王戰(zhàn)國，張衛(wèi)國

（1.寧波杭州灣新區(qū)開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315336；2.江西省交通運輸科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

V形連續(xù)剛構(gòu)橋因其抗彎剛度大、適應(yīng)橋跨變形、造型美觀等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于當今的橋梁工程領(lǐng)域。通過斜撐，使主梁的跨徑減小，墩頂?shù)呢搹澗販p弱，從而降低了上部梁截面高度，提高了橋梁的跨越能力[1-3]。但是由于V墩自身的結(jié)構(gòu)特點，墩底及墩梁交界處應(yīng)力復(fù)雜，平面桿系單元無法準確表示實際局部受力狀態(tài)，因此本文采用實體單元建模[4]，分析V墩部最不利位置應(yīng)力，進行施工控制。隨著計算機的發(fā)展，有限單元法得以廣泛應(yīng)用，特別是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)分析，使用有限單元法計算可以大幅簡化計算并且結(jié)果滿足一般工程需要。本文以寧波杭州灣新區(qū)濱海四路跨陸中灣江橋為實例，應(yīng)用工程有限元分析軟件Midas Civil建立了V墩三維實體單元模型，依照施工流程，進行仿真模擬，分析了主要部位的應(yīng)力分布規(guī)律；對比了不同工況下V墩的應(yīng)力大小，為指導(dǎo)施工提供了理論依據(jù)。

1 概述

寧波杭州灣新區(qū)濱海四路跨陸中灣江橋梁（簡稱濱海四路橋）為三孔一聯(lián)V形連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋1#和2#墩為混凝土V形墩，V墩與上部箱梁固結(jié)，邊墩為球形鋼支座，跨徑布置為50 m+80 m+50 m，橋梁總長為183.7 m。橋梁寬度為50 m，分兩幅布置。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，為雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。箱梁為單箱三室斜腹板截面，箱梁跨中梁高為2.0 m。

主墩為1#、2#墩，結(jié)構(gòu)形式為混凝土V形墩，V墩斜腿與上部箱梁固結(jié)，斜腿為矩形截面，厚度1.3 m，橫向?qū)挾?6.343 m。V形墩與主墩中心線對稱，夾角為58°，V形墩底部順橋向厚度為3.5 m。橋型布置見圖1。

圖1 濱海四路剛構(gòu)橋橋型布置圖（單位：cm）

本工程V形墩和主梁均采用支架法現(xiàn)澆施工。由于樁基和承臺施工已采取了大圍堰且河床承載能力較高，故對V形墩采用落地滿堂支架法施工。支架采用Ф48×3.2 mm碗扣式鋼管。V形墩結(jié)構(gòu)的總體施工順序為：搭設(shè)V形墩及0號段弧線區(qū)支架、1號段鋼平臺→V形墩斜腿澆筑→0號段橫梁及其外側(cè)部分一次性澆筑→橫梁處臨時預(yù)應(yīng)力張拉→0號段剩余部分（墩頂區(qū)）支架→0號段剩余部分（墩頂區(qū)）澆筑→V形墩和0號段預(yù)應(yīng)力張拉。V形墩及腳手架布置見圖2。

圖2 V墩支架布置圖（單位：cm）

2 建立有限元實體模型

本模型使用通用有限元工程軟件Midas Civil按照V形墩實際施工順序建立。V墩及墩頂箱梁采用實體單元建立，腳手架及臨時支撐鋼管采用梁單元建立，其中墩身及箱梁的材料特性為C55混凝土，腳手架及臨時支撐鋼管的材料特性為Q234。根據(jù)V墩形狀及主梁尺寸，本模型選用的是選用6節(jié)點實體單元進行模型劃分。在保證精度同時又不大量增加計算量的前提下，模型的單元的劃分間距控制在0.5 m以內(nèi)。

V墩下部腳手架與V墩采用僅受壓連接，V墩底部與支架底部采用端部固結(jié)。為了模擬施工過程中墩部的受力情況，本文按照V墩的施工順序（見表1）建立了仿真計算模型見圖3～圖5。

表1 V墩施工順序

圖3 V墩斜腿澆筑

圖4 箱梁底部澆筑

圖5箱梁上部澆筑

圖3 所示模型共11 194個節(jié)點，13 328個實體單元。圖4所示模型共24 655個節(jié)點，26712個實體單元。圖5所示模型共28 804個節(jié)點，31 920個實體單元。總體坐標系以V墩墩底中心線與墩部左側(cè)截面中心線交點為坐標原點，以豎直向上為Z軸正方向，以橫橋向指向橋面中心線為X軸正方向，以順橋向指向中跨方向為Y軸正方向。

3 應(yīng)力分析

3.1 V墩施工工況下的應(yīng)力分析

根據(jù)Midas Civil中計算結(jié)果的輸出格式，計算結(jié)果通過如下表示：X軸方向的軸向應(yīng)力σxx，Y軸方向的軸向應(yīng)力為σyy，Z軸方向的軸向應(yīng)力為σzz，其中應(yīng)力以受壓為負，受拉為正。

對沒有采用臨時鋼束張拉V墩按照施工順序進行模擬分析，具體計算結(jié)果見表2及圖6。

表2 V墩斜腿各施工階段應(yīng)力表

圖6 V各施工階段墩應(yīng)力圖

從圖6及表2可知，第二、三施工階段，V墩根部出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，特別是第三施工階段，雖然V墩上緣拉應(yīng)力變小，其拉應(yīng)力主要由V墩上箱梁底板承擔，拉應(yīng)力平均達到1.5 MPa，局部箱梁底與V墩接觸面達到2.4 MPa，箱梁底板及 V墩可能會出現(xiàn)開裂，這種情況對于V墩結(jié)構(gòu)來說是十分致命的。因此必須在施工階段采取一定的措施來減小拉應(yīng)力，保證V墩結(jié)構(gòu)的受力在允許范圍之內(nèi)。

3.2 施加臨時張拉力

通過查閱文獻[5,6]可知，V墩在第一階段澆筑完成后，承擔豎向荷載的能力很差，同時根部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，這對V墩結(jié)構(gòu)是非常不利的。為了避免這種情況，一般做法是在V墩斜撐部位臨時張拉水平對拉束，實際布置位置和張拉力需要根據(jù)實際結(jié)構(gòu)通過計算得到。本工程臨時張拉體系采用兩層直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋，每層布置9根。0#塊混凝土分兩次澆筑，兩次澆筑過程中需對張拉力進行調(diào)整，具體布置見圖7，臨時張拉系統(tǒng)采用單端張拉方式。

圖7 V墩臨時鋼束布置圖（單位：cm）

具體張拉順序如下：

（1）0#塊鋼筋綁扎完成后，張拉第一層、第二層鋼筋，張拉順序為先兩邊后中間。第一層（底層）鋼筋每根張拉至20 t，總拉力為180 t，第二層（靠近0#支架）鋼筋每根張拉至30 t，總拉力為270 t。（確?；炷敛幻撾x支架）。

（2）0#箱梁底板混凝土澆筑一半方量時，第一層（底層）鋼筋每根張拉至40 t，總拉力為360 t，第二層鋼筋每根張拉至50 t，總共張拉力為450 t。

（3）0#箱梁底板混凝土養(yǎng)護好后，提前張拉底板4根預(yù)應(yīng)力鋼束，保證在箱梁頂板、腹板澆筑過程中，底板不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖8是在施工的第二、三階段加入臨時張拉力后由Midas模擬的V墩結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力狀態(tài)，其中臨時張拉束通過索單元進行模擬。臨時張拉V墩斜腿各施工階段應(yīng)力見表3。

圖8 臨時張拉施工階段V墩應(yīng)力圖

表3 臨時張拉V墩斜腿各施工階段應(yīng)力表

從以上應(yīng)力分析中可以看出，在張拉臨時束后，V墩根部的拉應(yīng)力得以改善，大部分拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化為了壓應(yīng)力區(qū)，而且第三階段施工完成后，箱梁底板拉應(yīng)力平均為0.5 MPa，結(jié)構(gòu)處于安全。

4 施工監(jiān)控

為了監(jiān)控V墩在施工過程中的實際應(yīng)力情況，在V墩受力的關(guān)鍵部位安裝了埋入式混凝土應(yīng)變傳感器（見圖9）。表4為實測數(shù)據(jù)。

圖9 V墩現(xiàn)場傳感器埋置

表4 V墩關(guān)鍵部位實測應(yīng)力

由圖10 V墩應(yīng)力結(jié)果對比，可知，Midas實體模型分析結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)基本一致，采用臨時張拉措施后，V墩及0#箱梁在施工過程中基本處于受壓狀態(tài)，滿足結(jié)安全，并且混凝土澆筑前后對現(xiàn)場V墩根部及箱梁底部進行觀測，均未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫。

圖10 V墩應(yīng)力對比值

5 結(jié)論

由于V墩在建造過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜，在設(shè)計及施工階段應(yīng)著重注意拉應(yīng)力區(qū)域的出現(xiàn)。通過加強V墩下部的腳手架體系或在V墩墩身處施加臨時張拉束，都可以有效消除墩身根部出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)。本文以濱海四路橋的V墩施工過程為實例，建立了V墩實體單元模型，對比分析了張拉臨時束前后V墩的空間應(yīng)力狀態(tài)，為實際施工方案提供了理論依據(jù)。

通過仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，通過施加臨時張拉力可以有效消除V墩根部拉應(yīng)力區(qū)，同時優(yōu)化最大受壓區(qū)的壓應(yīng)力；通過預(yù)埋傳感器實測結(jié)果也可以證明，在V墩的關(guān)鍵部位并未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，V墩結(jié)構(gòu)受力安全。