高速铁路桥异形墩受力分析

林鑫鑫

摘要：异形墩的墩身应力集中区和危险截面的应力分布状态不同于一般桥墩，本文采用通用有限元ANSYS对西成客运专线椒溪河特大桥异形墩进行实体有限元分析，采用solid65单元模拟异形实体桥墩，忽略桩土作用，将墩底视为固结，考虑恒载和活载效应，按照三种荷载工况组合，分析得到异形墩墩身应力、墩身位移。

Abstract： The stress distribution of the stress concentration zone and the dangerous section of the pier with different shaped piers is different from that of the general pier. In this paper， the finite element analysis of the shaped pier of the Jiaoxi River Bridge on the Xicheng Passenger Dedicated Line is carried out by the general finite element ANSYS， and the solid65 unit is used to simulate the profile. The physical pier， ignoring the effect of pile and soil， considers the bottom of the pier as consolidation. Considering the dead load and live load effect， according to the combination of three kinds of load conditions， the stress and pier displacement of the pier of the shaped pier are analyzed.

关键词：铁路；异形墩；有限元；荷载

Key words： railway；shaped pier；finite element；load

中图分类号：U441+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0130-02

0 引言

随着高速铁路建设及城市轨道交通事业的迅猛发展，交通建设和工程建设对质量、艺术的追求不断提高，为了增强工程建设与周围环境的协调性，越来越多的新型结构被设计来满足要求。由于铁路线路的选择受到诸多因素的影响，在地形、线性及空间的限制等因素影响下，新型结构将为解决这一问题提供全新的理念和发展方向。近年来桥梁建设出现上许多新式组合结构，诸如变宽度、变坡度、变曲率的异形结构等。目前该类桥梁的設计理论及受力特性的研究方法严重滞后于工程实际，考虑到今后对异形墩台发展的展望，通过对异形桥梁墩身结构的初步研究有助于发展其理论方法和研究模式。

1 工程概况

椒溪河特大桥跨径40.8m，桥梁上部采用节段拼装简支梁，单孔11段拼装，两端部为各1节①号梁段，重174.3t；紧靠①号梁段也是两端布置各1节③号梁段，重138.3t；中间均匀布置7节⑤号梁段，重113.8t，板面采用双线无砟轨道。桥梁下部墩身沿线路中心线扭转35°设计，顶帽及托盘采用C35钢筋混凝土，墩身采用C35混凝土，支承垫石采用C50钢筋混凝土。模型主要包括四部分：承台、墩身、墩帽、支座垫石。其中墩帽与支座垫石之间还有高度为5cm排水坡，承台、墩身及墩帽的中心轴线仍在同一中轴线上，但墩身扭转一定角度后，对称轴与基础、墩帽便不再同一位置。基础是由8根混凝土灌注桩组成的加固地基，承台是980cm×940cm的矩形结构。墩身总高度39.5m，支承垫石+支座总高度按60cm设计，本论文中支承垫石取高度40cm。

2 模型简化与实体建模

根据上述CAD工程图拟定的尺寸，利用ANSYS建模时采用了自下而上的建模方式，由于墩帽上的流水坡高度5cm，相对支承垫石、墩帽和墩身而言尺寸较小，对于论文分析墩身应力的影响基本可以忽略，所以实体建模不考虑创建流水坡。简化后的模型主要包括基础、墩身、墩帽和支撑垫石四部分。根据椒溪河特大桥异形墩的结构特点，墩身截面形式及分析问题的关键，利用结构数值分析软件ANSYS进行建模分析，采用3D实体8节点等参元Solid65模拟混凝土。模型参数的选取：基础、墩身和墩帽采用C35混凝土，弹性模量3.15e10，泊松比0.2，密度2500kg/m3。支承垫石采用C50钢筋混凝土，弹性模量3.45e10，泊松比0.2，密度2600kg/m3。通过采用Solid65单元模拟异形实体桥墩，针对模型要求的计算精度，采用了3D四面体单元形状和自由网格划分控制。桥墩基础由8根混凝土灌注桩组成，本论文研究对象是墩身应力分布，在施加约束条件时就不予考虑基础周围的土压力、流水压力及一般冲刷和局部冲刷等因素的作用，将计算模型承台底面及四周面全部约束，与实际状态下的桥墩约束有所不同，计算模型中墩顶部分没有约束条件，墩底采用固定端约束，根据计算理论和结构简化理论，对墩身的约束条件作此简化不影响其计算结果的分析。

3 模型荷载

计算作用在墩身上的列车活载，各工况都按最不利荷载位置布置，各工况布置及计算如下：

3.1 单孔重载 单线布置活载，由静力平衡方程式∑R0=0，计算异形墩支反力：R1=1/39.6×[4×200×（40.8-0.6-1.6-0.8）+64×L×（L/2-0.6）]=1730.7kN

L=40.8-3×1.6-0.8

根据高速铁路设计规范要求，双线都应满布荷载，当双线对称布置时所产生的反力和对墩顶截面的弯矩是最大的，所以在R1处两个支座垫石上的反力为：p1支=1730.7kN。

3.2 单孔轻载 单线布置活载，由静力平衡方程式∑R0=0，计算异形墩支反力：R2=1/39.6×[4×200×（1.6-0.6+0.8）+64×L×（40.8-L/2-0.6）]=1322kN

L=40.8-3×1.6-0.8

双线满布荷载，R2处两个支座垫石上的反力为：p1支=1322kN。

4 计算结果分析

4.1 单孔轻载 单孔轻载荷载组合工况下ANSYS计算结果应力云图如图1-图2。

单孔轻载荷载工况下，墩身Z向最大拉应力1.09MPa，出现在墩帽XY平面的第三象限倒角处；最大压应力7.39MPa，出现在有列车活载作用的支座垫石上；两支座垫石出现压应力集中区，从固定支座垫石压应力由中心向外压应力逐渐减小，最大7.39MPa，最小1.7MPa，活动支座的两垫石压应力变化在6.451.7MPa之间；墩身底部也有压应力集中区，最大压应力达7.39MPa，出现在墩身XY平面的负Y向局部区域；墩身底部第三象限区域压应力数值由内向外、自下而上变化在6.45～3.6MPa之间，与之相对部分，应力变化在3.6～1.7MPa之间。X向最大位移出现在墩帽部分达-6.4mm，自上而下位移逐漸减小，基础至墩身1/4处位移值达0.014mm。Y向位移最大出现在墩身上部墩帽以下1/4的区域，XY平面的X轴下方，其值达-0.4mm；自上而下位移值渐小，基础和墩底局部小区域位移值达最小达0.035mm。Z向位移自X轴正向过渡到X轴负向，整个墩身位移值-0.4～0mm之间变化，最小位移值在基础及墩身底部部分区域，最大部位在承受列车活载两支座垫石处以及下部的墩帽和墩身小部分区域。

4.2 单孔重载 单孔重载荷载组合工况下应力分布云图如图3-图4所示。

单孔重载工况下，异形墩Z向最大拉应力达1.09 MPa，出现部位与单孔轻载一样，但基础部分在X轴负向的棱边上有局部最大拉应力出现；有固定支座垫石这边压应力较墩身另一边大，墩底和支座垫石处有应力集中区，墩底应力集中区压应力值在7.79～2.85MPa变化；固定支座垫石压应力值在7.79～0.88MPa变化，活动支座垫石压应力数值在6.8～0.88MPa变化。X向位移分布图中，自上而下，位移值逐渐减小，其值墩顶最大达-6.32mm，基础及墩身下部1/3处位移最小达-0.658mm。Y向位移分布图中，基础至墩身2/3处，位移值最大达-0.063mm，自上变化减小，固定支座垫石及相邻墩帽部分出现正位移值达0.8mm。Z向位移图中，同水平面下，有风荷载作用的一面压缩量较另一面较小，从基础向墩顶位移变化量逐渐减小，最大位移出现在固定支座及与之相邻的墩帽部分处，位移值达-3.5mm；基础和墩底位移值最小达-0.39mm。

5 总结

异形墩结构是近几年出现的新型桥梁结构，它的出现改善了墩身结构的受力性能，促进桥梁结构向着设计新颖、合理经济等方面发展，同时异形墩结构具有增大桥梁的整体刚度、桥跨跨径等特性，因此在城市轨道交通建设中具有较高的实用价值和竞争力。按照本文的研究结果，桥墩结算结果受力分析主要关注第1主应力和Z向应力分布，位移值可以从X、Y、Z三个方向查看，桥墩主要承受上部结构的荷载，可以看做是受压构件，可以利用本文的模型分析其中最大、最小，应力集中区和危险截面的应力，也重点关注这些部位的应力变化趋势，本文的研究可为工程实践提供指导。

参考文献：

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