象山大橋V 型墩三角區域局部變形受力特性研究

張博宇

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 懷柔 101400）

0 引言

橋梁V 構區域為鋼筋混凝土結構，由于區域結構受力復雜，施工及運營過程會產生拉應力，存在開裂風險，是受力的關鍵部位。V 構與主梁組成的三角剛構為超靜定結構，施工階段自重及拱肋傳來的軸力、彎矩和剪力作用，使得三角剛構應力流的走向以及拉、壓應力的分布十分復雜。如果這些部位處理不當，極易產生裂縫，會給橋梁的結構安全與耐久性帶來隱患，目前對此類型V 構的受力研究并不多，桿系計算模型難以得到V 構的實際受力狀態，有必要專門對該部位進行詳細分析，進行相應部位的試驗研究和有限元分析，以得到結構的實際受力行為。

1 工程背景

象山大橋位于江西省鷹潭市余信貴大道K4+644～K5+084 段，全長為1168m，主橋為80+160+80m 鋼箱桁架拱加勁預應力混凝土V 構組合橋。其中P12 橋墩為V 型墩，高23.5m，斜腿高16.5m，墩座高7.0m；V 型墩斜腿厚2.5m，采用C50 鋼筋混凝土；V 型墩墩座采用C40 鋼筋混凝土，長×寬=12.428m×6.2m。V 型墩結構尺寸如圖1 所示。

圖1 象山大橋V 型墩結構尺寸

2 理論模型建立

為研究象山大橋V 型墩的受力特性，借助有限元分析軟件Midas 建立全橋結構模型，通過在模型中提取施工階段和成橋階段最不利荷載組合作用下主梁兩端和拱腳處的變形,作為邊界條件施加于Abaqus 局部模型對應位置，進行模擬荷載，其中施工階段選取CS9（邊跨合龍）時，成橋階段選取荷載組合I。墩座底部采用固結邊界。墩座混凝土強度等級為C40，墩身混凝土強度等級為C50，主梁混凝土強度等級為C60。根據相關規范，材料特性如表1 所示[1-2]。

表1 有限元模型材料特性

采用通用有限元軟件ABAQUS 建立P12 墩三角區域計算模型。混凝土單元模擬采用細化網格線性六面體單元C3D8R，有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

模型中將混凝土墩身、墩座以及主梁“合并”為整體，建立參考點與主梁端部截面以及拱腳處截面進行“耦合”，將前文中確定的邊界條件施加于參考點上。

3 成橋階段最不利工況V 型墩變形與受力分析

3.1 變形分析

成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩的變形如圖3所示。由圖3 可見，整個模型主要繞墩底逆時針轉動，主梁變形大致較為平均，從與墩頂交界處至梁側端部截面變形逐漸變大，最大變形處為主梁靠主橋側端部，達到22.54mm。V 型墩斜腿由墩頂至墩座處變形逐漸減小，墩頂變形為16.90mm。墩座各處變形均勻且較小，最大變形僅為3.76mm。

圖3 P12 墩變形云圖

3.2 應力分析

（1）墩座及拱座應力分析。提取成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩的主拉應力和主壓應力云圖分別如圖4 和圖5 所示。其中，主梁為C60 混凝土，容許最大拉應力為1.96MPa，容許最大壓應力為26.5MPa；墩身為C50 混凝土，容許最大拉應力為1.83MPa，容許最大壓應力為22.4MPa；墩座為C40 混凝土，容許最大拉應力為1.65MPa，容許最大壓應力為18.4MPa。為便于分析，將應力云圖中超出容許最大拉應力的部分用灰色顯示，超出容許最大壓應力的部分用黑色顯示。后文工況中應力分析均采用該種顯示方法。

圖4 P12 墩主拉應力云圖

圖5 P12墩主壓應力云圖

由圖5 可見，在成橋階段最不利荷載作用下，主梁應力水平較低，各部分應力均在容許范圍內。拱座均存在小部分區域最大主拉應力達到2.11MPa，超出容許拉應力1.96MPa，存在開裂風險。主梁靠引橋一側拉應力較高，最大拉應力為1.51MPa，在容許范圍內。主梁主壓應力較小，各部分均在容許范圍內。

（2）斜腿應力分析。在成橋階段最不利荷載作用下，引橋側斜腿處主要受拉（圖6），主橋側斜腿主要受壓（圖7）。

圖6 斜腿主拉應力云圖

圖7 斜腿主壓應力云圖

引橋側斜腿由外至內拉應力逐漸減小，最大主拉應力出現在引橋側斜腿外側，達到1.73MPa，低于容許拉應力1.83MPa，滿足要求。主橋側斜腿主壓應力分布均勻且水平較低，最大主壓應力出現在墩頂，為-6.22MPa，在容許范圍內。

（3）墩座應力分析。在成橋階段最不利荷載作用下，墩座主拉應力從引橋側至主橋側逐漸增加，底部靠主橋一側大范圍最大主拉應力達到2.33MPa，超出容許拉應力1.65MPa，存在開裂風險，見圖8。墩座主壓應力從頂部至引橋側底部逐漸降低，最大壓應力為-16.71MPa，在容許范圍內，見圖9。

圖8 墩身主拉應力云圖

圖9 墩身主壓應力云圖

3.3 主應力跡線分析

主應力跡線圖中，以矢量表示主應力，矢量長短表示主應力大小，矢量方向表示主應力方向，成橋階段最不利荷載作用下，P12 墩第一主應力（紅色）、第二主應力（藍色）和第三主應力（黑色）跡線如圖10、圖11 所示。

圖10 主梁主應力跡線圖

圖11 橋墩主應力跡線圖

由圖10 可見，主梁拱腳處壓應力跡線矢量較大且密集，說明該部分承受較大的壓應力；主梁頂部翼緣應力跡線為紅色，說明該部分主要受拉，但拉應力很小。主梁主橋側端部主壓應力跡線密集，但矢量較短。引橋側斜腿應力跡線主要為紅色，說明該部分斜腿主要受拉。主橋側斜腿應力跡線主要為黑色，說明該部分斜腿主要受壓。由圖11 可知，引橋側墩座底部存在較大的壓應力。

4 結束語

本文基于有限元理論，結合結構力學與橋梁動力學理論，系統研究了最不利工況下，V 型墩橋梁結構的受力特性，最后得到如下結論：

（1）該V 型墩主梁變形從墩頂交界處至梁側端部截面變形開始變大，在主梁靠主橋側端部最大為22.54mm；墩頂至墩座處的變形逐漸減小，在墩頂變形為16.90mm；墩座各處變形均勻且較小，最大變形僅為3.76mm。

（2）該V 型墩結構，在成橋階段最不利荷載作用下，梁體結構、V 型墩及墩座的應力均在容許范圍內。

（3）從應力跡線矢量關系可發現：主梁拱腳和引橋側墩座底部處承受較大的壓應力。

該研究成果可為類似工程提供理論分析依據和建設經驗。