唐楊

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 400074)

引言

21 世紀(jì)以來,我國的橋梁工程得到了快速的發(fā)展,不僅在橋梁的跨度、長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)難度等方面有了明顯的提高,而且越來越重視橋梁美學(xué)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn),其中V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁就是橋梁美學(xué)運(yùn)用上的突出表現(xiàn)。20 世紀(jì)七八十年代,V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁在我國的建設(shè)較少,只是在國外的相關(guān)文獻(xiàn)中可以見到少量的這種結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)在,我國的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁得到了快速的發(fā)展,出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)形式的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁。

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁近年來得到快速的發(fā)展,與其較多的優(yōu)勢(shì)是密不可分的。首先,在結(jié)構(gòu)受力上,V 形支撐的設(shè)置減小了主梁支點(diǎn)之間的距離,降低了墩頂負(fù)彎矩和跨中正彎矩; 主梁支點(diǎn)之間距離的降低也同時(shí)降低了主梁的撓度,由于主梁的懸臂長(zhǎng)度相對(duì)較短,使得施工過程中的變形控制更為容易; V 形支撐的設(shè)置也降低了墩身的高度,增強(qiáng)了橋梁的水平剛度。其次,V 形支撐的設(shè)置降低了主梁的彎矩,從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)降低了主梁的設(shè)計(jì)高度。一般認(rèn)為,V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁比連續(xù)梁經(jīng)濟(jì)10% ～15% 左右[1,2]。最后,由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁主梁高度較小,給人以輕盈美觀的感受,同時(shí)V 形支撐相比于豎直墩更能給人一種挺拔有力的安全感[3]。

本文首先對(duì)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為以后V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)提供更多的參考數(shù)據(jù),然后對(duì)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行總結(jié)歸納,為今后V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的研究指明方向。

1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)研究

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)主要在主梁和V 形支撐上,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和部分圖紙,統(tǒng)計(jì)得到目前我國該類橋型的主梁和V 形支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式

目前V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁主要有連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、剛構(gòu)-連續(xù)組合梁、拱梁組合結(jié)構(gòu)以及帶掛梁的剛架等幾種主要結(jié)構(gòu)形式,見表1。在表1 中的結(jié)構(gòu)形式一欄,1 代表連續(xù)剛構(gòu),2 代表連續(xù)梁(V 形支撐下設(shè)支座),3 代表帶掛梁的剛架,4 代表剛構(gòu)-連續(xù)組合梁,5 代表連續(xù)梁(V 形支撐上設(shè)支座),6 代表連續(xù)剛構(gòu)與拱的組合結(jié)構(gòu),7 代表連續(xù)梁與拱的組合結(jié)構(gòu)。以上七種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

表1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of V-shaped support bridge

續(xù)表

圖1 結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure type

V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋是V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁中最為普遍的結(jié)構(gòu)形式,其V 形支撐頂部與主梁固結(jié),底部與承臺(tái)固結(jié),設(shè)計(jì)中主要以三跨為主,懷化舞水二橋[4]、青田塔山大橋[5]、上海泐馬河大橋[6]均是其中鮮明的代表。V 形支撐連續(xù)梁橋有兩種結(jié)構(gòu)形式,一種將支座設(shè)置在V 形支撐的底部,一種將支座設(shè)置在V 形支撐的頂部。在V 形支撐的頂部設(shè)置支座的連續(xù)梁橋一般在V 形支撐的上部設(shè)置拉梁,拉梁與上部結(jié)構(gòu)的主梁并沒有連接,在V 形支撐的底部與承臺(tái)固結(jié),東莞萬江大橋[7]和洛陽新區(qū)跨伊河橋[8]就是其中典型的代表。在V 形支撐的底部設(shè)置支座的連續(xù)梁橋是一般的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形式[9],還有V 形支撐的頂部與主梁固結(jié),同時(shí)在V 形支撐的兩肢與主梁形成的倒三角區(qū)域內(nèi)部設(shè)置腹拱的復(fù)雜形式,腹拱的拱腳與V 形支撐的跨中附近固結(jié),拱頂與主梁固結(jié),桂林龍門大橋[10]就是很好的例子,結(jié)構(gòu)示意如圖2。為了適應(yīng)江河較寬的情況,出現(xiàn)了剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)形式,剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋一般在橋梁的中間數(shù)墩設(shè)置V 形支撐,在橋梁的兩側(cè)設(shè)置豎直墩,豎直墩的墩頂設(shè)置支座,比如重慶云門試驗(yàn)段4#橋[11]中間設(shè)置兩個(gè)V 形支撐,V 形支撐的兩側(cè)均為豎直墩,豎直墩墩頂設(shè)置支座。梁拱組合的V 形支撐結(jié)構(gòu)可以使得橋梁的單跨跨徑更大,一般在橋梁的主跨設(shè)置系桿拱,這種結(jié)構(gòu)形式是V 形支撐連續(xù)梁橋(連續(xù)剛構(gòu))與拱形成的組合結(jié)構(gòu)形式,黑龍江大黑河島橋[12]就是V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)與拱的組合,北京溫榆河景觀橋[13]就是V 形支撐連續(xù)梁與拱的組合。以上幾種結(jié)構(gòu)形式在整體上均為超靜定結(jié)構(gòu),帶掛梁的剛構(gòu)在橋梁整體結(jié)構(gòu)上為靜定結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)形式上可以理解為將V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)的某一跨或某幾跨的主梁斷開,設(shè)置牛腿安裝掛梁,桂林雉山漓江大橋[1]、贛州砂石大橋[14]就是其中的代表。

圖2 帶腹拱的V 形支撐連續(xù)梁Fig.2 Continuous beam with V-shaped support and abdominal arch

1.2 主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.截面形式

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的主梁截面形式以箱梁為主,也有少量其他的截面形式,比如杭州灣跨海大橋南岸接線工程[15]以及浙江平湖的青陽匯大橋主橋[16]中的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋采用T梁作為主梁截面,重慶云門試驗(yàn)段4#橋[11]采用鋼-混凝土組合截面作為主梁截面,組合截面由兩片工字鋼梁和混凝土橋面板組合而成。根據(jù)橋?qū)挼牟煌?V 形支撐結(jié)構(gòu)橋采用的箱梁形式有單箱單室、單箱多室以及多箱多室,對(duì)于橋面較寬的橋型大多采用單箱單室或者單箱雙室的雙幅布置。絕大部分V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的箱梁都是變板厚的形式,主要表現(xiàn)在底板和腹板的厚度變化,而頂板通常是等厚度的。頂板厚度一般在30cm 左右,底板和腹板的厚度變化幅度較大,底板一般在20cm ～80cm 之間變化,腹板一般在40cm ～80cm 之間變化。由于篇幅限制,部分橋梁的橫截面統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁橫截面參數(shù)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of V-shaped support structure bridges on cross-section

2.梁長(zhǎng)

V 形支撐兩肢之間的主梁長(zhǎng)定義為V 撐上梁長(zhǎng),主跨跨徑與V 撐上梁長(zhǎng)之差定義為V 撐間梁長(zhǎng)。

根據(jù)全部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),V 撐上梁長(zhǎng)在9.5m～48m 之間,浙江平湖青陽匯橋[16]的梁長(zhǎng)最小,桂林龍門大橋[10]的梁長(zhǎng)最大,V 形支撐兩肢之間的梁長(zhǎng)占主跨跨徑約12.2%～46.7%,其中百分比在20%～35%的約占70%,由于篇幅限制,部分橋梁的梁長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁梁長(zhǎng)參數(shù)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length

3.梁高

一般V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁采用變截面的主梁,通常在V 形支撐頂部與主梁連接的位置處梁高最大,跨中位置梁高最小,故而在統(tǒng)計(jì)分析中計(jì)算出了兩個(gè)高跨比,將V 形支撐頂部與主梁連接位置處的梁高與主跨跨徑之比定義為V 撐處的高跨比,將跨中處的梁高與主跨跨徑之比定義為跨中處的高跨比。同時(shí),將主跨跨徑替換為V 撐間梁長(zhǎng),又計(jì)算出一組高跨比數(shù)據(jù)。由于篇幅限制,部分橋梁的梁高統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁梁長(zhǎng)與梁高參數(shù)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.4 Statistics of V-shaped support structure bridges on beam length and beam height

按橋梁的主跨計(jì)算,V 撐處的高跨比為1/16.9 ～1/44.6,其中1/20 ～1/30 約占73%,高跨比最小的是蘭州深安黃河大橋[17],高跨比最大的是桂林龍門大橋[10]; 跨中位置的高跨比為1/21.7 ～1/59.9,其中1/25 ～1/45 約占70%,高跨比最大的是福建丘墩大橋[18-20],高跨比最小的是株洲五橋[21]。

按V 形支撐之間的梁長(zhǎng)計(jì)算,V 撐處的高跨比為1/9.2 ～1/39.2,其中1/10 ～1/25 約占92%,高跨比最大的是桂林龍門大橋[10],最小的是蘭州深安黃河大橋[17]; 跨中位置的高跨比為1/12.8 ～1/39.2,其中1/20 ～1/35 約占71%,高跨比最大的是寶雞金陵河大橋[1],最小的是蘭州深安黃河大橋[17]。

1.3 V 撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.截面形式

V 形支撐的結(jié)構(gòu)類型大致可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu),表5 中V 形支撐結(jié)構(gòu)類型一欄,1 代表鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),2 代表預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),3 代表勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),4 代表鋼結(jié)構(gòu); 表5 中截面形式一欄,1代表矩形實(shí)心截面,2 代表空心箱形截面。由于篇幅限制,部分橋梁的V 形支撐結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表5。

表5 V 形支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.5 Statistics of parameters on V-shaped support

從表5 中可以看出,大部分的V 形支撐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),約占統(tǒng)計(jì)總量的81%,勁性骨架預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在V 形支撐中使用較少,大多是從施工方便的角度考慮的,但是相對(duì)浪費(fèi)材料,因?yàn)閯判怨羌苁褂玫匿摬臅?huì)埋入到V 形支撐中成為結(jié)構(gòu)的一部分,鋼結(jié)構(gòu)的V 形支撐更少,但也有重慶云門試驗(yàn)段4#橋[22]使用了鋼結(jié)構(gòu)作為V 形支撐的報(bào)導(dǎo)。從V 形支撐的截面形式上看,絕大多數(shù)的V 形支撐采用了實(shí)心的矩形截面,約占統(tǒng)計(jì)總量的83%。大多數(shù)橋梁的V 形支撐橫橋向尺寸很大,一個(gè)承臺(tái)上只固結(jié)一個(gè)V 形支撐或者一個(gè)承臺(tái)的支座上只支承一個(gè)V 形支撐,也有一個(gè)承臺(tái)上固結(jié)多個(gè)V 形支撐作為一幅的情況,這種V 形支撐的橫橋向尺寸較小,通常在V 形支撐的橫向有系梁連接成整體,如赤峰友誼大橋[23,24]橫橋向有4 片V 形支撐,在V 形支撐的跨中有橫系梁,洛陽新區(qū)的跨伊河橋[8]橫橋向也有3 片V 形支撐,但橫系梁設(shè)置在V 形支撐的頂部。V 形支撐的截面大多采用等厚度截面,還有部分變厚度的V 形支撐,一般都是上薄下厚的變化形式,比如浙江千島湖大橋[25]、揚(yáng)中夾江二橋等[26],也有極少數(shù)上厚下薄的變化形式,比如寧波后塘河大橋[27]、南通通呂4 號(hào)橋[28]。V 形支撐除了變厚以外,還有少數(shù)變寬的,一般采用上寬下窄的變化形式,比如廣東中山東明大橋[29]、贛州沙石大橋[30]等。V形支撐的兩肢截面一般情況下是相同或者相差不大的,而小欖水道特大橋[31]的V 形支撐的兩肢截面存在較大差異,靠外側(cè)一肢的截面尺寸為1.2m×10m,靠?jī)?nèi)側(cè)一肢的截面尺寸為2m×13.8m。

2.夾角

V 形支撐與豎線之間的夾角主要在25° ～45°之間,約占統(tǒng)計(jì)總量的66.7%,部分統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表5。V 形支撐的某一肢與豎線的夾角通常相同或者相差不大,也存在V 形支撐與豎線之間的夾角在整座橋梁的內(nèi)側(cè)與外側(cè)相差較大的情況,比如小欖水道特大橋[31],靠?jī)?nèi)側(cè)一肢與豎直線的夾角為55.4°,靠外側(cè)一肢與豎直線的夾角為44.6°。

2 研究現(xiàn)狀

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁目前的研究主要集中在V形支撐的受力特性、V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工方法及施工控制、V 形支撐的混凝土施工步驟、V形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的舊橋加固以及V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動(dòng)力特性。

2.1 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的受力特性研究

1.局部受力特性研究

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的局部受力特性研究一般是對(duì)V 形支撐0#號(hào)塊的受力特性研究,一般將V撐與上部主梁形成的倒三角區(qū)域稱為0#號(hào)塊。0#號(hào)塊的空間效應(yīng)明顯,施工過程復(fù)雜,對(duì)于板厚較大的V 形支撐可能出現(xiàn)深梁的受力特點(diǎn),采用普通的梁?jiǎn)卧荒軌蚍治龅玫捷^為準(zhǔn)確的細(xì)部受力狀況,很容易造成混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。對(duì)此,很多專家學(xué)者對(duì)V 形支撐0#號(hào)塊都采用實(shí)體單元做過精細(xì)化的有限元分析[32-38]。

研究表明V 形支撐連續(xù)梁橋(連續(xù)剛構(gòu)橋)在施工過程中極易出現(xiàn)一些不利的施工工況,在這些施工工況下結(jié)構(gòu)的某些局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較高的拉應(yīng)力。郁鈞暉[39]分析寧波奉化江大橋時(shí),在頂推施工階段后,V 形支撐靠邊跨側(cè)內(nèi)表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力達(dá)到4.68MPa。李旺豐[40]在用ANSYS 分析某V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí),在二期恒載施工階段,在V 形支撐邊跨根部的外側(cè)出現(xiàn)2.30MPa 的拉應(yīng)力。胡明[41]在分析八渡南盤江特大橋時(shí),計(jì)算荷載工況下在V 腿與主梁形成的夾角位置出現(xiàn)5.45 MPa 的拉應(yīng)力。李立峰[42]在最大支反力的工況下,在V 形支撐根部的外側(cè)出現(xiàn)1.10 MPa 的拉應(yīng)力,在墩梁固結(jié)支座底面出現(xiàn)了0.91MPa 的拉應(yīng)力,橫隔板人孔出現(xiàn)0.89 MPa 的拉應(yīng)力。唐楊[43]在分析龍門大橋0#號(hào)塊時(shí),在自重工況下,V 形支撐根部的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)2.28MPa 的主拉應(yīng)力。由此可見,在V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)過程中,V 形支撐0#號(hào)塊需要建立實(shí)體單元模型進(jìn)行詳細(xì)的細(xì)部分析,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,避免施工過程中V 形支撐0#號(hào)塊的混凝土開裂。以上施工工況分析大多將邊界條件理想化,很少考慮精確的邊界模擬。沈明[44]為了精確計(jì)算V 形支撐底部在頂推過程中的受力,采用了線性接觸寬度和非線性接觸單元兩種邊界模擬方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析,最終計(jì)算得到V 形支撐根部截面的上緣部分區(qū)域出現(xiàn)1.64MPa 的拉應(yīng)力,考慮到混凝土表面溫度、收縮可能發(fā)生混凝土開裂,提出了在V 形支撐底部截面上緣設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的加強(qiáng)辦法。

以上的V 形支撐0#號(hào)塊的施工過程分析一般都針對(duì)某一施工階段直接建立有限元模型,鮮有精確考慮施工過程對(duì)V 形支撐0#號(hào)塊受力的影響。劉孝武[45]采用單元生死技術(shù)模擬了施工過程,真實(shí)模擬了施工過程對(duì)0#號(hào)塊受力的影響。

帶系梁的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁,系梁也是一個(gè)容易受破壞的位置。劉一平[8]對(duì)帶系梁的V 形支撐建立局部結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元模型進(jìn)行分析,通過計(jì)算分析系梁在預(yù)應(yīng)力作用下仍處于受壓的工作狀態(tài),保證了結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的安全。李梁等[46]研究了水化熱和混凝土收縮徐變對(duì)系梁受力特性的影響,對(duì)比分析了整體澆筑施工和分段澆筑施工下系梁的受力。

V 形支撐拱梁組合體系橋的節(jié)點(diǎn)位置更為復(fù)雜,黃玲玉[47]以小欖水道特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)V 形支撐、拱和主梁的交匯點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究,有限元理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差能夠控制在30%以內(nèi)。

V 形支撐0#號(hào)塊的極限承載能力研究的很少。勾紅葉[48]同樣以小欖水道特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)V 形支撐、拱和主梁的交匯點(diǎn)進(jìn)行了非線性受力行為的極限承載能力試驗(yàn)研究。袁明軍[49]等以奉化江南翔橋?yàn)楣こ瘫尘?建立了V形支撐0#號(hào)塊的三維非線性有限元模型,研究了活載作用下V 形支撐0#號(hào)塊的極限承載能力。

2.整體受力特性研究

鄒志翔[50]以一座斜交的V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?采用梁格法建立了有限元模型,研究了汽車活載和自重、二期恒載作用下的空間受力特性,對(duì)V 形支撐斜交橋梁的設(shè)計(jì)提出了相關(guān)建議和注意事項(xiàng)。

由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)體系較多,一些專家學(xué)者對(duì)其受力特性進(jìn)行了對(duì)比研究。龔俊虎[51]等以小欖水道特大橋?yàn)檠芯勘尘?對(duì)比研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋和V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的受力特性,研究表明由于拱肋對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的加勁作用,活載作用下中跨最大彎矩和撓度下降50%,V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋在后期收縮徐變作用下的撓度僅為V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的12%,V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的豎向剛度是V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的2.56倍以上。陳云[14]以贛州沙石大橋?yàn)楣こ瘫尘?通過改變沙石大橋的邊界條件和內(nèi)部連接方式,對(duì)比研究了全設(shè)支座連續(xù)梁、不設(shè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)、設(shè)一個(gè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)、設(shè)三個(gè)掛孔連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁與剛構(gòu)組合、拱(V 撐上設(shè)掛孔)共6種結(jié)構(gòu)體系的受力特性。

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)中受到自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、溫度(整體溫度、溫度梯度)、收縮徐變等各種外力的作用,所表現(xiàn)出來的受力是各種外力作用下的共同結(jié)果,單獨(dú)研究某一項(xiàng)外力作用下的結(jié)構(gòu)受力行為,對(duì)控制這種作用下的受力行為具有積極意義。徐治芹等[52]研究了整體升、降溫作用下V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度,分析了影響V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋水平剛度的各項(xiàng)因素,提出了相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。主要有合理減小V 形支撐下面的豎墩及V 形支撐的厚度,增大豎墩的高度,將有V形支撐的豎墩墩底設(shè)置鉸接,釋放彎矩約束。張緒林[53]等以株洲紅港大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了施工階段和成橋階段收縮徐變對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋引起的內(nèi)力變化規(guī)律。研究表明在施工階段,收縮徐變對(duì)三角區(qū)剛構(gòu)及主梁的影響較小,對(duì)中跨主梁的內(nèi)力及線形影響較大,在使用階段,收縮徐變效應(yīng)對(duì)主梁內(nèi)力和豎向位移影響均較小。

V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的穩(wěn)定性也有相關(guān)研究成果,劉迎倩[54]以小欖水道特大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋的穩(wěn)定性,研究表明拱肋的穩(wěn)定性較弱,失穩(wěn)模態(tài)為側(cè)傾失穩(wěn),橫撐的數(shù)量、布置形式和剛度對(duì)穩(wěn)定性影響較大,“米”字形撐穩(wěn)定性最好,“X”撐與“K”撐次之,“一”字形撐最差,拱肋自身的剛度對(duì)拱肋的穩(wěn)定性也有較大影響。

對(duì)于箱型截面的主梁,必然存在剪力滯、扭轉(zhuǎn)、畸變等空間受力行為。胡國偉[55]以小欖水道特大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)-拱組合橋主梁的剪力滯、扭轉(zhuǎn)以及畸變效應(yīng)。

3.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)受力特性的影響研究

石飛停等[56]以青田塔山大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了基礎(chǔ)剛度、V 形支撐的傾角和厚度以及合龍頂推力對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋整體受力性能的影響,得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的影響規(guī)律。研究表明V 形支撐的傾角對(duì)主梁和V形支撐的受力性能有很大的影響,V 形支撐邊跨側(cè)一肢對(duì)應(yīng)的主梁截面負(fù)彎矩和中跨側(cè)一肢對(duì)應(yīng)的主梁截面負(fù)彎矩均隨著V 形支撐與豎直線夾角的增大而減小,V 形支撐兩肢之間的主梁負(fù)彎矩有相同的變化規(guī)律,主梁的軸力有相反的變化規(guī)律; V 形支撐中跨側(cè)一肢的彎矩隨著V 形支撐與豎直線的夾角的增大而增大,V 形支撐邊跨側(cè)一肢的彎矩有相反的變化規(guī)律,V 形支撐與豎直線的夾角對(duì)V 形支撐的軸力影響不大; V 形支撐邊跨側(cè)一肢的彎矩和中跨側(cè)一肢的彎矩隨著V 形支撐厚度的增加而增加,V 形支撐厚度的變化對(duì)V形支撐的軸力影響不大; 相對(duì)而言,V 形支撐的傾角對(duì)主梁和V 形支撐的受力狀態(tài)影響較大,而其他參數(shù)影響較小。張亞東等[57]在對(duì)V 形支撐的傾角和厚度對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋受力特性的影響分析上也得到了一致的結(jié)論。

以上V 形支撐的傾角對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特性影響規(guī)律是各種荷載作用下的綜合效果,張璽[58]分別研究了自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、整體溫度以及溫度梯度作用下V 形支撐傾角的變化對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋受力特性的影響。

童遠(yuǎn)飛[59]以西安地鐵三號(hào)線V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘把芯苛嘶A(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的影響,不考慮基礎(chǔ)剛度時(shí)將承臺(tái)以下固結(jié)處理,考慮基礎(chǔ)剛度時(shí)將群樁按等剛度原則模擬成兩根短柱,柱底固結(jié),使得群樁和兩根短柱在單位水平位移、單位豎向位移、單位轉(zhuǎn)角下所需施加的外力相等。研究表明是否考慮基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有很大影響。

2.2 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工方法及施工控制研究

1.施工方法研究

總體上來看,V 形支撐部分的施工多采用支架現(xiàn)澆施工,只是設(shè)置支架的形式有所差別,常見的有以下幾種形式： (1)滿堂支架法; (2)平衡內(nèi)支撐法; (3)預(yù)埋勁性骨架法; (4)鷹架+臨時(shí)墩; (5)型鋼支架+ 拉桿。桂林龍門大橋、南翔橋均采用滿堂支架法搭設(shè)支架[60]; 千島湖大橋、東陽江大橋、南京集慶門大橋采用平衡內(nèi)撐法搭設(shè)支架[61]; 黃州大橋埋置勁性骨架,通過拉桿形成穩(wěn)定的倒三角結(jié)構(gòu),是典型的預(yù)埋勁性骨架法; 南昆鐵路南盤江大橋采用鷹架+臨時(shí)墩[62,63],成功實(shí)現(xiàn)了高墩支架的搭設(shè); 懷化市舞水二橋采用型鋼和拉桿組成V 形支撐的支架,型鋼用于制作斜托梁[64]。當(dāng)?shù)谷墙Y(jié)構(gòu)受力平衡能夠滿足時(shí),也可以不設(shè)置平衡塔架,僅用拉桿代替,同時(shí)不設(shè)置勁性骨架[65]。除了支架施工以外,V 形支撐部分也有采用預(yù)制拼裝施工的,一般針對(duì)橫橋向有多片V 形支撐的情況,一般來說由于橫橋向尺寸較小,單片V 形支撐的自重也不會(huì)太大,采用預(yù)制拼裝施工的有平湖青陽匯大橋。平湖青陽匯大橋施工中,V 形支撐的倒三角桁片一次性安裝到位,為了防止桁片安裝時(shí)的傾倒,在V 形框架的底面設(shè)置高為8cm 的榫塊,承臺(tái)頂面設(shè)置凹槽,安裝桁片時(shí)涂以環(huán)氧水泥砂漿,在承臺(tái)上設(shè)置預(yù)埋鋼板與V 形框架底部?jī)蓚?cè)預(yù)埋的角鋼焊牢,同時(shí)將橫橋向數(shù)個(gè)桁片底座澆筑混凝土連成整體,并與承臺(tái)伸出的鋼筋相連[16]。

V 形支撐之間的中、邊跨主梁普遍采用懸臂澆筑施工和支架現(xiàn)澆施工,對(duì)于地質(zhì)條件較好、河流不太深的橋梁多采用支架現(xiàn)澆施工,對(duì)于水流太深、支架過高或者有通航要求的一般采用懸臂澆筑施工。也有少部分的主梁采用頂推施工,一般在V 形支撐施工完成后進(jìn)行,V 形支撐的頂部可能設(shè)置支座,也可能頂推完成后將主梁與V形支撐頂部固結(jié)。比如福建丘墩大橋、東莞萬江大橋均采用頂推施工法,所不同的是福建丘墩大橋在主梁頂推完成后將主梁與V 形支撐頂部固結(jié)形成V 形支撐連續(xù)剛構(gòu),而東莞萬江大橋在頂推完成后在V 形支撐的頂部設(shè)置支座形成V 形支撐連續(xù)梁[66]。除了頂推施工以外,還有預(yù)制拼裝施工,比如杭州灣跨海大橋南岸V 形墩跨線橋,在中跨和邊跨設(shè)置橫截面為3 片預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁的預(yù)制件,最終形成帶掛梁的剛架結(jié)構(gòu)[15],又如洛陽新區(qū)跨伊河橋,在V 形支撐施工完成后首先架設(shè)小箱梁形成簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu),然后通過現(xiàn)澆使得簡(jiǎn)支變連續(xù)[8]。除此之外,還有少數(shù)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁采用轉(zhuǎn)體施工法,比如鄭西鐵路客運(yùn)專線洛河特大橋,首先在既有路兩側(cè)平行于既有路方向通過支架現(xiàn)澆施工,梁部施工完成后轉(zhuǎn)體合龍,從而跨越既有路[67]。

2.施工控制研究

相比于普通的連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋,V形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的施工過程更為復(fù)雜,為了保證橋梁的成橋線形和受力狀態(tài),需要仔細(xì)分析施工過程中的受力變化,優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的施工步驟,采用有效的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)此,針對(duì)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁施工控制的研究也不少。

趙會(huì)東等[68]針對(duì)V 形支撐基礎(chǔ)受到較大水平力的特點(diǎn),分析了產(chǎn)生水平力的各項(xiàng)因素,分析結(jié)果表明活載、均勻溫度、支座沉降變化引起的水平力是雙向的,這部分水平力無法調(diào)整,自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工荷載產(chǎn)生的水平力是單向的,其中混凝土收縮徐變和施工荷載占較大比例,對(duì)此提出了內(nèi)力主動(dòng)調(diào)整的辦法,在中跨合龍之前施加預(yù)頂力,并設(shè)法保持預(yù)頂力,抵消或者部分抵消混凝土收縮和施工荷載產(chǎn)生的水平力,從而減小基礎(chǔ)所承擔(dān)的水平力。張飛等[69]針對(duì)V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋,研究了合龍溫度對(duì)頂推力所引起的結(jié)構(gòu)變形和結(jié)構(gòu)受力的影響,研究表明低溫合龍?jiān)O(shè)置的頂推力要低于高溫合龍,低溫合龍對(duì)主梁的豎向變形控制有利,使得成橋后主梁線形更為平順,采用低溫合龍會(huì)使得在頂推時(shí)、成橋后的結(jié)構(gòu)受力更為安全合理。

李國亮[70]針對(duì)一座V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋,研究了滿堂支架的拆除時(shí)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,研究表明倒三角區(qū)支架的拆除時(shí)機(jī)對(duì)橋梁在施工階段及成橋后的內(nèi)力均有顯著影響,建議在施工過程中早拆支架,使結(jié)構(gòu)受力明確。

吳春朝[71]通過對(duì)臥龍湖大橋進(jìn)行有限元分析,發(fā)現(xiàn)在V 形支撐二次澆筑時(shí)斜肢根部會(huì)出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度已經(jīng)超過公路質(zhì)量評(píng)定要求,通過優(yōu)化圖紙,在V 形支撐根部添加抗裂鋼筋,將普通鋼筋混凝土改為鋼纖維混凝土,從而限制了裂縫寬度。

另外,較多的V 形支撐施工會(huì)張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束,一般在V 形支撐的兩肢設(shè)置粗鋼筋或者預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行對(duì)拉。李中培[72]等對(duì)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力的張拉力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提出以V 形支撐根部和端部箱梁不利區(qū)域的最大主拉應(yīng)力以及單根圓鋼立柱的最大豎向和水平反力為控制目標(biāo)的最優(yōu)張拉力。

2.3 V 形支撐的混凝土施工步驟研究

不同的施工步驟將對(duì)結(jié)構(gòu)的受力有著較大的影響,不僅影響結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值還會(huì)影響結(jié)構(gòu)受力的分布,V 形支撐0#號(hào)塊的施工過程復(fù)雜,施工步驟多樣,在制定具體施工方案時(shí)需要制定多套施工方案進(jìn)行比選。

V 形支撐的施工主要有一次澆筑和多次澆筑兩種,V 形支撐上主梁的施工步驟形式多樣,主要有豎向分層澆筑、縱橋向分段澆筑和豎向縱向混合澆筑,豎向的分層最多一般為三層,即底板部分、腹板部分、頂板部分,縱橋向分段主要有兩種分法,其一為三段式分法,分為左側(cè)主梁段、跨中2m 合龍段、右側(cè)主梁段,其二為五段式分法,分為左側(cè)匯合段、左側(cè)2m 合龍段、跨中主梁段、右側(cè)2m 合龍段、右側(cè)匯合段。

孫才杰[73]對(duì)比研究了V 形支撐0#號(hào)塊的兩種施工過程對(duì)混凝土收縮產(chǎn)生的影響,兩種施工過程的區(qū)別在于V 形支撐上主梁的施工,方案一為先澆筑V 形支撐兩肢之間的主梁,然后澆筑V形支撐一肢與上部主梁的匯合區(qū)域,最后澆筑另一肢與上部主梁的匯合區(qū)域,方案二為先澆筑V形支撐頂部及主梁底部,然后澆筑主梁中部,最后澆筑主梁頂部。方案一就是典型的縱向三段式澆筑,方案二為豎向分層澆筑。舞水二橋的0#號(hào)塊施工(縱橋向長(zhǎng)25m),先澆筑V 形支撐兩肢之間的跨中13m 梁段,然后澆筑兩側(cè)各4m 的V 形支撐與主梁的匯合段,最后澆筑跨中13m 梁段兩側(cè)各2m 的合龍段[74]。舞水二橋的施工步驟即是典型的縱向五段式施工。南通市通呂4 號(hào)橋的主梁澆筑分三步,第一步澆筑至腹板頂部,同時(shí)澆筑V 形腿與主梁匯合段,第二步澆筑頂板,第三步澆筑合龍段混凝土[75]。南通市通呂4 號(hào)橋的施工步驟即是豎向縱向混合澆筑施工。

2.4 V 形支撐結(jié)構(gòu)的舊橋加固研究

現(xiàn)役與在建的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁越來越多,由于目前車輛超載現(xiàn)象較為普遍,V 形支撐0#號(hào)塊空間受力復(fù)雜,此種結(jié)構(gòu)類型的橋梁加固研究也將越來越多。

張國慶[76]對(duì)某座V 形支撐預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行精細(xì)化的有限元分析,發(fā)現(xiàn)V 形支撐頂部的拉梁在跨中位置存在較大的下?lián)?同時(shí)端部的主應(yīng)力過大,與現(xiàn)場(chǎng)觀察的橋梁開裂位置一致,最后重新建立拉梁失效的有限元模型(模型中去掉拉梁),計(jì)算表明拉梁失效后,最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在V 形支撐的根部,最終提出了親水環(huán)氧樹脂灌漿處理裂縫并且在V 形支撐上緣設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力的加固措施。

李永河[77]對(duì)高平大橋V 形支撐連續(xù)斜梁橋進(jìn)行原位荷載試驗(yàn),分析了舊橋病害的成因,提出了加固措施。主要有增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束、粘貼鋼板,將橋端至V 形支撐3m 橋跨范圍用鋼筋混凝土填實(shí)。

2.5 V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動(dòng)力特性研究

1.自振特性研究

橋梁施工結(jié)束到正式通車前都會(huì)對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn),荷載試驗(yàn)中就需要對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行檢測(cè)。王巍等[78]研究了CRH2C 動(dòng)車組以不同車速通過V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)橋梁的自振特性和動(dòng)力響應(yīng),分析了橋梁在動(dòng)載作用下的工作狀態(tài),試驗(yàn)結(jié)果表明,在動(dòng)車組激勵(lì)下,跨中橫向振幅出現(xiàn)峰值效應(yīng),橋梁橫、豎向剛度均滿足規(guī)范要求,動(dòng)力性能良好。陳世九[79]對(duì)一座V形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn),得到自振頻率、阻尼比、振型以及不同跑車工況下的沖擊系數(shù)和豎向加速度響應(yīng)值,同時(shí)建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析,試驗(yàn)與理論分析表明,該橋?qū)嶋H剛度較大,行車較為舒適,結(jié)構(gòu)偏于安全。

張祥彬[80]以小欖水道特大橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了該橋的自振特性,同時(shí)研究了二期恒載與樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)橋梁動(dòng)力性能的影響。

2.抗震性能研究

劉世明等[81]以石家莊友誼大街橋?yàn)楣こ瘫尘?進(jìn)行E1 地震作用下的反應(yīng)譜分析,研究表明預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力有時(shí)會(huì)超過預(yù)應(yīng)力引起的一次內(nèi)力,設(shè)計(jì)中應(yīng)該特別注意主跨跨中以及V形支撐附近截面的次彎矩和邊跨跨中截面的次剪力。

程煒鋼等[82]以新洋港V 形支撐連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?采用反應(yīng)譜法和一致時(shí)程激勵(lì)法研究了在E1 地震作用下的內(nèi)力和位移響應(yīng),研究表明地震作用下的位移響應(yīng)較小,豎向地震荷載作用對(duì)V 形支撐的軸力和主跨跨中內(nèi)力影響較大。

王積鑫[23]以赤峰市友誼大橋?yàn)楣こ虒?shí)例,采用多模態(tài)反應(yīng)譜法分別在E1、E2 地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),然后采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在日本神戶地震波的作用下,結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服剪力,無論橫橋向還是順橋向均進(jìn)入屈服狀態(tài),但未進(jìn)入極限狀態(tài)。

總的來看,目前對(duì)于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動(dòng)力特性研究較少,由于V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)體系多樣,還需要更多的試驗(yàn)和理論研究。

3 總結(jié)與展望

通過數(shù)十座V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,可為今后該類橋型的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí),通過目前的研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),還有以下幾點(diǎn)有待進(jìn)一步深入研究。

1.V 形支撐0#號(hào)塊空間受力復(fù)雜,目前很多局部受力分析都是針對(duì)施工過程中的某一施工步驟的結(jié)構(gòu)直接建模進(jìn)行分析,沒有考慮施工過程對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。需要進(jìn)一步對(duì)比研究?jī)煞N建模方法對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析的區(qū)別和差異。

2.V 形支撐0#號(hào)塊的施工一般采用支架澆筑施工,支架的搭設(shè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的傳力路徑具有較大影響,從而對(duì)0#號(hào)塊的受力大小及應(yīng)力分布產(chǎn)生影響,目前都是針對(duì)一種支架搭設(shè)方法的受力研究,多種支架搭設(shè)方法的受力行為對(duì)比有待進(jìn)一步研究。

3.V 形支撐0#號(hào)塊的施工步驟設(shè)計(jì)方案較多,需要結(jié)合工程實(shí)際仔細(xì)對(duì)比分析才能擬定最合適的施工步驟方案,但目前對(duì)于不同施工步驟對(duì)V 形支撐0#號(hào)塊受力影響的對(duì)比分析研究較少。

4.目前對(duì)V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的加固研究較少,且針對(duì)的結(jié)構(gòu)體系單一,隨著現(xiàn)役橋梁服役時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)出現(xiàn)更多不同結(jié)構(gòu)體系的V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的損傷,更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加固研究可能是一個(gè)研究方向。

5.目前V 形支撐結(jié)構(gòu)橋梁的動(dòng)力特性研究較少,主要集中在靜力特性方面,此種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性還有較大的研究空間。