V形刚构拱桥V构详细应力计算分析

柳 鸣

1 概述

刚构与拱组合桥梁体系是一种刚构与拱圈刚性连接，共同承担荷载的结构体系。这种桥梁利用刚构跨的强大刚度为与其刚性连接的拱圈提供延伸支撑，相对减小主拱跨度，以利于实现桥梁跨度的增加。V形刚构拱桥的V形结构构造和受力均较复杂，是设计的重要部位，它的可靠与否直接关系着全桥的安全和可靠。本文以城际快速轨道交通工程小榄水道特大桥为背景，利用大型有限元软件ANSYS建立V构实体有限元模型，对结构进行详细应力计算分析。小榄水道特大桥设计方案为:100 m+220 m+100 m三跨V形连续刚构组合拱桥(简称V形刚构拱桥)，全桥长420 m，桥面宽 11.6 m，双向列车。V构外侧斜撑水平倾角36.10°，内侧水平倾角 46.40°。

2 有限元模型的建立

计算模型采用ANSYS命令流的方式建立。由于主梁统一的截面形式，可用其截面上的控制点来描述，生成实心的梁段。对于箱梁的空心部分则同样建立实心的实体，利用ANSYS提供的布尔运算命令，将实体相减生成箱梁。将这些控制点作为关键点，模型混凝土主梁采用Solid45单元模拟，预应力钢筋用Link8杆单元模拟。V构与预应力钢筋采用分别建模的分离式模型模拟，并通过耦合的方式使之位移协调。模型中，共计40 144个块体单元，2 539个线单元，模型节点总数为25 135。结构模型见图1。

3 边界和荷载施加

4 施工阶段V构详细应力分析

4.1 最大单悬臂状态V构详细应力分析

运用MIDAS/CIVIL 2006建立的全桥空间有限元模型计算出最大单悬臂状态下主梁的受力情况，将结构受力转化加到ANSYS模型主梁两端。通过计算分析，得到最大单悬臂状态下V构的最大、最小主应力如图2，图 3所示。

从图2，图3可知，V构应力值主要是在-10.30 MPa～4.84 MPa范围内，V构左腿与承台相交处出现应力集中现象，主拉应力过渡很快，局部应力由4.84 MPa沿左腿内侧向上很快过渡到1.13 MPa。右腿外侧与承台相交处有2.71 MPa，与梁段连接处有1.84 MPa左右的拉应力，V构左右腿其他的应力小于1.13 MPa。

在最大单悬臂状态下，最大主压应力-10.3 MPa出现在V构右腿与主梁结合处内侧，V构与梁相交处，因为采用倒圆角的构造，没有出现应力集中，主压应力为-10.3 MPa～5.4 MPa范围。

4.2 架设拱圈状态V构详细应力分析

同样运用M IDAS/CIVIL 2006建立的全桥空间有限元模型计算出架设拱圈时主梁和拱座的受力情况，将结构受力转化加到ANSYS模型主梁两端和拱桥处。通过计算分析，得到架设拱圈时V构的最大、最小主应力如图 4，图5所示。

从图 4，图5可知，V构左腿与承台相交处，此处应力集中明显。V构左腿内侧在架设拱圈时V构应力值在-10.30 MPa～5.72 MPa范围内。V构左腿与承台结合处内侧最大主应力5.72 MPa。V构右腿与底部外侧有局部的应力集中现象。右腿与主梁右侧结合处有1.77 MPa左右的拉应力。同时在左腿与主梁结合处外侧有比较明显的拉应力区，应力在1.47 MPa～2.29 MPa范围内变化。

在梁上架设拱圈时，最大主压应力为-10.59 MPa，出现在V构右腿与主梁结合处内侧。V构右腿与承台结合处的角点处出现了1.08 MPa的拉应力，结合处有比较明显的压应力集中。

5 成桥状态V构详细应力分析

运用MIDAS/CIVIL 2006建立的全桥空间有限元模型计算出架设拱圈时主梁和拱座的受力情况，将结构受力转化加到ANSYS模型主梁两端和拱桥处同时在桥面通过施加面力来模拟二期恒载。通过计算分析，得到架设拱圈时V构的最大、最小主应力。

V构左腿与承台相交处，应力集中明显。V构左腿内侧在成桥状态时V构应力值在-10.11 MPa～3.93 MPa范围内，V构左腿与承台结合处内侧最大主应力3.93 MPa。V构右腿与底部内、外侧均有局部的应力集中现象。右腿与主梁右侧结合处有3.71 MPa左右的拉应力，同时在左腿与主梁结合处内侧有比较明显的拉应力区，应力在0.74 MPa～3.71 MPa范围内变化。

在成桥时，最大主压应力为-10.11 MPa，出现在V构右腿与主梁结合处内侧。V构右腿与承台结合处的角点处出现了1.08 MPa的拉应力，结合处也有比较明显的压应力集中。

6 结语

1)在最大双悬臂状态，V构的应力值为-10.30 MPa～4.84 MPa范围，V构左腿与承台结合处主拉应力过渡较快，有较明显的应力集中。2)在架设拱圈状态，V构右腿与底部外侧有局部的应力集中现象，同时在左腿与主梁结合处外侧有比较明显的拉应力区，应力在1.47 MPa～2.29 MPa范围内变化。在架设拱圈状态V构的局部最大拉应力值为5.62 MPa。3)成桥状态，V构左腿与承台相交处，应力集中明显。V构右腿与底部内、外侧均有局部的应力集中现象。成桥时V构的应力值范围为-10.11 MPa～3.93 MPa，V构右腿与承台结合处也有比较明显的压应力集中。4)在三种施工工况下，V构左腿与承台结合处内侧最大主应力较大，有较明显的局部应力集中现象。在施工过程中V构左腿与承台结合处出现了5.62 MPa的拉应力，在此处可以适当加密钢筋，结合处采用倒角连接，以减少应力集中。5)在三种施工工况下，最大主压应力出现在 V构右腿与梁结合处内侧，最大值为-10.59 MPa，同时主压应力集中，没有明显的局部应力集中现象。6)V构与主梁、承台结合处局部有较大拉应力外，其他部分在三种施工阶段都只有少许的拉应力，而其压应力也很小，满足要求。

[1] 宋富荣，吴士民.小榄特大桥V构系梁节段支架法施工技术[J].山西建筑，2009，35(9):292-293.

[2] 郑凯锋.小榄水道V形刚构和拱组合特大桥受力[Z].2000.

[3] 西南交通大学土木工程学院.特性分析与施工控制措施研究报告[R].2007.