劉家宏 謝尚英 鄭愛華

【摘要】

V型橋墩作為一種外形優(yōu)美、輕盈的結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)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(jié)，能顯著增加梁體支點(diǎn)附近剛度并減小梁體跨徑，達(dá)到降低負(fù)彎矩并使結(jié)構(gòu)撓度減少的目的。特別的對(duì)于環(huán)形的一聯(lián)橋而言，更多的約束隨之而來(lái)的是結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)此鉸支V型墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力分析，找出應(yīng)力集中區(qū)域，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。

【關(guān)鍵詞】V型墩; 應(yīng)力集中; 局部受力; 接觸分析

【中國(guó)分類號(hào)】U443.22【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

V型墩通常運(yùn)用于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中，通過傾斜線型的墩柱一方面可以減少主梁的跨度達(dá)到削減負(fù)彎矩的效果，另一方面可以降低主梁尺寸同時(shí)配合V型墩營(yíng)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(huán)形首尾閉合橋?qū)?～10 m的人行橋，結(jié)構(gòu)受力和外形景觀上的高要求，V型墩無(wú)疑是不二之選。對(duì)于此類首尾相接的一聯(lián)橋，如果再采用傳統(tǒng)的V型墩，在溫度荷載下梁體的次應(yīng)力將比恒載下的應(yīng)力更大，對(duì)此必須對(duì)V型墩底進(jìn)行橫橋向轉(zhuǎn)角或位移的釋放。本次工程中采用了對(duì)墩底定制的柱形鉸支座，該結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中鮮有使用，同時(shí)V型墩斜腿與主梁固結(jié)處與斜腿和豎向墩柱連接處由于截面突變與受力復(fù)雜易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此對(duì)該局部進(jìn)行受力分析，確定結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)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(huán)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(jì)一聯(lián)首尾閉合，采用V型斜腿剛構(gòu)鋼橋，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

上部結(jié)構(gòu)主梁采用10 m寬鋼箱梁，內(nèi)側(cè)懸臂1.5 m，外側(cè)懸臂4 m，梁高2.5 m，V腿段鋼箱梁采用28 mm厚頂?shù)装澹?8 mm厚腹板，橫隔板厚24 mm;跨中段采用16 mm厚頂?shù)装澹?6 mm厚腹板，12 mm厚橫隔板;中間設(shè)4 m長(zhǎng)板厚過渡段，24 mm厚頂?shù)装澹?0 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?shù)装搴?8 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(jì)算采用MIDAS CIVIL軟件，采取空間梁?jiǎn)卧M。全橋共計(jì)216個(gè)節(jié)點(diǎn)，603個(gè)單元。結(jié)構(gòu)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(hù)欄、裝飾架等附屬結(jié)構(gòu)均不考慮鋪裝結(jié)構(gòu)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(nèi)力采用整體模型中V型墩一側(cè)斜腿底部最大應(yīng)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(dòng)荷載+1.2×恒載

在該工況下全橋組合應(yīng)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(zhǎng)的主梁作為局部研究對(duì)象[6]。局部靜力計(jì)算模型采用ANSYS19.0，網(wǎng)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(jié)，上下支座板采用接觸面連接，通過側(cè)面支撐板的面外變形來(lái)適應(yīng)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)，梁體兩端通過提取MIDAS整體模型內(nèi)力施加，三角區(qū)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(shí)體單元模擬，加載節(jié)點(diǎn)采用質(zhì)量單元模擬。鋼材采用Q355c，板單元為SHELL181，實(shí)體單元為SOLID186，質(zhì)量單元采用MASS21，接觸單元對(duì)采用TARGET170、CONTACT174，支座采用非線性本構(gòu)關(guān)系BKIN雙折線模型。

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

3 計(jì)算分析

3.1 V型墩及梁體計(jì)算分析

在圖3的Von mises應(yīng)力云圖中可見，V墩和梁體均未出現(xiàn)超過材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的應(yīng)力分布區(qū)域，其中斜腿底部應(yīng)力較大的部分為160 MPa左右，隨后應(yīng)力較為均勻的擴(kuò)散至四周板件，應(yīng)力迅速降至50 MPa附近。由于該工況下右側(cè)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(xiàn)280 MPa的集中力，由于V型墩斜腿下側(cè)板件為最短傳力路徑，梁上的應(yīng)力主要通過斜腿下側(cè)的板件進(jìn)行傳遞。

V型墩的第一主拉應(yīng)力和第三主壓應(yīng)力云圖如圖4所示，較大的主拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在右側(cè)梁體頂板與豎向墩柱內(nèi)側(cè)板件上，均在80～100 MPa之間。在斜腿底部頂板轉(zhuǎn)折處與梁墩連接處將出現(xiàn)較大集中主拉應(yīng)力，在實(shí)際設(shè)計(jì)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(yīng)力。主壓應(yīng)力除右側(cè)V墩底部與梁墩連接處將出現(xiàn)110 MPa左右的主壓應(yīng)力外其余均在50 MPa以下。墩梁連接處會(huì)有170 MPa的主壓應(yīng)力局部集中區(qū)域。

3.2 墩底較支座計(jì)算分析

如圖5鉸支座Von mises應(yīng)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(gè)V型墩的自重，因此支座構(gòu)件的應(yīng)力普遍在100～200 MPa之間，支座構(gòu)件長(zhǎng)期在此高應(yīng)力范圍內(nèi)工作，并未超過材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但考慮維修及更換的不便，應(yīng)作為半永久支座使用，需要考慮對(duì)防水防塵的高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，故在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為上凸式鉸支。在該工況下整個(gè)V型墩有向右傾覆的趨勢(shì)。在圖6支座接觸間隙上可見整個(gè)接觸面也是向右傾覆的狀態(tài)，雖大部分處于近接觸狀態(tài)，但并未脫空，整個(gè)上、下支座板并未出現(xiàn)間隙，能有效保證縱橋向抗傾覆的安全性要求[7-10]。

4 結(jié)論

（1）在鉸支V型墩局部模型中，墩底的Von mises應(yīng)力在160 MPa以下并且在墩底不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。相比墩底，墩粱固結(jié)段更有可能出現(xiàn)較大的應(yīng)力與應(yīng)力集中區(qū)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(shì)下，上下支座板仍密切貼合不會(huì)出現(xiàn)空隙。能夠保證縱橋向不會(huì)發(fā)生傾覆。

（3）針對(duì)首尾閉合的環(huán)形橋梁，在V型墩底設(shè)置較支座釋放橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)能顯著減少梁體次應(yīng)力，并且可以同時(shí)利用V型墩受力及景觀上的優(yōu)勢(shì)。

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

（5）鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的，同時(shí)滿足其使用性能要求，在環(huán)形結(jié)構(gòu)橋梁的V型墩底上應(yīng)用鉸支座尚屬首次，這是我國(guó)橋梁建設(shè)中具有創(chuàng)新意義的典型設(shè)計(jì)個(gè)案。

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