象山大桥V 型墩三角区域局部变形受力特性研究

张博宇

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 怀柔 101400）

0 引言

桥梁V 构区域为钢筋混凝土结构，由于区域结构受力复杂，施工及运营过程会产生拉应力，存在开裂风险，是受力的关键部位。V 构与主梁组成的三角刚构为超静定结构，施工阶段自重及拱肋传来的轴力、弯矩和剪力作用，使得三角刚构应力流的走向以及拉、压应力的分布十分复杂。如果这些部位处理不当，极易产生裂缝，会给桥梁的结构安全与耐久性带来隐患，目前对此类型V 构的受力研究并不多，杆系计算模型难以得到V 构的实际受力状态，有必要专门对该部位进行详细分析，进行相应部位的试验研究和有限元分析，以得到结构的实际受力行为。

1 工程背景

象山大桥位于江西省鹰潭市余信贵大道K4+644～K5+084 段，全长为1168m，主桥为80+160+80m 钢箱桁架拱加劲预应力混凝土V 构组合桥。其中P12 桥墩为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 钢筋混凝土；V 型墩墩座采用C40 钢筋混凝土，长×宽=12.428m×6.2m。V 型墩结构尺寸如图1 所示。

图1 象山大桥V 型墩结构尺寸

2 理论模型建立

为研究象山大桥V 型墩的受力特性，借助有限元分析软件Midas 建立全桥结构模型，通过在模型中提取施工阶段和成桥阶段最不利荷载组合作用下主梁两端和拱脚处的变形,作为边界条件施加于Abaqus 局部模型对应位置，进行模拟荷载，其中施工阶段选取CS9（边跨合龙）时，成桥阶段选取荷载组合I。墩座底部采用固结边界。墩座混凝土强度等级为C40，墩身混凝土强度等级为C50，主梁混凝土强度等级为C60。根据相关规范，材料特性如表1 所示[1-2]。

表1 有限元模型材料特性

采用通用有限元软件ABAQUS 建立P12 墩三角区域计算模型。混凝土单元模拟采用细化网格线性六面体单元C3D8R，有限元模型见图2。

图2 有限元模型

模型中将混凝土墩身、墩座以及主梁“合并”为整体，建立参考点与主梁端部截面以及拱脚处截面进行“耦合”，将前文中确定的边界条件施加于参考点上。

3 成桥阶段最不利工况V 型墩变形与受力分析

3.1 变形分析

成桥阶段最不利荷载作用下，P12 墩的变形如图3所示。由图3 可见，整个模型主要绕墩底逆时针转动，主梁变形大致较为平均，从与墩顶交界处至梁侧端部截面变形逐渐变大，最大变形处为主梁靠主桥侧端部，达到22.54mm。V 型墩斜腿由墩顶至墩座处变形逐渐减小，墩顶变形为16.90mm。墩座各处变形均匀且较小，最大变形仅为3.76mm。

图3 P12 墩变形云图

3.2 应力分析

（1）墩座及拱座应力分析。提取成桥阶段最不利荷载作用下，P12 墩的主拉应力和主压应力云图分别如图4 和图5 所示。其中，主梁为C60 混凝土，容许最大拉应力为1.96MPa，容许最大压应力为26.5MPa；墩身为C50 混凝土，容许最大拉应力为1.83MPa，容许最大压应力为22.4MPa；墩座为C40 混凝土，容许最大拉应力为1.65MPa，容许最大压应力为18.4MPa。为便于分析，将应力云图中超出容许最大拉应力的部分用灰色显示，超出容许最大压应力的部分用黑色显示。后文工况中应力分析均采用该种显示方法。

图4 P12 墩主拉应力云图

图5 P12墩主压应力云图

由图5 可见，在成桥阶段最不利荷载作用下，主梁应力水平较低，各部分应力均在容许范围内。拱座均存在小部分区域最大主拉应力达到2.11MPa，超出容许拉应力1.96MPa，存在开裂风险。主梁靠引桥一侧拉应力较高，最大拉应力为1.51MPa，在容许范围内。主梁主压应力较小，各部分均在容许范围内。

（2）斜腿应力分析。在成桥阶段最不利荷载作用下，引桥侧斜腿处主要受拉（图6），主桥侧斜腿主要受压（图7）。

图6 斜腿主拉应力云图

图7 斜腿主压应力云图

引桥侧斜腿由外至内拉应力逐渐减小，最大主拉应力出现在引桥侧斜腿外侧，达到1.73MPa，低于容许拉应力1.83MPa，满足要求。主桥侧斜腿主压应力分布均匀且水平较低，最大主压应力出现在墩顶，为-6.22MPa，在容许范围内。

（3）墩座应力分析。在成桥阶段最不利荷载作用下，墩座主拉应力从引桥侧至主桥侧逐渐增加，底部靠主桥一侧大范围最大主拉应力达到2.33MPa，超出容许拉应力1.65MPa，存在开裂风险，见图8。墩座主压应力从顶部至引桥侧底部逐渐降低，最大压应力为-16.71MPa，在容许范围内，见图9。

图8 墩身主拉应力云图

图9 墩身主压应力云图

3.3 主应力迹线分析

主应力迹线图中，以矢量表示主应力，矢量长短表示主应力大小，矢量方向表示主应力方向，成桥阶段最不利荷载作用下，P12 墩第一主应力（红色）、第二主应力（蓝色）和第三主应力（黑色）迹线如图10、图11 所示。

图10 主梁主应力迹线图

图11 桥墩主应力迹线图

由图10 可见，主梁拱脚处压应力迹线矢量较大且密集，说明该部分承受较大的压应力；主梁顶部翼缘应力迹线为红色，说明该部分主要受拉，但拉应力很小。主梁主桥侧端部主压应力迹线密集，但矢量较短。引桥侧斜腿应力迹线主要为红色，说明该部分斜腿主要受拉。主桥侧斜腿应力迹线主要为黑色，说明该部分斜腿主要受压。由图11 可知，引桥侧墩座底部存在较大的压应力。

4 结束语

本文基于有限元理论，结合结构力学与桥梁动力学理论，系统研究了最不利工况下，V 型墩桥梁结构的受力特性，最后得到如下结论：

（1）该V 型墩主梁变形从墩顶交界处至梁侧端部截面变形开始变大，在主梁靠主桥侧端部最大为22.54mm；墩顶至墩座处的变形逐渐减小，在墩顶变形为16.90mm；墩座各处变形均匀且较小，最大变形仅为3.76mm。

（2）该V 型墩结构，在成桥阶段最不利荷载作用下，梁体结构、V 型墩及墩座的应力均在容许范围内。

（3）从应力迹线矢量关系可发现：主梁拱脚和引桥侧墩座底部处承受较大的压应力。

该研究成果可为类似工程提供理论分析依据和建设经验。