鉸支V型橋墩局部受力分析

2021-09-15 10:09:39劉家宏謝尚英鄭愛華

四川建筑 2021年4期

劉家宏謝尚英鄭愛華

【摘要】

V型橋墩作為一種外形優美、輕盈的結構被廣泛運用于城市及景觀要求較高的橋梁中。通過V型墩頂部與梁體固結，能顯著增加梁體支點附近剛度并減小梁體跨徑，達到降低負彎矩并使結構撓度減少的目的。特別的對于環形的一聯橋而言，更多的約束隨之而來的是結構對溫度和沉降的敏感，需考慮在V型墩底增加鉸支座以釋放一定約束。文章對此鉸支V型墩結構進行局部受力分析，找出應力集中區域，保證橋梁結構安全。

【關鍵詞】V型墩; 應力集中; 局部受力; 接觸分析

【中國分類號】U443.22【文獻標志碼】A

V型墩通常運用于大跨連續剛構橋中，通過傾斜線型的墩柱一方面可以減少主梁的跨度達到削減負彎矩的效果，另一方面可以降低主梁尺寸同時配合V型墩營造出一種輕盈線條般的美感。該工程位于成都市中心的一座半徑為48 m環形首尾閉合橋寬6～10 m的人行橋，結構受力和外形景觀上的高要求，V型墩無疑是不二之選。對于此類首尾相接的一聯橋，如果再采用傳統的V型墩，在溫度荷載下梁體的次應力將比恒載下的應力更大，對此必須對V型墩底進行橫橋向轉角或位移的釋放。本次工程中采用了對墩底定制的柱形鉸支座，該結構在實際工程中鮮有使用，同時V型墩斜腿與主梁固結處與斜腿和豎向墩柱連接處由于截面突變與受力復雜易出現應力集中，因此對該局部進行受力分析，確定結構的受力狀態，對保證結構安全尤為重要[5]。

1 工程概況

該橋梁工程，平面整體呈R=48 m（主環中心線）圓形布置，跨徑為75.024（跨交子大道東）+78.183（跨益州大道北）+58.821（跨交子大道西）+89.565（跨益州大道南）=96π=301.583 m。全橋共計一聯首尾閉合，采用V型斜腿剛構鋼橋，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

上部結構主梁采用10 m寬鋼箱梁，內側懸臂1.5 m，外側懸臂4 m，梁高2.5 m，V腿段鋼箱梁采用28 mm厚頂底板，28 mm厚腹板，橫隔板厚24 mm;跨中段采用16 mm厚頂底板，16 mm厚腹板，12 mm厚橫隔板;中間設4 m長板厚過渡段，24 mm厚頂底板，20 mm厚腹板，20 mm厚橫隔板。

V腿采用矩形截面，頂部4.5 m×2 m（正截面），底部3 m×2 m（正截面），線型過渡，頂底板厚28 mm，腹板厚28 mm，橫隔板厚24 mm。V腿合并處截面為3.5×3 m，合并處板厚為50 mm。

全橋材料為Q355C，橋梁立面及跨中隔板處的斷面如圖1所示[1-4]。

2 有限元建模

2.1 整體有限元模型

本橋整體模型計算采用MIDAS CIVIL軟件，采取空間梁單元模擬。全橋共計216個節點，603個單元。結構分析按空間桿系單元模擬、橋面采用板單元模擬，橋面鋪裝、護欄、裝飾架等附屬結構均不考慮鋪裝結構參與受力，僅作為外荷載考慮。整體模型施加的主要荷載有自重、二期恒載、活載、溫度荷載和不均勻沉降。局部模型中施加的內力采用整體模型中V型墩一側斜腿底部最大應力下的基本組合工況：

1.05×整體升溫+1.05×正溫度梯度+1.4×最不利移動荷載+1.2×恒載

在該工況下全橋組合應力如圖2所示。

2.2 局部有限元模型

該局部模型取V型墩及兩邊各20 m長的主梁作為局部研究對象[6]。局部靜力計算模型采用ANSYS19.0，網格采用人工控制單元尺寸的自由劃分方式。邊界條件采用支座底面全約束，墩底與上支座板固結，上下支座板采用接觸面連接，通過側面支撐板的面外變形來適應支座的轉動，梁體兩端通過提取MIDAS整體模型內力施加，三角區域鋼箱梁、斜腿、豎向墩柱均采用板單元模擬，定制支座采用實體單元模擬，加載節點采用質量單元模擬。鋼材采用Q355c，板單元為SHELL181，實體單元為SOLID186，質量單元采用MASS21，接觸單元對采用TARGET170、CONTACT174，支座采用非線性本構關系BKIN雙折線模型。

局部模型施加整體模型中相應的荷載，橋面2.5 kPa的鋪裝，橋面右半側5 kPa人群，內側13.5 kN·m欄桿及裝飾架，外側3.5 kN·m欄桿荷載，整體升溫40 ℃。兩端梁體施加的內力見表1。

3 計算分析

3.1 V型墩及梁體計算分析

在圖3的Von mises應力云圖中可見，V墩和梁體均未出現超過材料設計強度的應力分布區域，其中斜腿底部應力較大的部分為160 MPa左右，隨后應力較為均勻的擴散至四周板件，應力迅速降至50 MPa附近。由于該工況下右側梁體受荷較大，梁體頂板大部分均在160 MPa上，梁墩連接處將出現280 MPa的集中力，由于V型墩斜腿下側板件為最短傳力路徑，梁上的應力主要通過斜腿下側的板件進行傳遞。

V型墩的第一主拉應力和第三主壓應力云圖如圖4所示，較大的主拉應力主要出現在右側梁體頂板與豎向墩柱內側板件上，均在80～100 MPa之間。在斜腿底部頂板轉折處與梁墩連接處將出現較大集中主拉應力，在實際設計中通過加入圓弧的板件連接能有效避免該處的較大集中應力。主壓應力除右側V墩底部與梁墩連接處將出現110 MPa左右的主壓應力外其余均在50 MPa以下。墩梁連接處會有170 MPa的主壓應力局部集中區域。

3.2 墩底較支座計算分析

如圖5鉸支座Von mises應力云圖所示，由于不光承受梁體的各種荷載還需要承載整個V型墩的自重，因此支座構件的應力普遍在100～200 MPa之間，支座構件長期在此高應力范圍內工作，并未超過材料強度設計值，但考慮維修及更換的不便，應作為半永久支座使用，需要考慮對防水防塵的高標準設計要求，故在結構上設計為上凸式鉸支。在該工況下整個V型墩有向右傾覆的趨勢。在圖6支座接觸間隙上可見整個接觸面也是向右傾覆的狀態，雖大部分處于近接觸狀態，但并未脫空，整個上、下支座板并未出現間隙，能有效保證縱橋向抗傾覆的安全性要求[7-10]。

4 結論

（1）在鉸支V型墩局部模型中，墩底的Von mises應力在160 MPa以下并且在墩底不會出現應力集中區域。相比墩底，墩粱固結段更有可能出現較大的應力與應力集中區域。

（2）由于墩底支座尺寸較大，縱然在有很大縱橋向傾覆的趨勢下，上下支座板仍密切貼合不會出現空隙。能夠保證縱橋向不會發生傾覆。

（3）針對首尾閉合的環形橋梁，在V型墩底設置較支座釋放橫橋向轉動能顯著減少梁體次應力，并且可以同時利用V型墩受力及景觀上的優勢。

（4）設置在墩底的支座所承受的支反力將遠大于在梁體設置的支座，并且墩底支座常年埋在地下。在墩底設置支座后必須要考慮到更換的不便以及防水防塵的嚴密防護。

（5）鉸結構設計合理的，同時滿足其使用性能要求，在環形結構橋梁的V型墩底上應用鉸支座尚屬首次，這是我國橋梁建設中具有創新意義的典型設計個案。

參考文獻

[1] JTG D60-2015 公路橋涵設計通用規范[S].

[2] JTGD 64-2015 公路鋼結構橋梁設計規范[S].

[3] GB 50017-2017 鋼結構設計規范[S].

[4] CJJ 69-95 城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[5] 徐治芹.大跨徑V型墩連續剛構橋局部受力分析[J].公路交通科技：應用技術版，2015，11（11）：177-178+192.