大跨预应力混凝土连续刚构桥V形0#节段有限元分析

杨 强 张 哲 王国炜

（山东金衢设计咨询集团有限公司 山东济南 250014）

近年来，V形墩结构桥梁得到了较为广阔的发展，其中V形墩连续刚构桥的设计建造速度最为迅速，青田塔山大桥、福建南平西城大桥、宁波奉化江大桥等一批大跨径V形墩连续刚构桥横空出世，成为中国桥梁建造史上一道靓丽的风景[1]。

V形墩连续刚构桥的设计和施工难点在V形墩0#块，该区域由于结构构造特殊、边界条件复杂导致空间应力状态复杂[2]，在施工过程中容易出现较大的拉应力。李涵军[3]以深安黄河大桥为例，采用ANSYS建立V形墩0#块分析模型，发现在施工过程中倒三角区域下内隅和上内隅容易反复出现较大拉应力。曾勇等[4-5]以桂林龙门大桥为例，对V形墩0#块进行了详细的施工过程分析和关键工况分析，发现在拆除支架施工阶段倒三角区域下内隅将出现较大主拉应力。张伟光[6]以某V形墩连续刚构桥为例，对采用内侧支架法施工V形墩0#块进行了仿真模拟，计算表明在斜腿的内侧和外侧反复出现较大拉应力。刘孝武等[7]采用ANSYS生死单元技术分析了宁波奉化江南翔桥0#块的整个施工过程，分析表明斜腿浇筑过程中倒三角区域下内隅容易出现较大拉应力，需要及时采用主动拉杆进行调整。由此可见，V形墩0#块的施工在全桥施工过程中是较为危险的施工阶段，需要引起广大工程技术人员的关注。

本文以云南某V形墩连续刚构桥为工程背景，对其V形墩0#块做详细的施工过程分析，通过计算关键施工阶段的变形及应力，为以后V形墩连续刚构桥的设计与施工提供参考。

1 工程概况

建设于云南省武定至倘甸至寻甸高速公路的某V形墩连续刚构桥的跨径组合为64 m+120 m+64 m，桥面净宽15.5 m。

V形墩采用钢筋混凝土实心墩，单肢截面尺寸为8.5 m×2.0 m，V形墩台座顺桥向长6.74m，横桥向宽8.5 m，高5.0 m，左右肢与铅垂线的夹角为26.57°。V形墩上的主梁为单箱单室，底板厚度为0.8 m，顶板厚度为0.6 m，腹板厚度为0.8 m，主梁顶板有4%的横坡，箱梁截面中心线梁高为5.5 m。在墩梁汇合位置设置顺桥向长2 m的横梁，横梁设置通人孔，通人孔尺寸为1.5 m×2.0 m，横梁两侧与1号块相接的截面底板厚度为0.8 m，顶板厚度为0.3 m，腹板厚度为0.7 m。V形墩与0号块主梁相交的内夹角设置成半径为0.8m的圆弧，V形墩与台座的内夹角同样设置成半径为0.8 m的圆弧，外夹角设置成半径为3.0m的圆弧，台座和V墩的总高为21.5 m。该桥的结构尺寸如图1所示。

图1 结构尺寸/cm

V形墩采用C50混凝土，箱梁采用C55混凝土，C50混凝土的弹性模量为34500 MPa，泊松比为0.2，抗拉强度设计值为1.83 MPa，抗压强度设计值为22.4 MPa；C55混凝土的弹性模量为35500 MPa，泊松比为0.2，抗拉强度设计值为1.89 MPa，抗压强度设计值为24.4 MPa。在V形墩0号块的主梁设置纵向、横向和竖向预应力钢束。纵向和横向预应力采用钢绞线，公称直径为15.2 mm，抗拉强度标准为1860 MPa，弹性模量为195 MPa；竖向预应力采用直径为32 mm的40Si2MnMoV精轧螺纹钢筋，抗拉强度标准值为785 MPa，弹性模量为200 MPa。0号块主梁共布置4根顶板束和2根腹板束，采用双向张拉；横向预应力钢束布置于箱梁的顶板位置，间距0.5 m，采用单向张拉，交替改变张拉位置；竖向预应力布置于箱梁的腹板，间距0.5 m，采用单端张拉，位置在箱梁顶板。

2 分析思路

计算分析采用Midas Civil有限元软件，0#块和支架均采用梁单元建模，整个模型共计94个单元，有限元模型如图2(a)所示。墩底和支架底部均固结，斜腿底部与墩底采用刚性连接，斜腿顶部与主梁采用弹性连接中的刚性连接。由于不考虑横桥向偏载的作用，支架主要承受压应力，横桥向一排支架的抗压刚度仅用一根立杆模拟。荷载上考虑结构自重、混凝土湿重和主梁预应力。混凝土湿重根据查询单元功能计算得到，采用节点荷载施加。0#块的主梁预应力采用两端张拉，张拉控制应力1302 MPa，张拉后立即注浆，预应力与管道摩擦系数为0.15，管道每米局部偏差的摩擦影响系数为0.0015，锚具变形、钢束回缩考虑为两端各6 mm。

0#块施工共划分为7个施工阶段，其具体施工过程为：①竖直墩浇筑施工→②斜腿外侧搭支架，浇筑斜腿→③斜腿混凝土达到强度→④斜腿内侧搭支架（支架不得搭在斜腿上），浇筑主梁→⑤主梁混凝土达到强度→⑥张拉主梁内预应力钢束→⑦拆除支架，0#块各构件名称以及整个施工过程如图2(b)所示，其中节段编号即为混凝土浇筑顺序。

图2 有限元模型及施工阶段

3 关键施工阶段结构分析

3.1 斜腿混凝土达到强度施工阶段

通过计算，提取斜腿混凝土达到强度后V形墩的应力与位移如图3所示，由图3可以看出：斜腿混凝土达到强度后V形墩的水平位移很小，不超过0.01 mm；竖向位移最大值为2.58 mm，出现在斜腿顶部附近，斜腿越高的位置产生的竖向位移越大；斜腿的应力接近于0。

图3 斜腿混凝土达到强度施工阶段的应力与位移

3.2 主梁混凝土达到强度施工阶段

提取主梁混凝土达到强度后V形墩0#块的应力与位移如图4所示，由图4可以看出：主梁混凝土达到强度后斜腿产生向外侧的水平位移，接近顶部位置的最大值为0.39 mm，顶部的水平位移为0.36 mm；主梁的最大竖向位移出现在1/4截面附近，约9.06 mm；主梁的上缘为拉应力，下缘为压应力，最大应力值均出现在跨中，上缘的最大拉应力为0.04 MPa，下缘的最大压应力为0.03 MPa，由于主梁的竖向位移大都由主梁浇筑时的支架变形所致，故而主梁表现为挠度大应力小，此时的主梁虽然已经受力但由于支架的支撑应力几乎为0；斜腿的上缘应力由底部的拉应力逐渐变化为顶部的压应力，底部的拉应力最大值为0.04 MPa，顶部的压应力最大值为1.25 MPa；斜腿的下缘应力由底部的压应力逐渐变化为顶部的拉应力，底部的压应力最大值为0.77 MPa，顶部的拉应力最大值为0.83 MPa。

图4 主梁混凝土达到强度施工阶段的应力与位移

3.3 张拉预应力施工阶段

提取张拉预应力后V形墩0#块的应力与位移如图5所示，由图5可以看出：张拉预应力后斜腿顶部向外侧的水平位移下降为0.32 mm，接近顶部位置的最大值上升为0.44 mm；主梁的最大竖向位移仍出现在1/4截面附近，约9.31 mm；主梁的上缘和下缘均为压应力，上缘的最大压应力为1.50 MPa，出现在1/4截面附近，下缘的最大压应力为0.23 MPa，出现在跨中截面附近；斜腿的上缘应力由底部的拉应力逐渐变化为顶部的压应力，底部的拉应力最大值为0.62 MPa，顶部的压应力最大值为1.84 MPa；斜腿的下缘应力由底部的压应力逐渐变化为顶部的拉应力，底部的压应力最大值为0.99 MPa，顶部的拉应力最大值为1.41 MPa。

图5 张拉预应力施工阶段的应力与位移

3.4 拆除支架施工阶段

通过计算，提取拆除支架后V形墩0#块的水平位移如图6a，竖向位移如图6b，梁单元上缘应力为6c，下缘应力为6d。

由图6可以看出，拆除支架后斜腿顶部向外侧的水平位移上升为0.68 mm，接近顶部位置的最大值上升为0.98 mm，由于斜腿浇筑时支架的变形较小，故而此阶段的斜腿位移近似于斜腿的结构变形；主梁的最大竖向位移仍出现在1/4截面附近，约10.53 mm，由于主梁的位移主要由主梁浇筑时支架的竖向压缩变形产生，实际上主梁的竖向变形较小，将此阶段的位移减去主梁浇筑时支架的压缩变形即得到主梁的竖向变形，通过计算主梁的最大竖向变形出现在跨中，约1.81 mm。主梁的上缘为压应力，下缘主要为拉应力，最大值均出现在跨中截面附近，上缘的最大压应力为2.40 MPa，下缘的最大拉应力为1.38 MPa；斜腿的上缘应力由底部的拉应力逐渐变化为顶部的压应力，底部的拉应力最大值为1.78 MPa，顶部的压应力最大值为2.82 MPa；斜腿的下缘应力由底部的压应力逐渐变化为顶部的拉应力，底部的压应力最大值为3.58 MPa，顶部的拉应力最大值为1.60 MPa。

图6 拆除支架施工阶段的应力与位移

4 空间实体有限元分析

针对拆除支架施工阶段利用ANSYS18.0建立空间实体有限元模型，混凝土单元采用Solid187单元模拟，预应力钢束采用Link180单元模拟。

由图7可以看出：斜腿出现较大的水平变形，最大值约为1.10 mm，这与梁单元分析中0.98 mm的水平变形结果较为接近；主梁的最大竖向位移出现在跨中截面的顶板边缘，约2.67 mm，跨中截面底板的中间位置也有2.16 mm的竖向位移，这与梁单元分析中1.81 mm的竖向变形结果较为接近；主梁跨中顶板受压底板受拉，最大压应力值约2.60 MPa，最大拉应力值约1.57 MPa，这与梁单元分析中上缘的最大压应力为2.40 MPa和下缘的最大拉应力为1.38 MPa较为接近；V形墩0#块的主拉应力主要出现在主梁跨中附近的底板，约1.55 MPa，与梁单元分析较为接近，在主梁底板与横隔板的倒直角位置存在1.81 MPa的较高主应力；与梁单元分析较为相似的是在斜腿底部截面的上缘、顶部截面附近的下缘同样具有较大拉应力，斜腿底部截面附近上缘的主拉应力约0.58 MPa，顶部截面附近下缘的主拉应力约0.66 MPa，比梁单元分析结果小。由于梁单元分析建模较为粗糙，无法精确模拟真实结构交汇区域的倒圆角，斜腿在交汇区域的分析可能精确度不高。

图7 位移与应力分析结果

5 结语

（1）浇筑主梁以前，斜腿的水平位移较小，浇筑主梁之后，由于主梁自重和拆除支架失去支承，斜腿的水平位移逐渐增大。同时可以看出，斜腿的竖向位移大于水平位移；拆除支架之后，斜腿的水平位移和主梁的竖向位移达到最大值，主梁最终的结构位移大部分来源于浇注主梁混凝土时支架的压缩变形，实际主梁的结构变形较小；拆除支架之后，斜腿底部截面的上缘、顶部截面的下缘以及主梁跨中截面的下缘出现较大拉应力，施工过程中需要加强监控量测。

（2）V形墩0#块的整个施工阶段没有出现超过混凝土抗拉强度的拉应力，保证施工质量的前提下出现结构开裂的风险不大；V形墩0#块的梁单元模型无法模拟实际结构的细部结构，在某些区域的应力分析结果可能精确度不高。