鉸支V型橋墩局部受力分析

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附近剛度并減小梁體跨徑，達到降低負彎矩并使結(jié)構(gòu)撓度減少的目的。特別的對于環(huán)形的一聯(lián)橋而言，更多的約束隨之而來的是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行局部受力分析，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

【中國分類號】U443.22【文獻標志碼】A

V型墩通常運用于大跨連續(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(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型墩無疑是不二之選。對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，對此必須對V型墩底進行橫橋向轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)在實際工程中鮮有使用，同時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，因此對該局部進行受力分析，確定結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對保證結(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

本橋整體模型計算采用MIDAS CIVIL軟件，采取空間梁單元模擬。全橋共計216個節(jié)點，603個單元。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(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適應(yīng)支座的轉(zhuǎn)動，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，定制支座采用實體單元模擬，加載節(jié)點采用質(zhì)量單元模擬。鋼材采用Q355c，板單元為SHELL181，實體單元為SOLID186，質(zhì)量單元采用MASS21，接觸單元對采用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 計算分析

3.1 V型墩及梁體計算分析

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)計強度的應(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，在實際設(shè)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(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。墩梁連接處會有170 MPa的主壓應(yīng)力局部集中區(qū)域。

3.2 墩底較支座計算分析

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)件長期在此高應(yīng)力范圍內(nèi)工作，并未超過材料強度設(shè)計值，但考慮維修及更換的不便，應(yīng)作為半永久支座使用，需要考慮對防水防塵的高標準設(shè)計要求，故在結(jié)構(gòu)上設(shè)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(tài)，雖大部分處于近接觸狀態(tài)，但并未脫空，整個上、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下，上下支座板仍密切貼合不會出現(xiàn)空隙。能夠保證縱橋向不會發(fā)生傾覆。

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

（4）設(shè)置在墩底的支座所承受的支反力將遠大于在梁體設(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密防護。

（5）鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的，同時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，這是我國橋梁建設(shè)中具有創(chuàng)新意義的典型設(shè)計個案。

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