單軌裝配式橋墩結構受力與變形分析

馬虎（重慶軌道交通（集團）有限公司，重慶　401120）

單軌裝配式橋墩結構受力與變形分析

馬虎
（重慶軌道交通（集團）有限公司，重慶401120）

對重慶市軌道交通單軌裝配式橋墩結構進行空間有限元仿真分析，研究橋墩整體結構在單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行等荷載下的應力分布與變形規律。計算結果表明單軌裝配式橋墩結構受力與變形滿足結構強度和功能要求，但在節段線附近存在局部應力集中現象，特別是墩頂與蓋梁、墩底與承臺節段線附近，因此在設計上應避免結構幾何形狀突變，局部加強構造鋼筋，防止節段線附近的混凝土開裂。

單軌裝配式橋墩；受力與變形；有限元模型；ANSYS

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.035

0　引言

重慶是山城，為丘陵地理特點，故選擇噪聲低、爬坡能力強、轉變半徑小的跨座式單軌交通系統。目前大部分橋墩采用現澆，工藝成熟，但是施工、模板、設備資金支付周期長，控制難度大，環境破壞嚴重。受輕軌施工臨時占道影響，多數道路行車道進行交通管制，導致嚴重的交通擁堵。而單軌裝配式橋墩施工工期短，占地面積小，標準化施工，能夠加快城市橋梁施工速度，緩解交通擁堵，確保交通安全暢通［1］。

1　單軌裝配式橋墩結構有限元模型［2］

對重慶市軌道交通下部結構（圖1）進行空間受力分析，確定橋墩整體結構在單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行等荷載下的應力分布，對結構強度進行驗算。

圖1　單軌裝配式橋墩結構

圖2　有限元模型

圖3　So l i d65單元的實常數分布

利用大型商業有限元結構分析軟件ANSYS12.0［3］對結構進行彈性、靜力計算，有限元模型如圖2，共劃分節點25128個，單元59034個。混凝土強度等級C40，鋼筋混凝土采用Solid65單元，根據配筋率的不同，將鋼筋混凝土單元劃分為對應8種不同的實常數類型（表1），不同實常數單元的分布見圖3。預應力鋼絞線采用Link8單元，截面積A=3992.1mm2，采用降溫法對鋼絞線施加預應力，張拉控制應力為1395MPa，取熱膨脹系數α=1.2×10-5，那么

表1　Solid 65單元的實常數（鋼筋體積率）

由于節段間膠拼材料的力學性能不低于混凝土，因此假定節段之間位移連續，節段線上下100mm范圍內混凝土無配筋，單元實常數取Set5。基礎深度取1m，預應力束直接固定于底部。位移約束施加于基礎底部，三向約束均為0。由于有限元模型中荷載均施加于支座中心點，該處存在應力集中現象，真實荷載是以分布力的形式施加于支座和墊石上，因此對支座中心點的應力狀態不做分析。

有限元計算工況包括：單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行，表2列出了各種工況下的支座受力情況，根據規范計算時主力組合安全系數取2.0，主力+附加組合安全系數取1.6。

表2　各種工況下的支座受力情況（單位：k N）

2　單軌裝配式橋墩結構有限元計算結果

結構在自重、預應力鋼絞線張拉及工況2荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為5.61mm，圖4表示豎向應力σz的等值線分布，結構在豎直方向上整體受壓，多數壓應力為5～14MPa；在墩頂節段線附近由于存在幾何形狀突變，導致局部區域應力集中，角隅處壓應力達22MPa，超過混凝土強度設計值［4］，因此在設計上應避免墩頂節段線附近結構幾何形狀突變，局部加強構造鋼筋，防止混凝土開裂。

圖4　豎向應力σz

結構在自重、預應力鋼絞線張拉及工況6荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為8.38mm，圖5表示豎向應力σz的等值線分布，結構在豎直方向上整體受壓，多數壓應力為1～17MPa；在橋墩底部節段線附近由于存在幾何形狀突變，導致局部區域應力集中，角隅處壓應力達22MPa，超過混凝土強度設計值，因此在設計上應避免橋墩底部節段線附近結構幾何形狀突變，局部加強構造鋼筋，防止混凝土開裂。

結構在自重、預應力鋼絞線張拉及工況10荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為4.84mm，橋跨方向位移為2.71mm，橫向位移為4.07mm，均在規范限值內。圖6表示豎向應力σz的等值線分布，結構在豎直方向上整體受壓，多數壓應力為5～18MPa；在墩頂節段線附近由于存在幾何形狀突變，導致局部區域應力集中，角隅處壓應力達20MPa，超過混凝土強度設計值。圖7-圖9表示剪切應力τxy、τyz、τzx的等值線分布，在橋墩底部、頂部節段線附近存在應力集中現象。

圖5　豎向應力σz

圖6　豎向應力σz

圖7　剪切應力τxy

圖8　剪切應力τyz

圖9　剪切應力τz x

3　結論

通過大型商業有限元軟件ANSYS數值仿真研究，對重慶市軌道交通單軌裝配式橋墩結構進行了空間有限元仿真分析，結果表明：

（1）單軌裝配式橋墩結構受力與變形滿足結構強度與功能要求［5］，但在節段線附近發現不同程度的應力集中現象，特別是墩頂與蓋梁、墩底與承臺節段線附近，由于幾何形狀存在突變，導致局部存在應力集中，角隅處壓應力達20MPa，超過混凝土強度設計值。

（2）結構薄弱部位在墩頂與蓋梁、墩底與承臺節段結合面附近，為了推廣應用單軌裝配式橋墩施工工藝［6］，需要解決結構薄弱部位的局部應力集中問題，因此在設計上應避免墩頂與蓋梁、墩底與承臺節段線附近結構幾何形狀突變，局部加強構造鋼筋或布設防裂鋼筋網，有條件的話可采用高強混凝土或纖維混凝土，解決局部應力集中問題。

［1］王根芳.關于重慶市軌道交通規劃和近期重點建設項目的研考 ［J］.城市風：建設管理專刊，2003（3）：16-17.

［2］賴安靜.裝配式鋼筋混凝土橋墩的力學性能分析［D］.沈陽：沈陽工業大學，2012.

［3］張朝暉.ANSYS 11.0結構分析工程應用實例解析［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］中交公路規劃設計院.JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］交通部.JTGD60－2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］交通部.JTG/TF50－2011公路橋涵施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

責任編輯：孫蘇

Loading and Deformation Analysisof Monorail Fabricated Bridge Pier Structure

Themonorail fabricated bridgestructure in Chongqing rail transport isanalyzed through spatial FEM simulation to study the stress distribution and deformation ruleof thewholepier structure under different loadings.The resultsshow that the loading and deformation ofmonorail fabricated bridge structuremeet the requirements of structure strength and functions，butpartial stress centralizes at near sections，especially that of pier top，pier coping，pier bottom and cap，so geometric change should be avoided in design，and constructional reinforcement should be strengthened in parts to prevent the concrete cracking near sections.

monorail fabricated bridge pier；loading and deformation；finiteelementmodels；ANSYS

U 446

A

1671-9107（2015）10-0035-03

2015-06-04

馬虎（1979-），男，重慶人，碩士研究生，高級工程師，主要從事橋梁隧道、軌道交通和工程管理。