V形剛構(gòu)拱橋V構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算分析

柳 鳴

1 概述

剛構(gòu)與拱組合橋梁體系是一種剛構(gòu)與拱圈剛性連接，共同承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)體系。這種橋梁利用剛構(gòu)跨的強(qiáng)大剛度為與其剛性連接的拱圈提供延伸支撐，相對(duì)減小主拱跨度，以利于實(shí)現(xiàn)橋梁跨度的增加。V形剛構(gòu)拱橋的V形結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力均較復(fù)雜，是設(shè)計(jì)的重要部位，它的可靠與否直接關(guān)系著全橋的安全和可靠。本文以城際快速軌道交通工程小欖水道特大橋?yàn)楸尘埃么笮陀邢拊浖嗀NSYS建立V構(gòu)實(shí)體有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算分析。小欖水道特大橋設(shè)計(jì)方案為:100 m+220 m+100 m三跨V形連續(xù)剛構(gòu)組合拱橋(簡(jiǎn)稱V形剛構(gòu)拱橋)，全橋長(zhǎng)420 m，橋面寬 11.6 m，雙向列車。V構(gòu)外側(cè)斜撐水平傾角36.10°，內(nèi)側(cè)水平傾角 46.40°。

2 有限元模型的建立

計(jì)算模型采用ANSYS命令流的方式建立。由于主梁統(tǒng)一的截面形式，可用其截面上的控制點(diǎn)來描述，生成實(shí)心的梁段。對(duì)于箱梁的空心部分則同樣建立實(shí)心的實(shí)體，利用ANSYS提供的布爾運(yùn)算命令，將實(shí)體相減生成箱梁。將這些控制點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)，模型混凝土主梁采用Solid45單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋用Link8桿單元模擬。V構(gòu)與預(yù)應(yīng)力鋼筋采用分別建模的分離式模型模擬，并通過耦合的方式使之位移協(xié)調(diào)。模型中，共計(jì)40 144個(gè)塊體單元，2 539個(gè)線單元，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為25 135。結(jié)構(gòu)模型見圖1。

3 邊界和荷載施加

4 施工階段V構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力分析

4.1 最大單懸臂狀態(tài)V構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力分析

運(yùn)用MIDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計(jì)算出最大單懸臂狀態(tài)下主梁的受力情況，將結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)化加到ANSYS模型主梁兩端。通過計(jì)算分析，得到最大單懸臂狀態(tài)下V構(gòu)的最大、最小主應(yīng)力如圖2，圖 3所示。

從圖2，圖3可知，V構(gòu)應(yīng)力值主要是在-10.30 MPa～4.84 MPa范圍內(nèi)，V構(gòu)左腿與承臺(tái)相交處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主拉應(yīng)力過渡很快，局部應(yīng)力由4.84 MPa沿左腿內(nèi)側(cè)向上很快過渡到1.13 MPa。右腿外側(cè)與承臺(tái)相交處有2.71 MPa，與梁段連接處有1.84 MPa左右的拉應(yīng)力，V構(gòu)左右腿其他的應(yīng)力小于1.13 MPa。

在最大單懸臂狀態(tài)下，最大主壓應(yīng)力-10.3 MPa出現(xiàn)在V構(gòu)右腿與主梁結(jié)合處內(nèi)側(cè)，V構(gòu)與梁相交處，因?yàn)椴捎玫箞A角的構(gòu)造，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，主壓應(yīng)力為-10.3 MPa～5.4 MPa范圍。

4.2 架設(shè)拱圈狀態(tài)V構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力分析

同樣運(yùn)用M IDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計(jì)算出架設(shè)拱圈時(shí)主梁和拱座的受力情況，將結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)化加到ANSYS模型主梁兩端和拱橋處。通過計(jì)算分析，得到架設(shè)拱圈時(shí)V構(gòu)的最大、最小主應(yīng)力如圖 4，圖5所示。

從圖 4，圖5可知，V構(gòu)左腿與承臺(tái)相交處，此處應(yīng)力集中明顯。V構(gòu)左腿內(nèi)側(cè)在架設(shè)拱圈時(shí)V構(gòu)應(yīng)力值在-10.30 MPa～5.72 MPa范圍內(nèi)。V構(gòu)左腿與承臺(tái)結(jié)合處內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力5.72 MPa。V構(gòu)右腿與底部外側(cè)有局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。右腿與主梁右側(cè)結(jié)合處有1.77 MPa左右的拉應(yīng)力。同時(shí)在左腿與主梁結(jié)合處外側(cè)有比較明顯的拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力在1.47 MPa～2.29 MPa范圍內(nèi)變化。

在梁上架設(shè)拱圈時(shí)，最大主壓應(yīng)力為-10.59 MPa，出現(xiàn)在V構(gòu)右腿與主梁結(jié)合處內(nèi)側(cè)。V構(gòu)右腿與承臺(tái)結(jié)合處的角點(diǎn)處出現(xiàn)了1.08 MPa的拉應(yīng)力，結(jié)合處有比較明顯的壓應(yīng)力集中。

5 成橋狀態(tài)V構(gòu)詳細(xì)應(yīng)力分析

運(yùn)用MIDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計(jì)算出架設(shè)拱圈時(shí)主梁和拱座的受力情況，將結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)化加到ANSYS模型主梁兩端和拱橋處同時(shí)在橋面通過施加面力來模擬二期恒載。通過計(jì)算分析，得到架設(shè)拱圈時(shí)V構(gòu)的最大、最小主應(yīng)力。

V構(gòu)左腿與承臺(tái)相交處，應(yīng)力集中明顯。V構(gòu)左腿內(nèi)側(cè)在成橋狀態(tài)時(shí)V構(gòu)應(yīng)力值在-10.11 MPa～3.93 MPa范圍內(nèi)，V構(gòu)左腿與承臺(tái)結(jié)合處內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力3.93 MPa。V構(gòu)右腿與底部?jī)?nèi)、外側(cè)均有局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。右腿與主梁右側(cè)結(jié)合處有3.71 MPa左右的拉應(yīng)力，同時(shí)在左腿與主梁結(jié)合處內(nèi)側(cè)有比較明顯的拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力在0.74 MPa～3.71 MPa范圍內(nèi)變化。

在成橋時(shí)，最大主壓應(yīng)力為-10.11 MPa，出現(xiàn)在V構(gòu)右腿與主梁結(jié)合處內(nèi)側(cè)。V構(gòu)右腿與承臺(tái)結(jié)合處的角點(diǎn)處出現(xiàn)了1.08 MPa的拉應(yīng)力，結(jié)合處也有比較明顯的壓應(yīng)力集中。

6 結(jié)語

1)在最大雙懸臂狀態(tài)，V構(gòu)的應(yīng)力值為-10.30 MPa～4.84 MPa范圍，V構(gòu)左腿與承臺(tái)結(jié)合處主拉應(yīng)力過渡較快，有較明顯的應(yīng)力集中。2)在架設(shè)拱圈狀態(tài)，V構(gòu)右腿與底部外側(cè)有局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)在左腿與主梁結(jié)合處外側(cè)有比較明顯的拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力在1.47 MPa～2.29 MPa范圍內(nèi)變化。在架設(shè)拱圈狀態(tài)V構(gòu)的局部最大拉應(yīng)力值為5.62 MPa。3)成橋狀態(tài)，V構(gòu)左腿與承臺(tái)相交處，應(yīng)力集中明顯。V構(gòu)右腿與底部?jī)?nèi)、外側(cè)均有局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。成橋時(shí)V構(gòu)的應(yīng)力值范圍為-10.11 MPa～3.93 MPa，V構(gòu)右腿與承臺(tái)結(jié)合處也有比較明顯的壓應(yīng)力集中。4)在三種施工工況下，V構(gòu)左腿與承臺(tái)結(jié)合處內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力較大，有較明顯的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在施工過程中V構(gòu)左腿與承臺(tái)結(jié)合處出現(xiàn)了5.62 MPa的拉應(yīng)力，在此處可以適當(dāng)加密鋼筋，結(jié)合處采用倒角連接，以減少應(yīng)力集中。5)在三種施工工況下，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在 V構(gòu)右腿與梁結(jié)合處內(nèi)側(cè)，最大值為-10.59 MPa，同時(shí)主壓應(yīng)力集中，沒有明顯的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。6)V構(gòu)與主梁、承臺(tái)結(jié)合處局部有較大拉應(yīng)力外，其他部分在三種施工階段都只有少許的拉應(yīng)力，而其壓應(yīng)力也很小，滿足要求。

[1] 宋富榮，吳士民.小欖特大橋V構(gòu)系梁節(jié)段支架法施工技術(shù)[J].山西建筑，2009，35(9):292-293.

[2] 鄭凱鋒.小欖水道V形剛構(gòu)和拱組合特大橋受力[Z].2000.

[3] 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院.特性分析與施工控制措施研究報(bào)告[R].2007.