钢结构连续刚构桥V 型墩局部受力分析

吴睿麒 王泽宁 宋洪雨 文天禹

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心 100082）

引言

连续刚构桥是一种常见的大跨度桥梁结构形式， 其在继承连续梁桥上部结构受力特点的基础上， 通过墩梁固结的方式， 利用墩柱结构释放墩顶负弯矩， 从而利用墩柱的柔性实现更好的受力。 V 型墩连续刚构桥从普通连续刚构桥演变而来， 其计算跨径得以减小， 跨中弯矩、 挠度及墩顶负弯矩峰值均有减小， 结构受力更趋于合理；同时结构整体刚度增大， 导致桥梁总体尺寸可以减小， 一定程度上节约了材料， 显得轻巧美观、景观性较强。 故而V 型墩连续刚构桥在近年受到设计者的广泛青睐。

目前， 有关V 型墩局部受力分析的研究主要集中在混凝土桥中， 文献[4]应用SAP5 程序中的第八类厚壳单元， 对南昆铁路南盘江特大桥V形支撑局部结构模型进行了应力分析， 绘制各部位等应力迹线， 发现斜腿与主梁隅结点附近腹板存在常规计算无法发现的竖向拉应力区； 文献[5]以某斜腿刚构与系杆拱组合桥为例， 采用ANSYS对V 形支撑局部结构进行有限元分析， 绘出了V型支撑与梁刚接处的内部应力迹线， 揭露了其控制截面为斜腿与主梁的刚结点处； 文献[6]以宁波奉化江大桥为例， 应用ANSYS 对其关键施工阶段进行模拟计算， 分析了各个阶段下V 墩关键部位的空间受力情况， 发现在中跨合龙前后及成桥阶段， 在V 腿的空心箱室与实心段交接处， 由于刚度突变会在其附近各类倒角周围产生较大的应力集中； 文献[7]以昆独仑三号桥为例， 采用整体杆系模型及局部实体模型对V 型墩斜腿局部应力进行分析， 结果表明斜腿与主梁、 竖墩相接处应力水平较为突出， 应采取相应的配筋措施。综上， 混凝土V 型墩局部结构应力复杂， 用常规计算难以发现结构受力的薄弱点， 局部采用精细化模型分析后可以得到更为准确的应力状态。 而由于目前建成的钢结构V 型墩连续刚构桥较少，对钢结构V 型墩局部受力少有研究。

因此， 有必要对钢结构连续刚构桥V 型墩局部受力进行研究， 从而有利于掌握其受力特性和关键部位的应力分布信息， 为其结构设计提供依据。

1 工程概况

某自行车专用路跨高速桥梁采用38m +46m+50m+41m 四跨钢结构斜交V 型墩连续刚构方案， 全桥采用 Q345qD 钢， 桥梁全长 175m， 桥梁全宽10.75m。 主梁采用双箱单室截面， V 型墩斜腿处梁高为2.3m， 中跨跨中和边跨端部梁高均为1.5m， 箱梁顶板厚16mm、 底板厚20mm、腹板厚16mm。 下部结构中墩采用V 型墩形式与主梁刚接， V 型墩厚度1.5m、 顶底板厚20mm、腹板厚16mm， 下接承台及钻孔灌注桩， 桩径1.5m； 边墩处采用公用墩盖梁接墩柱、 承台及钻孔灌注桩， 桩径1.2m， 主梁与盖梁之间设置四氟滑板式板式橡胶支座。 桥梁平面、 立面及跨中横隔板处断面如图1 所示。

图1 V 型墩连续刚构桥(单位： cm)Fig.1 Continues rigid frame bridge with V-shaped piers (unit: cm）

2 有限元建模

2.1 建模思路

杆系模型无法准确反映V 型墩的局部受力状态， 而若对全桥建立板单元或实体单元， 则计算量巨大， 效率较低。 针对本桥的V 型墩局部受力分析， 建模思路为先建立整体杆系模型， 根据圣维南原理， 提取合适范围的局部结构作为隔离体进行受力特性分析， 局部分析模型的内力和位移边界条件与整体模型中该处的内力和位移保持一致。

2.2 整体有限元模型

本桥整体模型采用MIDAS Civil 软件， 建立空间杆系模型、 并划分施工阶段进行计算， 全桥共分成427 个单元， 459 个节点， 支座采用弹性连接模拟支座刚度， 承台与桩基相连处采用弹性连接的刚性模拟承台与桩基的连接， 桩土作用采用节点弹性支承来模拟， 有限元模型如图2所示。

整体计算模型施加的主要荷载有自重、 二期恒载、 活载、 温度荷载及基础不均匀沉降。

计算采用的钢材强度设计值见表1。

图2 桥梁整体有限元模型Fig.2 FEM of the whole bridge

表1 钢材强度设计值Tab.1 Strength design value of steel

2.3 局部有限元模型

依据圣维南原理， 远离V 型墩区域的应力状态对其应力分布的影响可以忽略不计， 因此， 本文选取V 型墩及两边各15m 长的主梁作为局部研究对象。

1.边界条件确定

局部分析模型的内力和位移边界条件应与整体模型中该处的内力和位移一致。 根据试算验证， MIDAS Civil 中局部模型在端部截面采用节点强制位移， 同时将强制位移和其他荷载定义为同种工况， 能得到位移一致、 内力基本一致的边界条件。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015）， 采用基本组合进行强度验算。 为验算Z1 轴V 型墩强度， 分别考虑五种工况: (1）工况一: 南侧V 型墩左斜腿顶最大轴力工况； (2）工况二: 南侧 V 型墩左斜腿顶最大弯矩工况；(3）工况三: 南侧V 型墩右斜腿顶最大轴力工况； (4）工况四: 南侧V 型墩右斜腿顶最大弯矩工况； (5）工况五: V 型墩间左侧横隔板端部最大弯矩工况。

根据不同荷载工况， 从整体模型中提取相应截断处截面的位移值施加于局部模型中两端形心节点处， 整体模型中提取的位移值情况见表2。

表2 节点强制位移取值Tab.2 Value of forced displacement acting on nodes

2.模型建立

采用MIDAS Civil 建立局部模型， V 型墩采用板单元模拟， 承台、 桩基采用梁单元， 桩土作用采用节点弹性支承来模拟， 墩底节点与承台顶节点采用刚性连接。 有限元网格划分后， 在两端截面形心处建立节点， 并与该截面上其余节点建立刚性连接。 截面形心节点施加表2 中计算的各工况节点强制位移， 模型施加自重、 二期恒载及各工况对应的活载、 温度荷载。 以下仅给出Z1轴处的局部模型及计算结果， 局部有限元模型如图3 所示。

图3 Z1 轴V 型墩局部有限元模型Fig.3 FEM of the V-shaped pier on Z1-axis

3 计算分析

通过局部有限元计算分析， 可以算出五种工况下Z1 轴V 型墩各处 Von-Mises 应力最大值， 以判断钢材强度是否满足要求。 取V 型墩两侧各8m范围进行查看， 各工况下的应力计算结果见表3。

表3 V 型墩局部应力计算结果Tab.3 Numerical calculating results of local stress on V-shaped pier

由表3 可知: (1）主梁顶板、 横隔板、 悬臂板应力水平较低。 (2）V 型墩斜腿顶与主梁相接位置， 斜腿底板倒角处的底板、 腹板底、 底板纵向加劲肋均存在着较其他部位突出的应力水平；尤其是在工况二作用下， 北侧V 型墩左斜腿顶部底板倒角处纵向加劲肋最大Von -Mises 应力为270.4MPa， 达 到 强 度 设 计 指 标 的 98.3%。(3）V 型墩底位置的顶底板、 腹板及纵向加劲肋应力水平相对较高。

4 构造措施

针对局部有限元模型计算结果， 本次构造设计采用: (1）V 型墩底板加劲肋横向由1 道改为2道， 且主梁变高段范围内增加 1 道 T 型肋。(2）V型墩墩底采用混凝土灌注， 灌注范围为计算结果中应力较大的部位。

V 型墩斜腿顶处修改后标准断面如图4 所示， V 型墩墩底构造立面如图5 所示。

图4 V 型墩斜腿顶处修改后标准断面(单位： cm)Fig.4 Standard section after modifying at the top of skew leg(unit: cm）

图15 V 型墩墩底构造立面(单位： cm)Fig.15 Structural elevation view of the bottom of V-shaped pier(unit: cm）

5 结论

本文通过对钢结构连续刚构桥V 型墩处建立局部有限元模型， 研究了V 型墩的局部受力特性， 并得出以下结论:

1.本文采用整体杆系模型及局部板单元模型相结合的计算思路， 能较为合理地计算钢结构V 型墩处的局部受力状态， 同时具有较好的计算效率。

2.钢结构连续刚构桥V 型墩斜腿顶部底板倒角处各板件存在局部应力较大的现象， V 型墩墩底处各板件应力水平也相对较高。

3.在该类桥型设计中， 应对局部节点进行专门分析设计、 确定合理的截面过渡形式、 构造及补强措施。 同时在施工时应尽量避免在应力水平较高的部位设置断缝， 若必须设置， 应严格保证连接质量、 并宜采取适当的补强措施。