張博宇

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 懷柔 101400）

0 引言

橋梁V 構(gòu)區(qū)域?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，由于區(qū)域結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工及運(yùn)營(yíng)過程會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，是受力的關(guān)鍵部位。V 構(gòu)與主梁組成的三角剛構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，施工階段自重及拱肋傳來的軸力、彎矩和剪力作用，使得三角剛構(gòu)應(yīng)力流的走向以及拉、壓應(yīng)力的分布十分復(fù)雜。如果這些部位處理不當(dāng)，極易產(chǎn)生裂縫，會(huì)給橋梁的結(jié)構(gòu)安全與耐久性帶來隱患，目前對(duì)此類型V 構(gòu)的受力研究并不多，桿系計(jì)算模型難以得到V 構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，有必要專門對(duì)該部位進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行相應(yīng)部位的試驗(yàn)研究和有限元分析，以得到結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力行為。

1 工程背景

象山大橋位于江西省鷹潭市余信貴大道K4+644～K5+084 段，全長(zhǎng)為1168m，主橋?yàn)?0+160+80m 鋼箱桁架拱加勁預(yù)應(yīng)力混凝土V 構(gòu)組合橋。其中P12 橋墩為V 型墩，高23.5m，斜腿高16.5m，墩座高7.0m；V 型墩斜腿厚2.5m，采用C50 鋼筋混凝土；V 型墩墩座采用C40 鋼筋混凝土，長(zhǎng)×寬=12.428m×6.2m。V 型墩結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。

圖1 象山大橋V 型墩結(jié)構(gòu)尺寸

2 理論模型建立

為研究象山大橋V 型墩的受力特性，借助有限元分析軟件Midas 建立全橋結(jié)構(gòu)模型，通過在模型中提取施工階段和成橋階段最不利荷載組合作用下主梁兩端和拱腳處的變形,作為邊界條件施加于Abaqus 局部模型對(duì)應(yīng)位置，進(jìn)行模擬荷載，其中施工階段選取CS9（邊跨合龍）時(shí)，成橋階段選取荷載組合I。墩座底部采用固結(jié)邊界。墩座混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，材料特性如表1 所示[1-2]。

表1 有限元模型材料特性

采用通用有限元軟件ABAQUS 建立P12 墩三角區(qū)域計(jì)算模型?；炷羻卧M采用細(xì)化網(wǎng)格線性六面體單元C3D8R，有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

模型中將混凝土墩身、墩座以及主梁“合并”為整體，建立參考點(diǎn)與主梁端部截面以及拱腳處截面進(jìn)行“耦合”，將前文中確定的邊界條件施加于參考點(diǎn)上。

3 成橋階段最不利工況V 型墩變形與受力分析

3.1 變形分析

成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩的變形如圖3所示。由圖3 可見，整個(gè)模型主要繞墩底逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主梁變形大致較為平均，從與墩頂交界處至梁側(cè)端部截面變形逐漸變大，最大變形處為主梁靠主橋側(cè)端部，達(dá)到22.54mm。V 型墩斜腿由墩頂至墩座處變形逐漸減小，墩頂變形為16.90mm。墩座各處變形均勻且較小，最大變形僅為3.76mm。

圖3 P12 墩變形云圖

3.2 應(yīng)力分析

（1）墩座及拱座應(yīng)力分析。提取成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖分別如圖4 和圖5 所示。其中，主梁為C60 混凝土，容許最大拉應(yīng)力為1.96MPa，容許最大壓應(yīng)力為26.5MPa；墩身為C50 混凝土，容許最大拉應(yīng)力為1.83MPa，容許最大壓應(yīng)力為22.4MPa；墩座為C40 混凝土，容許最大拉應(yīng)力為1.65MPa，容許最大壓應(yīng)力為18.4MPa。為便于分析，將應(yīng)力云圖中超出容許最大拉應(yīng)力的部分用灰色顯示，超出容許最大壓應(yīng)力的部分用黑色顯示。后文工況中應(yīng)力分析均采用該種顯示方法。

圖4 P12 墩主拉應(yīng)力云圖

圖5 P12墩主壓應(yīng)力云圖

由圖5 可見，在成橋階段最不利荷載作用下，主梁應(yīng)力水平較低，各部分應(yīng)力均在容許范圍內(nèi)。拱座均存在小部分區(qū)域最大主拉應(yīng)力達(dá)到2.11MPa，超出容許拉應(yīng)力1.96MPa，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。主梁靠引橋一側(cè)拉應(yīng)力較高，最大拉應(yīng)力為1.51MPa，在容許范圍內(nèi)。主梁主壓應(yīng)力較小，各部分均在容許范圍內(nèi)。

（2）斜腿應(yīng)力分析。在成橋階段最不利荷載作用下，引橋側(cè)斜腿處主要受拉（圖6），主橋側(cè)斜腿主要受壓（圖7）。

圖6 斜腿主拉應(yīng)力云圖

圖7 斜腿主壓應(yīng)力云圖

引橋側(cè)斜腿由外至內(nèi)拉應(yīng)力逐漸減小，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在引橋側(cè)斜腿外側(cè)，達(dá)到1.73MPa，低于容許拉應(yīng)力1.83MPa，滿足要求。主橋側(cè)斜腿主壓應(yīng)力分布均勻且水平較低，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂，為-6.22MPa，在容許范圍內(nèi)。

（3）墩座應(yīng)力分析。在成橋階段最不利荷載作用下，墩座主拉應(yīng)力從引橋側(cè)至主橋側(cè)逐漸增加，底部靠主橋一側(cè)大范圍最大主拉應(yīng)力達(dá)到2.33MPa，超出容許拉應(yīng)力1.65MPa，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，見圖8。墩座主壓應(yīng)力從頂部至引橋側(cè)底部逐漸降低，最大壓應(yīng)力為-16.71MPa，在容許范圍內(nèi)，見圖9。

圖8 墩身主拉應(yīng)力云圖

圖9 墩身主壓應(yīng)力云圖

3.3 主應(yīng)力跡線分析

主應(yīng)力跡線圖中，以矢量表示主應(yīng)力，矢量長(zhǎng)短表示主應(yīng)力大小，矢量方向表示主應(yīng)力方向，成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩第一主應(yīng)力（紅色）、第二主應(yīng)力（藍(lán)色）和第三主應(yīng)力（黑色）跡線如圖10、圖11 所示。

圖10 主梁主應(yīng)力跡線圖

圖11 橋墩主應(yīng)力跡線圖

由圖10 可見，主梁拱腳處壓應(yīng)力跡線矢量較大且密集，說明該部分承受較大的壓應(yīng)力；主梁頂部翼緣應(yīng)力跡線為紅色，說明該部分主要受拉，但拉應(yīng)力很小。主梁主橋側(cè)端部主壓應(yīng)力跡線密集，但矢量較短。引橋側(cè)斜腿應(yīng)力跡線主要為紅色，說明該部分斜腿主要受拉。主橋側(cè)斜腿應(yīng)力跡線主要為黑色，說明該部分斜腿主要受壓。由圖11 可知，引橋側(cè)墩座底部存在較大的壓應(yīng)力。

4 結(jié)束語

本文基于有限元理論，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)與橋梁動(dòng)力學(xué)理論，系統(tǒng)研究了最不利工況下，V 型墩橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，最后得到如下結(jié)論：

（1）該V 型墩主梁變形從墩頂交界處至梁側(cè)端部截面變形開始變大，在主梁靠主橋側(cè)端部最大為22.54mm；墩頂至墩座處的變形逐漸減小，在墩頂變形為16.90mm；墩座各處變形均勻且較小，最大變形僅為3.76mm。

（2）該V 型墩結(jié)構(gòu)，在成橋階段最不利荷載作用下，梁體結(jié)構(gòu)、V 型墩及墩座的應(yīng)力均在容許范圍內(nèi)。

（3）從應(yīng)力跡線矢量關(guān)系可發(fā)現(xiàn)：主梁拱腳和引橋側(cè)墩座底部處承受較大的壓應(yīng)力。

該研究成果可為類似工程提供理論分析依據(jù)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。