大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋V形0#節(jié)段有限元分析

楊 強(qiáng) 張 哲 王國(guó)煒

（山東金衢設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250014）

近年來(lái)，V形墩結(jié)構(gòu)橋梁得到了較為廣闊的發(fā)展，其中V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)建造速度最為迅速，青田塔山大橋、福建南平西城大橋、寧波奉化江大橋等一批大跨徑V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋橫空出世，成為中國(guó)橋梁建造史上一道靚麗的風(fēng)景[1]。

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)和施工難點(diǎn)在V形墩0#塊，該區(qū)域由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造特殊、邊界條件復(fù)雜導(dǎo)致空間應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜[2]，在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。李涵軍[3]以深安黃河大橋?yàn)槔?，采用ANSYS建立V形墩0#塊分析模型，發(fā)現(xiàn)在施工過(guò)程中倒三角區(qū)域下內(nèi)隅和上內(nèi)隅容易反復(fù)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。曾勇等[4-5]以桂林龍門大橋?yàn)槔瑢?duì)V形墩0#塊進(jìn)行了詳細(xì)的施工過(guò)程分析和關(guān)鍵工況分析，發(fā)現(xiàn)在拆除支架施工階段倒三角區(qū)域下內(nèi)隅將出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力。張偉光[6]以某V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，?duì)采用內(nèi)側(cè)支架法施工V形墩0#塊進(jìn)行了仿真模擬，計(jì)算表明在斜腿的內(nèi)側(cè)和外側(cè)反復(fù)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。劉孝武等[7]采用ANSYS生死單元技術(shù)分析了寧波奉化江南翔橋0#塊的整個(gè)施工過(guò)程，分析表明斜腿澆筑過(guò)程中倒三角區(qū)域下內(nèi)隅容易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，需要及時(shí)采用主動(dòng)拉桿進(jìn)行調(diào)整。由此可見，V形墩0#塊的施工在全橋施工過(guò)程中是較為危險(xiǎn)的施工階段，需要引起廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注。

本文以云南某V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)其V形墩0#塊做詳細(xì)的施工過(guò)程分析，通過(guò)計(jì)算關(guān)鍵施工階段的變形及應(yīng)力，為以后V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

建設(shè)于云南省武定至倘甸至尋甸高速公路的某V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的跨徑組合為64 m+120 m+64 m，橋面凈寬15.5 m。

V形墩采用鋼筋混凝土實(shí)心墩，單肢截面尺寸為8.5 m×2.0 m，V形墩臺(tái)座順橋向長(zhǎng)6.74m，橫橋向?qū)?.5 m，高5.0 m，左右肢與鉛垂線的夾角為26.57°。V形墩上的主梁為單箱單室，底板厚度為0.8 m，頂板厚度為0.6 m，腹板厚度為0.8 m，主梁頂板有4%的橫坡，箱梁截面中心線梁高為5.5 m。在墩梁匯合位置設(shè)置順橋向長(zhǎng)2 m的橫梁，橫梁設(shè)置通人孔，通人孔尺寸為1.5 m×2.0 m，橫梁兩側(cè)與1號(hào)塊相接的截面底板厚度為0.8 m，頂板厚度為0.3 m，腹板厚度為0.7 m。V形墩與0號(hào)塊主梁相交的內(nèi)夾角設(shè)置成半徑為0.8m的圓弧，V形墩與臺(tái)座的內(nèi)夾角同樣設(shè)置成半徑為0.8 m的圓弧，外夾角設(shè)置成半徑為3.0m的圓弧，臺(tái)座和V墩的總高為21.5 m。該橋的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸/cm

V形墩采用C50混凝土，箱梁采用C55混凝土，C50混凝土的彈性模量為34500 MPa，泊松比為0.2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4 MPa；C55混凝土的彈性模量為35500 MPa，泊松比為0.2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.89 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為24.4 MPa。在V形墩0號(hào)塊的主梁設(shè)置縱向、橫向和豎向預(yù)應(yīng)力鋼束?？v向和橫向預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為1860 MPa，彈性模量為195 MPa；豎向預(yù)應(yīng)力采用直徑為32 mm的40Si2MnMoV精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為785 MPa，彈性模量為200 MPa。0號(hào)塊主梁共布置4根頂板束和2根腹板束，采用雙向張拉；橫向預(yù)應(yīng)力鋼束布置于箱梁的頂板位置，間距0.5 m，采用單向張拉，交替改變張拉位置；豎向預(yù)應(yīng)力布置于箱梁的腹板，間距0.5 m，采用單端張拉，位置在箱梁頂板。

2 分析思路

計(jì)算分析采用Midas Civil有限元軟件，0#塊和支架均采用梁?jiǎn)卧?，整個(gè)模型共計(jì)94個(gè)單元，有限元模型如圖2(a)所示。墩底和支架底部均固結(jié)，斜腿底部與墩底采用剛性連接，斜腿頂部與主梁采用彈性連接中的剛性連接。由于不考慮橫橋向偏載的作用，支架主要承受壓應(yīng)力，橫橋向一排支架的抗壓剛度僅用一根立桿模擬。荷載上考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土濕重和主梁預(yù)應(yīng)力。混凝土濕重根據(jù)查詢單元功能計(jì)算得到，采用節(jié)點(diǎn)荷載施加。0#塊的主梁預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉，張拉控制應(yīng)力1302 MPa，張拉后立即注漿，預(yù)應(yīng)力與管道摩擦系數(shù)為0.15，管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)為0.0015，錨具變形、鋼束回縮考慮為兩端各6 mm。

0#塊施工共劃分為7個(gè)施工階段，其具體施工過(guò)程為：①豎直墩澆筑施工→②斜腿外側(cè)搭支架，澆筑斜腿→③斜腿混凝土達(dá)到強(qiáng)度→④斜腿內(nèi)側(cè)搭支架（支架不得搭在斜腿上），澆筑主梁→⑤主梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度→⑥張拉主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束→⑦拆除支架，0#塊各構(gòu)件名稱以及整個(gè)施工過(guò)程如圖2(b)所示，其中節(jié)段編號(hào)即為混凝土澆筑順序。

圖2 有限元模型及施工階段

3 關(guān)鍵施工階段結(jié)構(gòu)分析

3.1 斜腿混凝土達(dá)到強(qiáng)度施工階段

通過(guò)計(jì)算，提取斜腿混凝土達(dá)到強(qiáng)度后V形墩的應(yīng)力與位移如圖3所示，由圖3可以看出：斜腿混凝土達(dá)到強(qiáng)度后V形墩的水平位移很小，不超過(guò)0.01 mm；豎向位移最大值為2.58 mm，出現(xiàn)在斜腿頂部附近，斜腿越高的位置產(chǎn)生的豎向位移越大；斜腿的應(yīng)力接近于0。

圖3 斜腿混凝土達(dá)到強(qiáng)度施工階段的應(yīng)力與位移

3.2 主梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度施工階段

提取主梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度后V形墩0#塊的應(yīng)力與位移如圖4所示，由圖4可以看出：主梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度后斜腿產(chǎn)生向外側(cè)的水平位移，接近頂部位置的最大值為0.39 mm，頂部的水平位移為0.36 mm；主梁的最大豎向位移出現(xiàn)在1/4截面附近，約9.06 mm；主梁的上緣為拉應(yīng)力，下緣為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在跨中，上緣的最大拉應(yīng)力為0.04 MPa，下緣的最大壓應(yīng)力為0.03 MPa，由于主梁的豎向位移大都由主梁澆筑時(shí)的支架變形所致，故而主梁表現(xiàn)為撓度大應(yīng)力小，此時(shí)的主梁雖然已經(jīng)受力但由于支架的支撐應(yīng)力幾乎為0；斜腿的上緣應(yīng)力由底部的拉應(yīng)力逐漸變化為頂部的壓應(yīng)力，底部的拉應(yīng)力最大值為0.04 MPa，頂部的壓應(yīng)力最大值為1.25 MPa；斜腿的下緣應(yīng)力由底部的壓應(yīng)力逐漸變化為頂部的拉應(yīng)力，底部的壓應(yīng)力最大值為0.77 MPa，頂部的拉應(yīng)力最大值為0.83 MPa。

圖4 主梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度施工階段的應(yīng)力與位移

3.3 張拉預(yù)應(yīng)力施工階段

提取張拉預(yù)應(yīng)力后V形墩0#塊的應(yīng)力與位移如圖5所示，由圖5可以看出：張拉預(yù)應(yīng)力后斜腿頂部向外側(cè)的水平位移下降為0.32 mm，接近頂部位置的最大值上升為0.44 mm；主梁的最大豎向位移仍出現(xiàn)在1/4截面附近，約9.31 mm；主梁的上緣和下緣均為壓應(yīng)力，上緣的最大壓應(yīng)力為1.50 MPa，出現(xiàn)在1/4截面附近，下緣的最大壓應(yīng)力為0.23 MPa，出現(xiàn)在跨中截面附近；斜腿的上緣應(yīng)力由底部的拉應(yīng)力逐漸變化為頂部的壓應(yīng)力，底部的拉應(yīng)力最大值為0.62 MPa，頂部的壓應(yīng)力最大值為1.84 MPa；斜腿的下緣應(yīng)力由底部的壓應(yīng)力逐漸變化為頂部的拉應(yīng)力，底部的壓應(yīng)力最大值為0.99 MPa，頂部的拉應(yīng)力最大值為1.41 MPa。

圖5 張拉預(yù)應(yīng)力施工階段的應(yīng)力與位移

3.4 拆除支架施工階段

通過(guò)計(jì)算，提取拆除支架后V形墩0#塊的水平位移如圖6a，豎向位移如圖6b，梁?jiǎn)卧暇墤?yīng)力為6c，下緣應(yīng)力為6d。

由圖6可以看出，拆除支架后斜腿頂部向外側(cè)的水平位移上升為0.68 mm，接近頂部位置的最大值上升為0.98 mm，由于斜腿澆筑時(shí)支架的變形較小，故而此階段的斜腿位移近似于斜腿的結(jié)構(gòu)變形；主梁的最大豎向位移仍出現(xiàn)在1/4截面附近，約10.53 mm，由于主梁的位移主要由主梁澆筑時(shí)支架的豎向壓縮變形產(chǎn)生，實(shí)際上主梁的豎向變形較小，將此階段的位移減去主梁澆筑時(shí)支架的壓縮變形即得到主梁的豎向變形，通過(guò)計(jì)算主梁的最大豎向變形出現(xiàn)在跨中，約1.81 mm。主梁的上緣為壓應(yīng)力，下緣主要為拉應(yīng)力，最大值均出現(xiàn)在跨中截面附近，上緣的最大壓應(yīng)力為2.40 MPa，下緣的最大拉應(yīng)力為1.38 MPa；斜腿的上緣應(yīng)力由底部的拉應(yīng)力逐漸變化為頂部的壓應(yīng)力，底部的拉應(yīng)力最大值為1.78 MPa，頂部的壓應(yīng)力最大值為2.82 MPa；斜腿的下緣應(yīng)力由底部的壓應(yīng)力逐漸變化為頂部的拉應(yīng)力，底部的壓應(yīng)力最大值為3.58 MPa，頂部的拉應(yīng)力最大值為1.60 MPa。

圖6 拆除支架施工階段的應(yīng)力與位移

4 空間實(shí)體有限元分析

針對(duì)拆除支架施工階段利用ANSYS18.0建立空間實(shí)體有限元模型，混凝土單元采用Solid187單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link180單元模擬。

由圖7可以看出：斜腿出現(xiàn)較大的水平變形，最大值約為1.10 mm，這與梁?jiǎn)卧治鲋?.98 mm的水平變形結(jié)果較為接近；主梁的最大豎向位移出現(xiàn)在跨中截面的頂板邊緣，約2.67 mm，跨中截面底板的中間位置也有2.16 mm的豎向位移，這與梁?jiǎn)卧治鲋?.81 mm的豎向變形結(jié)果較為接近；主梁跨中頂板受壓底板受拉，最大壓應(yīng)力值約2.60 MPa，最大拉應(yīng)力值約1.57 MPa，這與梁?jiǎn)卧治鲋猩暇壍淖畲髩簯?yīng)力為2.40 MPa和下緣的最大拉應(yīng)力為1.38 MPa較為接近；V形墩0#塊的主拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在主梁跨中附近的底板，約1.55 MPa，與梁?jiǎn)卧治鲚^為接近，在主梁底板與橫隔板的倒直角位置存在1.81 MPa的較高主應(yīng)力；與梁?jiǎn)卧治鲚^為相似的是在斜腿底部截面的上緣、頂部截面附近的下緣同樣具有較大拉應(yīng)力，斜腿底部截面附近上緣的主拉應(yīng)力約0.58 MPa，頂部截面附近下緣的主拉應(yīng)力約0.66 MPa，比梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果小。由于梁?jiǎn)卧治鼋］^為粗糙，無(wú)法精確模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)交匯區(qū)域的倒圓角，斜腿在交匯區(qū)域的分析可能精確度不高。

圖7 位移與應(yīng)力分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）澆筑主梁以前，斜腿的水平位移較小，澆筑主梁之后，由于主梁自重和拆除支架失去支承，斜腿的水平位移逐漸增大。同時(shí)可以看出，斜腿的豎向位移大于水平位移；拆除支架之后，斜腿的水平位移和主梁的豎向位移達(dá)到最大值，主梁最終的結(jié)構(gòu)位移大部分來(lái)源于澆注主梁混凝土?xí)r支架的壓縮變形，實(shí)際主梁的結(jié)構(gòu)變形較??；拆除支架之后，斜腿底部截面的上緣、頂部截面的下緣以及主梁跨中截面的下緣出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，施工過(guò)程中需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

（2）V形墩0#塊的整個(gè)施工階段沒有出現(xiàn)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力，保證施工質(zhì)量的前提下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險(xiǎn)不大；V形墩0#塊的梁?jiǎn)卧Ｐ蜔o(wú)法模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的細(xì)部結(jié)構(gòu)，在某些區(qū)域的應(yīng)力分析結(jié)果可能精確度不高。