高速鐵路橋異形墩受力分析

林鑫鑫

摘要：異形墩的墩身應力集中區和危險截面的應力分布狀態不同于一般橋墩，本文采用通用有限元ANSYS對西成客運專線椒溪河特大橋異形墩進行實體有限元分析，采用solid65單元模擬異形實體橋墩，忽略樁土作用，將墩底視為固結，考慮恒載和活載效應，按照三種荷載工況組合，分析得到異形墩墩身應力、墩身位移。

Abstract： The stress distribution of the stress concentration zone and the dangerous section of the pier with different shaped piers is different from that of the general pier. In this paper， the finite element analysis of the shaped pier of the Jiaoxi River Bridge on the Xicheng Passenger Dedicated Line is carried out by the general finite element ANSYS， and the solid65 unit is used to simulate the profile. The physical pier， ignoring the effect of pile and soil， considers the bottom of the pier as consolidation. Considering the dead load and live load effect， according to the combination of three kinds of load conditions， the stress and pier displacement of the pier of the shaped pier are analyzed.

關鍵詞：鐵路；異形墩；有限元；荷載

Key words： railway；shaped pier；finite element；load

中圖分類號：U441+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0130-02

0 引言

隨著高速鐵路建設及城市軌道交通事業的迅猛發展，交通建設和工程建設對質量、藝術的追求不斷提高，為了增強工程建設與周圍環境的協調性，越來越多的新型結構被設計來滿足要求。由于鐵路線路的選擇受到諸多因素的影響，在地形、線性及空間的限制等因素影響下，新型結構將為解決這一問題提供全新的理念和發展方向。近年來橋梁建設出現上許多新式組合結構，諸如變寬度、變坡度、變曲率的異形結構等。目前該類橋梁的設計理論及受力特性的研究方法嚴重滯后于工程實際，考慮到今后對異形墩臺發展的展望，通過對異形橋梁墩身結構的初步研究有助于發展其理論方法和研究模式。

1 工程概況

椒溪河特大橋跨徑40.8m，橋梁上部采用節段拼裝簡支梁，單孔11段拼裝，兩端部為各1節①號梁段，重174.3t；緊靠①號梁段也是兩端布置各1節③號梁段，重138.3t；中間均勻布置7節⑤號梁段，重113.8t，板面采用雙線無砟軌道。橋梁下部墩身沿線路中心線扭轉35°設計，頂帽及托盤采用C35鋼筋混凝土，墩身采用C35混凝土，支承墊石采用C50鋼筋混凝土。模型主要包括四部分：承臺、墩身、墩帽、支座墊石。其中墩帽與支座墊石之間還有高度為5cm排水坡，承臺、墩身及墩帽的中心軸線仍在同一中軸線上，但墩身扭轉一定角度后，對稱軸與基礎、墩帽便不再同一位置。基礎是由8根混凝土灌注樁組成的加固地基，承臺是980cm×940cm的矩形結構。墩身總高度39.5m，支承墊石+支座總高度按60cm設計，本論文中支承墊石取高度40cm。

2 模型簡化與實體建模

根據上述CAD工程圖擬定的尺寸，利用ANSYS建模時采用了自下而上的建模方式，由于墩帽上的流水坡高度5cm，相對支承墊石、墩帽和墩身而言尺寸較小，對于論文分析墩身應力的影響基本可以忽略，所以實體建模不考慮創建流水坡。簡化后的模型主要包括基礎、墩身、墩帽和支撐墊石四部分。根據椒溪河特大橋異形墩的結構特點，墩身截面形式及分析問題的關鍵，利用結構數值分析軟件ANSYS進行建模分析，采用3D實體8節點等參元Solid65模擬混凝土。模型參數的選取：基礎、墩身和墩帽采用C35混凝土，彈性模量3.15e10，泊松比0.2，密度2500kg/m3。支承墊石采用C50鋼筋混凝土，彈性模量3.45e10，泊松比0.2，密度2600kg/m3。通過采用Solid65單元模擬異形實體橋墩，針對模型要求的計算精度，采用了3D四面體單元形狀和自由網格劃分控制。橋墩基礎由8根混凝土灌注樁組成，本論文研究對象是墩身應力分布，在施加約束條件時就不予考慮基礎周圍的土壓力、流水壓力及一般沖刷和局部沖刷等因素的作用，將計算模型承臺底面及四周面全部約束，與實際狀態下的橋墩約束有所不同，計算模型中墩頂部分沒有約束條件，墩底采用固定端約束，根據計算理論和結構簡化理論，對墩身的約束條件作此簡化不影響其計算結果的分析。

3 模型荷載

計算作用在墩身上的列車活載，各工況都按最不利荷載位置布置，各工況布置及計算如下：

3.1 單孔重載 單線布置活載，由靜力平衡方程式∑R0=0，計算異形墩支反力：R1=1/39.6×[4×200×（40.8-0.6-1.6-0.8）+64×L×（L/2-0.6）]=1730.7kN

L=40.8-3×1.6-0.8

根據高速鐵路設計規范要求，雙線都應滿布荷載，當雙線對稱布置時所產生的反力和對墩頂截面的彎矩是最大的，所以在R1處兩個支座墊石上的反力為：p1支=1730.7kN。

3.2 單孔輕載 單線布置活載，由靜力平衡方程式∑R0=0，計算異形墩支反力：R2=1/39.6×[4×200×（1.6-0.6+0.8）+64×L×（40.8-L/2-0.6）]=1322kN

L=40.8-3×1.6-0.8

雙線滿布荷載，R2處兩個支座墊石上的反力為：p1支=1322kN。

4 計算結果分析

4.1 單孔輕載 單孔輕載荷載組合工況下ANSYS計算結果應力云圖如圖1-圖2。

單孔輕載荷載工況下，墩身Z向最大拉應力1.09MPa，出現在墩帽XY平面的第三象限倒角處；最大壓應力7.39MPa，出現在有列車活載作用的支座墊石上；兩支座墊石出現壓應力集中區，從固定支座墊石壓應力由中心向外壓應力逐漸減小，最大7.39MPa，最小1.7MPa，活動支座的兩墊石壓應力變化在6.451.7MPa之間；墩身底部也有壓應力集中區，最大壓應力達7.39MPa，出現在墩身XY平面的負Y向局部區域；墩身底部第三象限區域壓應力數值由內向外、自下而上變化在6.45～3.6MPa之間，與之相對部分，應力變化在3.6～1.7MPa之間。X向最大位移出現在墩帽部分達-6.4mm，自上而下位移逐漸減小，基礎至墩身1/4處位移值達0.014mm。Y向位移最大出現在墩身上部墩帽以下1/4的區域，XY平面的X軸下方，其值達-0.4mm；自上而下位移值漸小，基礎和墩底局部小區域位移值達最小達0.035mm。Z向位移自X軸正向過渡到X軸負向，整個墩身位移值-0.4～0mm之間變化，最小位移值在基礎及墩身底部部分區域，最大部位在承受列車活載兩支座墊石處以及下部的墩帽和墩身小部分區域。

4.2 單孔重載 單孔重載荷載組合工況下應力分布云圖如圖3-圖4所示。

單孔重載工況下，異形墩Z向最大拉應力達1.09 MPa，出現部位與單孔輕載一樣，但基礎部分在X軸負向的棱邊上有局部最大拉應力出現；有固定支座墊石這邊壓應力較墩身另一邊大，墩底和支座墊石處有應力集中區，墩底應力集中區壓應力值在7.79～2.85MPa變化；固定支座墊石壓應力值在7.79～0.88MPa變化，活動支座墊石壓應力數值在6.8～0.88MPa變化。X向位移分布圖中，自上而下，位移值逐漸減小，其值墩頂最大達-6.32mm，基礎及墩身下部1/3處位移最小達-0.658mm。Y向位移分布圖中，基礎至墩身2/3處，位移值最大達-0.063mm，自上變化減小，固定支座墊石及相鄰墩帽部分出現正位移值達0.8mm。Z向位移圖中，同水平面下，有風荷載作用的一面壓縮量較另一面較小，從基礎向墩頂位移變化量逐漸減小，最大位移出現在固定支座及與之相鄰的墩帽部分處，位移值達-3.5mm；基礎和墩底位移值最小達-0.39mm。

5 總結

異形墩結構是近幾年出現的新型橋梁結構，它的出現改善了墩身結構的受力性能，促進橋梁結構向著設計新穎、合理經濟等方面發展，同時異形墩結構具有增大橋梁的整體剛度、橋跨跨徑等特性，因此在城市軌道交通建設中具有較高的實用價值和競爭力。按照本文的研究結果，橋墩結算結果受力分析主要關注第1主應力和Z向應力分布，位移值可以從X、Y、Z三個方向查看，橋墩主要承受上部結構的荷載，可以看做是受壓構件，可以利用本文的模型分析其中最大、最小，應力集中區和危險截面的應力，也重點關注這些部位的應力變化趨勢，本文的研究可為工程實踐提供指導。

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