V形刚构桥墩-梁固结局部分析

张树清

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥 230088)

预应力混凝土连续刚构，跨径适应能力强，适用于30～300 m跨径，具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好等优点，更突出的是其在使用时，主梁变形挠曲线平缓、桥面伸缩缝少、行车舒适，施工方法成熟，造价相对较低。连续刚构桥与同等跨径连续梁桥比，内力较小，不需要支座，一般仅适用于大跨高墩情况。连续刚构桥桥墩分担部分梁体弯矩，桥墩为压弯构件，受桥墩刚度约束，温度、收缩徐变产生的附加内力比连续梁桥大，随着墩高增大(抗推刚度减小)，协调变形能力增强，附加内力随之减小，一般仅适用于墩高大于20 m梁桥。

1 工程概况

某桥主桥上部结构采用80 m+140 m+80 m预应力混凝土连续刚构，箱梁采用C55混凝土。桥梁双幅设置，单幅桥面宽度13.0 m，采用单箱单室大悬臂变截面混凝土连续箱梁。箱梁顶板宽度12.5 m，底板宽度7.0 m，悬臂长度2.75 m。合龙段及边跨端部9.0 m现浇段梁高3.5 m，梁高变化采用2.0次抛物线。V形支撑斜腿与主梁固结处梁高7.0 m，V形支撑上部跨中梁高6.0 m，托顶梁高度变化采用1.6次抛物线。跨中箱梁底板厚度为32 cm，墩梁固结处底板厚90 cm，在梁高变化段内，底板厚度变化采用2.0次抛物线；顶板厚度不变，为28 cm，箱梁腹板厚采用分段等厚规律变化，0号～7号块腹板厚80 cm，9号～12号块腹板厚65 cm，14号～17号块及合龙段、边跨现浇段腹板厚50 cm。箱梁横坡由腹板高度调整，底板保持水平，顶板横向设置2.0%的横坡。

主墩采用V形实体墩，V墩两斜肢截面为钢骨混凝土(SRC)结构，两斜肢与竖直线的夹角为350°，斜肢横桥向宽度与箱梁底板宽度相同为7.0 m，撑体厚度为1.6 m，设置10 cm倒角。V撑与主梁梁底交接处采用圆弧过渡；同时为了避免刚度产生较大的突变，V形墩与承台固结处设置实体段，宽度5.0 m；与承台交接处V墩设置1 m×1 m的倒角。图1为连续刚构桥总体布置图。

图1 连续刚构桥总体布置图(单位：高程，m；尺寸，m)

2 计算模型

2.1 计算参数

箱梁混凝土采用C55混凝土，弹性模量Ec=3.55×104MPa,泊松比νc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01 ℃-1，轴心抗压强度标准值fck=35.5 MPa，抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=24.4 MPa，抗拉强度设计ftd=1.89 MPa[1]。

2.2 有限元模型

主墩为钢筋混凝土构件，墩高较矮，V形墩抗推刚度大，桥墩承受较大弯曲内力，为考察V形墩安全性，须对其进行局部分析计算。V形墩墩-梁固结区的构造和应力分布都较为复杂，根据全桥整体计算分析结果，选取整体计算最不利受力工况进行局部分析计算。采用通用有限元软件ANSYS建立墩-梁固结区的空间仿真计算模型。根据圣维南原理，墩-梁固结区的应力分布只与其附近区域的受力状态有关，截取墩-梁固结区域一段模型进行分析计算。考虑计算机性能及结构关于桥梁中心线对称，为降低计算规模，选取1/2模型进行分析计算。空间分析见图2。

图2 1/2“V”形墩空间分析模型

在尽量考虑模型边界条件与实际结构近似的同时，对无法准确模拟的边界条件按偏于安全处理。根据全桥整体计算情况，提取有限元模型的位移边界条件和力的边界条件，然后将其施加在局部分析有限元模型上[2]。局部分析的目的是研究该区域的应力分布情况，在局部分析模型的梁端施加力的边界条件，在对称面上施加对称约束，在桥墩底面约束所有自由度。

3 荷载工况

3.1 计算工况

因桥梁规模较大，施工过程复杂，施工工况很多，针对每个施工工况都进行墩-梁固结局部分析，耗时耗力。在局部分析中结合整体计算的工况结果，选取对结构最不利工况进行分析，计算出最不利加载工况下桥梁结构响应，读取此工况梁端截面内力，以此内力作为实体模型荷载边界条件[3]。从主桥整个施工过程及运营阶段荷载组合中选取最不利荷载工况，如表1所示。共考虑3种荷载工况:工况一，最大双悬臂状态，即边中跨均未合龙；工况二，成桥状态(弯矩最大)，即桥梁合龙后施加桥面二期荷载；工况三，正常使用极限状态标准组合(弯矩最大)。

表1 各工况下梁端荷载

3.2 荷载施加

4 结果分析

按工况对结构进行加载，分步计算得到其在所选取最不利工况下应力分布，如图3～图5所示。应力云图中规定拉应力为正值，压应力为负值；坐标规定X轴为顺桥向，Y轴为竖桥向，Z轴为横桥向[5]。

图3 工况一V形墩墩-梁固结区应力及变形云图(单位：应力，MPa；变形，mm)

图4 工况二V形墩墩-梁固结区应力及变形云图(单位：应力，MPa；变形，mm)

图5 工况三V形墩墩-梁固结区应力及变形云图(单位：应力，MPa；变形，mm)

从图3～图5应力及变形云图可以看出：

工况一，桥梁施工到最大双悬臂状态，边中跨均未合龙时，V形桥墩承受竖向压力为主。墩-梁固结处顺桥向应力在-15.877～0.639 MPa之间，竖桥向应力在-7.572～2.039 MPa之间。箱梁顶板受压，压应力在-14.042～-3.031 MPa之间，箱梁底板受压，压应力在-8.537～-4.866 MPa之间，V形墩箱梁跨中断面正应力在-12.76～-7.257 MPa之间,V形墩结构局部最大变形11.63 mm,箱梁横梁和顶板倒角处出现拉应力，拉应力在0～2.039 MPa之间，局部最大2.039 MPa，小于规范C55混凝土的抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa；桥墩受压，压应力在-6.504～-1.165 MPa之间。

工况二，桥梁施工到边中跨合龙，施工桥面铺装、护栏及附属设施完成时，V形桥墩承受竖向压力为主。墩-梁固结处顺桥向应力在-15.614～0.628 MPa之间，竖桥向应力在-4.448～1.944 MPa之间。箱梁顶板受压，压应力在-13.81～-2.981 MPa之间，箱梁底板受压，压应力在-8.395～-4.786 MPa之间，V形墩箱梁跨中断面正应力在-12.787～-6.931 MPa之间,V形墩结构局部最大变形8.531 mm,箱梁横梁和顶板倒角处出现拉应力，拉应力在0～1.944 MPa，局部最大1.944 MPa，小于规范C55混凝土的抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa；桥墩受压，压应力在-4.448～-2.317 MPa之间。

工况三，桥梁施工完成通车正常使用，V形桥墩承受竖向压力为主。墩-梁固结处顺桥向应力在-14.461～0.579MPa之间，竖桥向应力在-4.718～1.787 MPa之间。箱梁顶板受压，压应力在-12.79～-2.763 MPa之间，箱梁底板受压，压应力在-7.776～-4.434 MPa之间，V形墩箱梁跨中断面正应力在-12.003～-6.032 MPa之间,V形墩结构局部最大变形8.032 mm,箱梁横梁和顶板倒角处出现拉应力，拉应力在0～1.787 MPa之间，局部最大1.787 MPa，小于规范C55混凝土的抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa；桥墩受压，压应力在-4.718～-1.827 MPa之间。综上所述，在最不利工况下，墩-梁固结区域最大主拉应力2.039 MPa，小于规范中C55混凝土抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa；最大主压应力-15.877 MPa小于规范中C55混凝土轴心抗压强度标准值fck=35.5 MPa。

通过墩-梁固结区域计算分析，该区域局部应力均小于混凝土抗拉和抗压强度允许值。

5 结语

采用ANSYS 对V型刚构桥墩-梁固结段建立了比较精细的有限元模型，施加荷载、位移约束等边界条件后，进行计算分析，提取计算结果绘出该区域应力及变形云图，三维有限元空间分析结果直观反映出该构件应力分布情况。

计算结果显示该结构在多种不利工况作用下，结构应力、变形均满足规范要求，受力表现良好，设计合理；局部区域拉应力稍大，建议在满足施工的条件下，在拉应力比较大的箱梁横梁与箱梁顶板交接倒角处，增加钢筋网片布置，使应力均匀扩散。