合拢段长2米，边跨现浇段4米，节段悬浇总长36m。箱梁0号块内设两道厚1.6m的横隔板，中跨跨中设一道厚0.4m的横隔板，边跨梁端设一道厚1.18m的横隔板。
主桥箱梁采用三向预应力体系，纵向预应力钢束分为顶板束、腹板、底板束，顶板束和腹板束布置在各跨的负弯矩区内，采用19-Φs15.2及15-Φs15.2钢绞线。底板束布置在正弯矩区内，采用15-Φs15.2钢绞线。横向预应力钢束采用3-Φs15.2钢绞线，横向预应力钢束均布置在箱梁顶板内，沿桥轴线按0.5米间距布置。竖向预应力钢筋采用Φ32mm高强度精轧螺纹钢筋，竖向预应力钢筋布置在箱梁的腹板内，根据受力需要和构造要求，横桥向共布置4根。
图2 箱梁构造
2）下部结构
V形墩斜腿为实体墙板式预应力砼结构，从结构设计、施工和美观等方面综合考虑，墩斜腿两肢间交角为75.9°，上端与0号块横梁固结，下端与承台固结，V腿高13.1～14.1m，横向与箱梁根部底同宽7.5m，斜腿根部厚2.0米，与梁固结处厚1.6m。单肢V腿内设置6束19-Φs15.2钢绞线，固定端预埋在承台内，并于0号块施工完成后在0号块内进行张拉。主墩承台尺寸为13.2m×13.2m×4 m（长×宽×厚），基础采用钻孔灌注桩，桩径为2.0m，单个承台底部共9根基桩，3×3方形布置。
图3 V形墩立面
3、结构计算
（1）纵向总体计算
结构计算采用先整体后局部的计算方法，总体计算采用空间杆系有限元，主梁离散为空间梁单元。按桥梁施工方法，根据混凝土浇注、张拉预应力钢束、施工桥面系、通车运营的施工流程划分计算阶段，对结构在施工阶段及运营阶段进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算，设计计算考虑桩土共同结构作用，采用有限元计算软件midas/civil 2010进行。
图4 大桥有限元计算模型
综合考虑短暂状况与持久狀况时的各种工况，包括自重、施工荷载、预应力、预应力二次力、收缩徐变次内力、非线性温差、整体升降温、活载、风荷载、基础变位等作用，对箱梁施工、使用阶段各截面的内力、应力、位移，进行了计算分析，主桥箱梁设计为全预应力结构，并按规范进行验算，其受力构件均能满足规范要求。
（2）V形墩的三维有限元分析
V形墩与0号块、承台形成的三角框架结构受力复杂，有必要对其受力进行三维有限元仿真分析。本次分析采用通用有限元软件ANSYS 12.0，在利用midas/civil 2010 进行整桥纵向计算的基础上，进行局部应力分析。建模过程中混凝土采用实体单元，预应力钢绞线利用杆单元模拟。梁端的弯矩，轴力和剪力作为已知荷载施加，墩底固结。建立的实体模型及有限元模型如下图所示，在设计荷载作用下，V形墩区域的最大纵向压应力为9.8MPa，最大纵向拉应力为1.26MPa，均小于C50混凝土的抗压强度与抗拉强度设计值，说明V形墩受力合理，结构安全。
图5 V墩有限元实体模型
4、设计体会
（1）本项目由于对景观要求较高，从总体路线设计考虑桥墩高度适合采用墩梁固结的刚构体系，同时进行基础条件、施工方案、工程造价方面多方位对比，最终选定为V形墩刚构桥型。
（2）V形墩结构形式的刚构桥，兼有刚架与梁式桥的力学特点，因为有V形斜腿支撑的桥梁与常规刚构桥相比，计算跨径可以减少，支点处负弯矩值大大降低，从而使主梁的建筑高度显著降低，景观上可以使桥梁更加轻盈、优美，也可以达到降低造价的目的。
（3）桥梁的墩身刚度太大会对结构受力不利，从而使本身的投资加大，墩身的厚度须选择恰当，不宜过大，墩高也不宜太矮。V形墩墩身厚度过大，上部结构的温度内力将会增大，计算中考虑基础沉降时结构的次内力又大大增加，从而使整个桥梁的投资不经济。
（4）设计计算中主梁与斜腿、承台的边接处受力十分复杂，具有明显的应力集中，平面杆系计算软件可能无法精确的计算出结果，因此对该部位须慎重分析研究和处理，一般应采用实体有限元分析。
（5）V形墩基础施工比较麻烦，综合国内外施工经验可以采用劲性骨架、搭架平衡支架、预应力粗钢筋对拉等方法进行施工，如果桥位处不在深水中，可搭支架进行浇筑。本桥V形墩基础采用劲性骨架，V形墩中设置劲性骨架，有利于减少墩身钢筋用量，同时也可提高V墩两支腿的抗弯承载力，有效改善V形墩受力行能。
参考文献：
[1]范立础.桥梁工程.北京：人民交通出版社.1996
[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）
[3]王萍.V形墩连续刚构桥设计[J].公路，1997，（6）
[4]苏高裕.东莞市石龙镇南三桥主桥V型墩连续刚构设计体会[J].广东公路交通，2007（1）
关键词：V形墩；连续刚构；设计
一、工程概况：
某大桥工程起点与正在修建的环城南路相接，终点与的地方道路平面交叉，路线全长约1.64km。主桥跨径布置为55m+100m+55m，结构形式为预应力砼V形墩连续刚构桥。
桥位处于低纬度热带北缘，属于热带海洋气候，年平均气温24.0℃，最高平均气温28℃左右，最低平均气温18℃左右，年平均降水量1953毫米，平均相对湿度85%。常年以东北风和东风为主，年平均风速3.4m/s。场地抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g，设计地震属第一组，特征周期为0.45s。
图1 大桥布置
1、主要技术标准
1）道路等级：一级公路兼城市主干道
2）计算行车速度：60km/h
3）桥梁设计基准期：100年
4）桥梁设计荷载等级：公路—Ⅰ级
5）桥梁设计洪水频率：1/100
6）地震：地震设防烈度8度，按9度设防
2、结构形式
1）上部结构
上部结构主梁横断面采用单箱单室直腹板截面，梁高按2次抛物线变化，根部梁高5.2m，跨中梁高2.5m，箱梁采用直腹板。箱梁顶板宽14.5m（单幅箱宽），顶板厚0.28m，两侧翼缘板悬臂长3.5m，横向设置2.0%的横坡，箱梁底宽7.5m，底板厚度由根部的0.6m变化至跨中0.32m，腹板厚0.5～0.7m。
主桥箱梁节段施工分为0～11号节段、合拢段，边跨现浇段。0号节段长22米，分两次浇筑，1号～5号节段长均为3米，6号～11号节段长为3.5米，合拢段长2米，边跨现浇段4米，节段悬浇总长36m。箱梁0号块内设两道厚1.6m的横隔板，中跨跨中设一道厚0.4m的横隔板，边跨梁端设一道厚1.18m的横隔板。
主桥箱梁采用三向预应力体系，纵向预应力钢束分为顶板束、腹板、底板束，顶板束和腹板束布置在各跨的负弯矩区内，采用19-Φs15.2及15-Φs15.2钢绞线。底板束布置在正弯矩区内，采用15-Φs15.2钢绞线。横向预应力钢束采用3-Φs15.2钢绞线，横向预应力钢束均布置在箱梁顶板内，沿桥轴线按0.5米间距布置。竖向预应力钢筋采用Φ32mm高强度精轧螺纹钢筋，竖向预应力钢筋布置在箱梁的腹板内，根据受力需要和构造要求，横桥向共布置4根。
图2 箱梁构造
2）下部结构
V形墩斜腿为实体墙板式预应力砼结构，从结构设计、施工和美观等方面综合考虑，墩斜腿两肢间交角为75.9°，上端与0号块横梁固结，下端与承台固结，V腿高13.1～14.1m，横向与箱梁根部底同宽7.5m，斜腿根部厚2.0米，与梁固结处厚1.6m。单肢V腿内设置6束19-Φs15.2钢绞线，固定端预埋在承台内，并于0号块施工完成后在0号块内进行张拉。主墩承台尺寸为13.2m×13.2m×4 m（长×宽×厚），基础采用钻孔灌注桩，桩径为2.0m，单个承台底部共9根基桩，3×3方形布置。
图3 V形墩立面
3、结构计算
（1）纵向总体计算
结构计算采用先整体后局部的计算方法，总体计算采用空间杆系有限元，主梁离散为空间梁单元。按桥梁施工方法，根据混凝土浇注、张拉预应力钢束、施工桥面系、通车运营的施工流程划分计算阶段，对结构在施工阶段及运营阶段进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算，设计计算考虑桩土共同结构作用，采用有限元计算软件midas/civil 2010进行。
图4 大桥有限元计算模型
综合考虑短暂状况与持久狀况时的各种工况，包括自重、施工荷载、预应力、预应力二次力、收缩徐变次内力、非线性温差、整体升降温、活载、风荷载、基础变位等作用，对箱梁施工、使用阶段各截面的内力、应力、位移，进行了计算分析，主桥箱梁设计为全预应力结构，并按规范进行验算，其受力构件均能满足规范要求。
（2）V形墩的三维有限元分析
V形墩与0号块、承台形成的三角框架结构受力复杂，有必要对其受力进行三维有限元仿真分析。本次分析采用通用有限元软件ANSYS 12.0，在利用midas/civil 2010 进行整桥纵向计算的基础上，进行局部应力分析。建模过程中混凝土采用实体单元，预应力钢绞线利用杆单元模拟。梁端的弯矩，轴力和剪力作为已知荷载施加，墩底固结。建立的实体模型及有限元模型如下图所示，在设计荷载作用下，V形墩区域的最大纵向压应力为9.8MPa，最大纵向拉应力为1.26MPa，均小于C50混凝土的抗压强度与抗拉强度设计值，说明V形墩受力合理，结构安全。
图5 V墩有限元实体模型
4、设计体会
（1）本项目由于对景观要求较高，从总体路线设计考虑桥墩高度适合采用墩梁固结的刚构体系，同时进行基础条件、施工方案、工程造价方面多方位对比，最终选定为V形墩刚构桥型。
（2）V形墩结构形式的刚构桥，兼有刚架与梁式桥的力学特点，因为有V形斜腿支撑的桥梁与常规刚构桥相比，计算跨径可以减少，支点处负弯矩值大大降低，从而使主梁的建筑高度显著降低，景观上可以使桥梁更加轻盈、优美，也可以达到降低造价的目的。
（3）桥梁的墩身刚度太大会对结构受力不利，从而使本身的投资加大，墩身的厚度须选择恰当，不宜过大，墩高也不宜太矮。V形墩墩身厚度过大，上部结构的温度内力将会增大，计算中考虑基础沉降时结构的次内力又大大增加，从而使整个桥梁的投资不经济。
（4）设计计算中主梁与斜腿、承台的边接处受力十分复杂，具有明显的应力集中，平面杆系计算软件可能无法精确的计算出结果，因此对该部位须慎重分析研究和处理，一般应采用实体有限元分析。
（5）V形墩基础施工比较麻烦，综合国内外施工经验可以采用劲性骨架、搭架平衡支架、预应力粗钢筋对拉等方法进行施工，如果桥位处不在深水中，可搭支架进行浇筑。本桥V形墩基础采用劲性骨架，V形墩中设置劲性骨架，有利于减少墩身钢筋用量，同时也可提高V墩两支腿的抗弯承载力，有效改善V形墩受力行能。
参考文献：
[1]范立础.桥梁工程.北京：人民交通出版社.1996
[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）
[3]王萍.V形墩连续刚构桥设计[J].公路，1997，（6）
[4]苏高裕.东莞市石龙镇南三桥主桥V型墩连续刚构设计体会[J].广东公路交通，2007（1）