鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋V 型墩局部受力分析

吳睿麒 王澤寧 宋洪雨 文天禹

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082；2.北京市城市橋梁安全保障工程技術(shù)研究中心 100082）

引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種常見(jiàn)的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式， 其在繼承連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)墩梁固結(jié)的方式， 利用墩柱結(jié)構(gòu)釋放墩頂負(fù)彎矩， 從而利用墩柱的柔性實(shí)現(xiàn)更好的受力。 V 型墩連續(xù)剛構(gòu)橋從普通連續(xù)剛構(gòu)橋演變而來(lái)， 其計(jì)算跨徑得以減小， 跨中彎矩、 撓度及墩頂負(fù)彎矩峰值均有減小， 結(jié)構(gòu)受力更趨于合理；同時(shí)結(jié)構(gòu)整體剛度增大， 導(dǎo)致橋梁總體尺寸可以減小， 一定程度上節(jié)約了材料， 顯得輕巧美觀、景觀性較強(qiáng)。 故而V 型墩連續(xù)剛構(gòu)橋在近年受到設(shè)計(jì)者的廣泛青睞。

目前， 有關(guān)V 型墩局部受力分析的研究主要集中在混凝土橋中， 文獻(xiàn)[4]應(yīng)用SAP5 程序中的第八類厚殼單元， 對(duì)南昆鐵路南盤(pán)江特大橋V形支撐局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了應(yīng)力分析， 繪制各部位等應(yīng)力跡線， 發(fā)現(xiàn)斜腿與主梁隅結(jié)點(diǎn)附近腹板存在常規(guī)計(jì)算無(wú)法發(fā)現(xiàn)的豎向拉應(yīng)力區(qū)； 文獻(xiàn)[5]以某斜腿剛構(gòu)與系桿拱組合橋?yàn)槔?采用ANSYS對(duì)V 形支撐局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析， 繪出了V型支撐與梁剛接處的內(nèi)部應(yīng)力跡線， 揭露了其控制截面為斜腿與主梁的剛結(jié)點(diǎn)處； 文獻(xiàn)[6]以寧波奉化江大橋?yàn)槔?應(yīng)用ANSYS 對(duì)其關(guān)鍵施工階段進(jìn)行模擬計(jì)算， 分析了各個(gè)階段下V 墩關(guān)鍵部位的空間受力情況， 發(fā)現(xiàn)在中跨合龍前后及成橋階段， 在V 腿的空心箱室與實(shí)心段交接處， 由于剛度突變會(huì)在其附近各類倒角周圍產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中； 文獻(xiàn)[7]以昆獨(dú)侖三號(hào)橋?yàn)槔?采用整體桿系模型及局部實(shí)體模型對(duì)V 型墩斜腿局部應(yīng)力進(jìn)行分析， 結(jié)果表明斜腿與主梁、 豎墩相接處應(yīng)力水平較為突出， 應(yīng)采取相應(yīng)的配筋措施。綜上， 混凝土V 型墩局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜， 用常規(guī)計(jì)算難以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)， 局部采用精細(xì)化模型分析后可以得到更為準(zhǔn)確的應(yīng)力狀態(tài)。 而由于目前建成的鋼結(jié)構(gòu)V 型墩連續(xù)剛構(gòu)橋較少，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)V 型墩局部受力少有研究。

因此， 有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋V 型墩局部受力進(jìn)行研究， 從而有利于掌握其受力特性和關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布信息， 為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

某自行車專用路跨高速橋梁采用38m +46m+50m+41m 四跨鋼結(jié)構(gòu)斜交V 型墩連續(xù)剛構(gòu)方案， 全橋采用 Q345qD 鋼， 橋梁全長(zhǎng) 175m， 橋梁全寬10.75m。 主梁采用雙箱單室截面， V 型墩斜腿處梁高為2.3m， 中跨跨中和邊跨端部梁高均為1.5m， 箱梁頂板厚16mm、 底板厚20mm、腹板厚16mm。 下部結(jié)構(gòu)中墩采用V 型墩形式與主梁剛接， V 型墩厚度1.5m、 頂?shù)装搴?0mm、腹板厚16mm， 下接承臺(tái)及鉆孔灌注樁， 樁徑1.5m； 邊墩處采用公用墩蓋梁接墩柱、 承臺(tái)及鉆孔灌注樁， 樁徑1.2m， 主梁與蓋梁之間設(shè)置四氟滑板式板式橡膠支座。 橋梁平面、 立面及跨中橫隔板處斷面如圖1 所示。

圖1 V 型墩連續(xù)剛構(gòu)橋(單位： cm)Fig.1 Continues rigid frame bridge with V-shaped piers (unit: cm）

2 有限元建模

2.1 建模思路

桿系模型無(wú)法準(zhǔn)確反映V 型墩的局部受力狀態(tài)， 而若對(duì)全橋建立板單元或?qū)嶓w單元， 則計(jì)算量巨大， 效率較低。 針對(duì)本橋的V 型墩局部受力分析， 建模思路為先建立整體桿系模型， 根據(jù)圣維南原理， 提取合適范圍的局部結(jié)構(gòu)作為隔離體進(jìn)行受力特性分析， 局部分析模型的內(nèi)力和位移邊界條件與整體模型中該處的內(nèi)力和位移保持一致。

2.2 整體有限元模型

本橋整體模型采用MIDAS Civil 軟件， 建立空間桿系模型、 并劃分施工階段進(jìn)行計(jì)算， 全橋共分成427 個(gè)單元， 459 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 支座采用彈性連接模擬支座剛度， 承臺(tái)與樁基相連處采用彈性連接的剛性模擬承臺(tái)與樁基的連接， 樁土作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支承來(lái)模擬， 有限元模型如圖2所示。

整體計(jì)算模型施加的主要荷載有自重、 二期恒載、 活載、 溫度荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降。

計(jì)算采用的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。

圖2 橋梁整體有限元模型Fig.2 FEM of the whole bridge

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Tab.1 Strength design value of steel

2.3 局部有限元模型

依據(jù)圣維南原理， 遠(yuǎn)離V 型墩區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其應(yīng)力分布的影響可以忽略不計(jì)， 因此， 本文選取V 型墩及兩邊各15m 長(zhǎng)的主梁作為局部研究對(duì)象。

1.邊界條件確定

局部分析模型的內(nèi)力和位移邊界條件應(yīng)與整體模型中該處的內(nèi)力和位移一致。 根據(jù)試算驗(yàn)證， MIDAS Civil 中局部模型在端部截面采用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移， 同時(shí)將強(qiáng)制位移和其他荷載定義為同種工況， 能得到位移一致、 內(nèi)力基本一致的邊界條件。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015）， 采用基本組合進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。 為驗(yàn)算Z1 軸V 型墩強(qiáng)度， 分別考慮五種工況: (1）工況一: 南側(cè)V 型墩左斜腿頂最大軸力工況； (2）工況二: 南側(cè) V 型墩左斜腿頂最大彎矩工況；(3）工況三: 南側(cè)V 型墩右斜腿頂最大軸力工況； (4）工況四: 南側(cè)V 型墩右斜腿頂最大彎矩工況； (5）工況五: V 型墩間左側(cè)橫隔板端部最大彎矩工況。

根據(jù)不同荷載工況， 從整體模型中提取相應(yīng)截?cái)嗵幗孛娴奈灰浦凳┘佑诰植磕Ｐ椭袃啥诵涡墓?jié)點(diǎn)處， 整體模型中提取的位移值情況見(jiàn)表2。

表2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移取值Tab.2 Value of forced displacement acting on nodes

2.模型建立

采用MIDAS Civil 建立局部模型， V 型墩采用板單元模擬， 承臺(tái)、 樁基采用梁?jiǎn)卧?樁土作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支承來(lái)模擬， 墩底節(jié)點(diǎn)與承臺(tái)頂節(jié)點(diǎn)采用剛性連接。 有限元網(wǎng)格劃分后， 在兩端截面形心處建立節(jié)點(diǎn)， 并與該截面上其余節(jié)點(diǎn)建立剛性連接。 截面形心節(jié)點(diǎn)施加表2 中計(jì)算的各工況節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移， 模型施加自重、 二期恒載及各工況對(duì)應(yīng)的活載、 溫度荷載。 以下僅給出Z1軸處的局部模型及計(jì)算結(jié)果， 局部有限元模型如圖3 所示。

圖3 Z1 軸V 型墩局部有限元模型Fig.3 FEM of the V-shaped pier on Z1-axis

3 計(jì)算分析

通過(guò)局部有限元計(jì)算分析， 可以算出五種工況下Z1 軸V 型墩各處 Von-Mises 應(yīng)力最大值， 以判斷鋼材強(qiáng)度是否滿足要求。 取V 型墩兩側(cè)各8m范圍進(jìn)行查看， 各工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 V 型墩局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Numerical calculating results of local stress on V-shaped pier

由表3 可知: (1）主梁頂板、 橫隔板、 懸臂板應(yīng)力水平較低。 (2）V 型墩斜腿頂與主梁相接位置， 斜腿底板倒角處的底板、 腹板底、 底板縱向加勁肋均存在著較其他部位突出的應(yīng)力水平；尤其是在工況二作用下， 北側(cè)V 型墩左斜腿頂部底板倒角處縱向加勁肋最大Von -Mises 應(yīng)力為270.4MPa， 達(dá) 到 強(qiáng) 度 設(shè) 計(jì) 指 標(biāo) 的 98.3%。(3）V 型墩底位置的頂?shù)装濉?腹板及縱向加勁肋應(yīng)力水平相對(duì)較高。

4 構(gòu)造措施

針對(duì)局部有限元模型計(jì)算結(jié)果， 本次構(gòu)造設(shè)計(jì)采用: (1）V 型墩底板加勁肋橫向由1 道改為2道， 且主梁變高段范圍內(nèi)增加 1 道 T 型肋。(2）V型墩墩底采用混凝土灌注， 灌注范圍為計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力較大的部位。

V 型墩斜腿頂處修改后標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4 所示， V 型墩墩底構(gòu)造立面如圖5 所示。

圖4 V 型墩斜腿頂處修改后標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位： cm)Fig.4 Standard section after modifying at the top of skew leg(unit: cm）

圖15 V 型墩墩底構(gòu)造立面(單位： cm)Fig.15 Structural elevation view of the bottom of V-shaped pier(unit: cm）

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋V 型墩處建立局部有限元模型， 研究了V 型墩的局部受力特性， 并得出以下結(jié)論:

1.本文采用整體桿系模型及局部板單元模型相結(jié)合的計(jì)算思路， 能較為合理地計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)V 型墩處的局部受力狀態(tài)， 同時(shí)具有較好的計(jì)算效率。

2.鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋V 型墩斜腿頂部底板倒角處各板件存在局部應(yīng)力較大的現(xiàn)象， V 型墩墩底處各板件應(yīng)力水平也相對(duì)較高。

3.在該類橋型設(shè)計(jì)中， 應(yīng)對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行專門(mén)分析設(shè)計(jì)、 確定合理的截面過(guò)渡形式、 構(gòu)造及補(bǔ)強(qiáng)措施。 同時(shí)在施工時(shí)應(yīng)盡量避免在應(yīng)力水平較高的部位設(shè)置斷縫， 若必須設(shè)置， 應(yīng)嚴(yán)格保證連接質(zhì)量、 并宜采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施。