V形剛構梁拱組合橋最不利位置局部受力分析

李海濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

工程上用有限元法計算分析橋梁結構時，普遍采用幾何小變形、材料線彈性假定，將橋梁整體等效為梁結構或桿系結構。大量工程實踐表明，這種近似方法基本上可以滿足工程設計需要，國內外的橋梁分析設計軟件幾乎都是基于這種方法。對橋梁結構整體的承載能力分析，這種假定可以滿足工程需求，但這種假定與實際結構存在一定的差異，所以對橋梁局部的應力分布及局部強度的分析還有待完善。

V形剛構梁拱組合橋［1］主要構件包括主拱肋、吊桿梁、橋墩以及起連接作用的V形剛構。該橋梁結構以V形剛構受力為主，拱肋受力為輔，把V形連續剛構舒展的造型與拱橋流暢的造型以及推力平衡的力學優點結合起來，適用于軟弱地基，并且表現出良好的經濟指標。劉宇聞等［2］對小欖特大橋成橋階段的主要工況進行三維彈性計算，龔俊虎等［3］揭示V形剛構拱組合橋的梁拱組合效應，劉世忠等［4］用有限元法分析了墩身尺寸和邊界條件對V形剛構梁拱組合橋的影響，勾紅葉等［5，6］針對小欖特大橋進行了施工過程全過程仿真，蒯行成等［7］研究連續鋼構橋箱梁應力的橫向分布規律與全橋的溫度應力。

本文利用Abaqus軟件［8］對山西永安大橋進行成橋階段三維仿真分析，對六種工況下的局部應力分布進行了計算，得到各種工況下的最不利位置及應力水平，為設計與施工提供指導。

1 工程概況

永安大橋位于山西省孝義市境內，主橋上部結構為34 m+58 m+34 m的部分預應力混凝土梁拱組合橋。左右幅分離，每幅采用單箱雙室截面。單箱底寬8．0 m，翼緣懸臂長2．25 m，單箱橋面寬12．5 m。箱梁頂板設置單向1．5%橫坡，通過箱梁內外側腹板調節。跨中箱梁中心梁高1．6 m，頂板厚 0．25 m，懸臂板端部厚 0．2 m，根部厚0．5 m，腹板厚 0．4 m，底板厚 0．25 m，在中支點、邊支點處分別設置橫隔板。主橋橋面鋪裝層為11 cm厚瀝青混凝土加8 cm厚混凝土調平層。主橋主拱圈外部尺寸為(100～195)×800 cm，橋墩承臺厚度為200 cm，基礎采用8Φ160 cm摩擦樁。主橋上部結構施工采用滿堂支架一次澆筑完成。

2 有限元分析模型

2．1 有限元模型

永安大橋沿橋長方向和橋寬方向為對稱結構，利用其幾何拓撲關系建立整橋對稱模型，如圖1所示。主箱梁、拱肋、橫梁、V形斜腿、拱座、承臺等均采用三維實體單元模擬，將支座表面與牛腿設置為tie型接觸對，通過該方法對牛腿以及支座的相互作用進行模擬，橋墩承臺底部的樁基采用彈簧單元模擬，每個橋墩有8根樁基，每根樁基使用25根彈簧進行模擬，預應力筋及普通鋼筋采用桿單元模擬，由于對V形剛構及牛腿處局部應力分布比較關注，在建立有限元模型時，只對牛腿部位的普通鋼筋采取Truss單元直接進行模擬，對于其它部位鋼筋，通過等效方法將混凝土的彈性模量進行修正，來模擬普通鋼筋的作用。大橋有限元網格模型如圖2所示。

圖1 大橋有限元模型

圖2 大橋有限元網格模型

2．2 主要材料參數

汽車荷載采用公路-I級［9］，混凝土(C50)彈性模量取3．45×104MPa，考慮到施工中的誤差，計算中混凝土的密度取為2652 kg/m3，線膨脹系數為0．00001。在牛腿端部以外通過等效方法將混凝土的彈性模量進行修正，考慮到2．5%的配筋率，基于混凝土和鋼筋的變形協調，可以得到鋼筋混凝土的等效彈性模量為3．84×104MPa。預應力鋼筋［10］采用 Φs15．24鋼絞線，彈性模量取1．95 ×105MPa，張拉控制應力為1339 MPa。

2．3 荷載及計算工況

對全橋在六種工況下的局部應力分布進行計算，各種工況相同的載荷包括自重、二期恒載和人群載荷，不同的是汽車載荷及溫度變化。將工況與計算結果整理為表1，表中車輛均布載荷作用位置如圖示，黑色為均布載荷加載范圍，集中載荷只給出了加載的坐標位置。升溫表示模型溫度整體升高19℃，降溫表示模型溫度整體降低18℃，模型基礎溫度為15℃。

表1 各工況下荷載分布

3 有限元計算結果與分析

各種工況下最不利位置主應力云圖列于表2，工況一最不利位置位于下牛腿處，下牛腿局部最大拉應力達到6．92 MPa，最大壓應力達到27．9 MPa，拉應力偏大處出現于牛腿端面支座位置附近，壓應力偏大處為支座與下牛腿接觸部分和預應力筋鋪墊位置;工況二最不利位置位于靠近中跨側的V形斜腿與主梁相接的外隅處，最大壓應力9．58 MPa出現于腿梁鉸接外隅的根部，最大拉應力1．75 MPa出現于主梁根部橫隔板倒角位置;壓應力9．58 MPa出現于腿梁鉸接外隅的根部，最大拉應力1．75 MPa出現于主梁根部橫隔板倒角處;工況三最不利位置位于V型斜腿上方主梁與斜腿相交內隅處和拱座處，最大拉應力為1．46 MPa，最大壓應力為7．65 MPa，最大拉、壓應力均出現于內隅中部;工況四最不利位置位于斜腿隅主梁相接的內隅處(靠近斜腿側)和斜腿隅拱座相接處，最大拉應力為0．96 MPa，出現于右斜腿與拱座相接的內側，最大壓應力為10．25 MPa，出現于右斜腿與拱座相接的外側和左斜腿與拱座相接的內側;工況五最不利位置位于左斜腿與主梁相連的外隅處，最大壓應力出現于主梁與斜腿相連的上部底板處，最大拉應力出現于梁腿相連的主梁根部倒角處，最大拉應力為1．838 MPa，略微大于抗拉強度設計值1．83 MPa，小于抗拉強度標準值2．65 MPa;工況六最不利位置同工況五，最大壓應力出現于主梁與斜腿相接的上部底板處，最大拉應力主要出現于梁腿相接的主梁根部倒角處，最大拉應力為1．96 MPa，略大于抗拉強度設計值1．83 MPa，但是小于抗拉強度標準值2．65 MPa。

表2 各工況下最不利位置主應力應力云圖

4 結論

通過對該橋六種工況下(共計六種)的整橋三維仿真分析，可以得出，除牛腿接觸位置外，橋梁整體拉、壓應力水平均較低，各位置最危險工況及該工況下的應力水平歸納如下。

(1)由于支座及預應力筋的存在，牛腿處存在應力集中現象，最大拉應力達到6．92 MPa，最大壓應力達到27．9 MPa。牛腿處普通鋼筋在牛腿承載中起到了分散載荷的作用，特別是斜筋的卸載作用最明顯。保證牛腿處的混凝土級別和振搗質量，以及斜筋的焊接長度和焊接質量，適當加粗腹板處斜筋，將對牛腿處應力分布起到積極的作用。

(2)左斜腿與主梁相接的內、外隅最危險的工況為工況六，最大拉應力為1．96 MPa，最大壓應力為11．49 MPa。最大拉應力出現于主梁根部倒角處，最大壓應力出現于主梁靠近根部的底板處。

(3)右斜腿與主梁相接的內、外隅最危險的工況為工況二，最大拉應力為1．75 MPa，最大壓應力為9．58 MPa。拉應力主要出現于隅側中部、主梁根部倒角處，壓應力主要出現于主梁靠近根部的底板處。

(4)斜腿最危險工況為工況三，最大拉應力為0．59 MPa，拉應力主要出現于右斜腿靠近拱座的內側，左斜腿靠近拱座的外側和梁腿相接處的內隅處中部。最大壓應力為9．39 MPa，壓應力主要出現于右斜腿靠近拱座的外側和左斜腿靠近拱座的內側。

［1］ 范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］ 劉宇聞，傅少君，瞿國釗．V形剛構-拱組合橋靜力有限元分析［J］．公路交通科技，2010，27(10):66-71．

［3］ 龔俊虎，王華成，黃北平．V形剛構拱組合橋的梁拱組合效應分析［J］．鐵道工程學報，2010，6(17):61-65．

［4］ 劉世忠，任萬敏．V形連續剛構梁拱組合橋內力分析［J］．振動與沖擊，2009，28(2):56-60．

［5］ 勾紅葉，蒲黔輝，白光亮，等．大跨度V形剛構拱組合橋空間受力性能分析［J］．西南公路，2010，4(5):50-56．

［6］ 勾紅葉．大跨度預應力混凝土V形剛構拱組合橋受力行為研究［D］．西安:西南交通大學，2010．

［7］ 蒯行成，劉小靖，官 邑，等．連續剛構拱梁組合橋梁應力橫向分布與溫度應力分析［J］．公路工程，2008，5(9):40-47．

［8］ 劉 展．ABAQUS 6．6基礎教程與實例詳解［M］．北京:水利水電出版社，2008．

［9］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］．

［10］ JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］．