V形剛構拱橋V構詳細應力計算分析

柳 鳴

1 概述

剛構與拱組合橋梁體系是一種剛構與拱圈剛性連接，共同承擔荷載的結構體系。這種橋梁利用剛構跨的強大剛度為與其剛性連接的拱圈提供延伸支撐，相對減小主拱跨度，以利于實現橋梁跨度的增加。V形剛構拱橋的V形結構構造和受力均較復雜，是設計的重要部位，它的可靠與否直接關系著全橋的安全和可靠。本文以城際快速軌道交通工程小欖水道特大橋為背景，利用大型有限元軟件ANSYS建立V構實體有限元模型，對結構進行詳細應力計算分析。小欖水道特大橋設計方案為:100 m+220 m+100 m三跨V形連續剛構組合拱橋(簡稱V形剛構拱橋)，全橋長420 m，橋面寬 11.6 m，雙向列車。V構外側斜撐水平傾角36.10°，內側水平傾角 46.40°。

2 有限元模型的建立

計算模型采用ANSYS命令流的方式建立。由于主梁統一的截面形式，可用其截面上的控制點來描述，生成實心的梁段。對于箱梁的空心部分則同樣建立實心的實體，利用ANSYS提供的布爾運算命令，將實體相減生成箱梁。將這些控制點作為關鍵點，模型混凝土主梁采用Solid45單元模擬，預應力鋼筋用Link8桿單元模擬。V構與預應力鋼筋采用分別建模的分離式模型模擬，并通過耦合的方式使之位移協調。模型中，共計40 144個塊體單元，2 539個線單元，模型節點總數為25 135。結構模型見圖1。

3 邊界和荷載施加

4 施工階段V構詳細應力分析

4.1 最大單懸臂狀態V構詳細應力分析

運用MIDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計算出最大單懸臂狀態下主梁的受力情況，將結構受力轉化加到ANSYS模型主梁兩端。通過計算分析，得到最大單懸臂狀態下V構的最大、最小主應力如圖2，圖 3所示。

從圖2，圖3可知，V構應力值主要是在-10.30 MPa～4.84 MPa范圍內，V構左腿與承臺相交處出現應力集中現象，主拉應力過渡很快，局部應力由4.84 MPa沿左腿內側向上很快過渡到1.13 MPa。右腿外側與承臺相交處有2.71 MPa，與梁段連接處有1.84 MPa左右的拉應力，V構左右腿其他的應力小于1.13 MPa。

在最大單懸臂狀態下，最大主壓應力-10.3 MPa出現在V構右腿與主梁結合處內側，V構與梁相交處，因為采用倒圓角的構造，沒有出現應力集中，主壓應力為-10.3 MPa～5.4 MPa范圍。

4.2 架設拱圈狀態V構詳細應力分析

同樣運用M IDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計算出架設拱圈時主梁和拱座的受力情況，將結構受力轉化加到ANSYS模型主梁兩端和拱橋處。通過計算分析，得到架設拱圈時V構的最大、最小主應力如圖 4，圖5所示。

從圖 4，圖5可知，V構左腿與承臺相交處，此處應力集中明顯。V構左腿內側在架設拱圈時V構應力值在-10.30 MPa～5.72 MPa范圍內。V構左腿與承臺結合處內側最大主應力5.72 MPa。V構右腿與底部外側有局部的應力集中現象。右腿與主梁右側結合處有1.77 MPa左右的拉應力。同時在左腿與主梁結合處外側有比較明顯的拉應力區，應力在1.47 MPa～2.29 MPa范圍內變化。

在梁上架設拱圈時，最大主壓應力為-10.59 MPa，出現在V構右腿與主梁結合處內側。V構右腿與承臺結合處的角點處出現了1.08 MPa的拉應力，結合處有比較明顯的壓應力集中。

5 成橋狀態V構詳細應力分析

運用MIDAS/CIVIL 2006建立的全橋空間有限元模型計算出架設拱圈時主梁和拱座的受力情況，將結構受力轉化加到ANSYS模型主梁兩端和拱橋處同時在橋面通過施加面力來模擬二期恒載。通過計算分析，得到架設拱圈時V構的最大、最小主應力。

V構左腿與承臺相交處，應力集中明顯。V構左腿內側在成橋狀態時V構應力值在-10.11 MPa～3.93 MPa范圍內，V構左腿與承臺結合處內側最大主應力3.93 MPa。V構右腿與底部內、外側均有局部的應力集中現象。右腿與主梁右側結合處有3.71 MPa左右的拉應力，同時在左腿與主梁結合處內側有比較明顯的拉應力區，應力在0.74 MPa～3.71 MPa范圍內變化。

在成橋時，最大主壓應力為-10.11 MPa，出現在V構右腿與主梁結合處內側。V構右腿與承臺結合處的角點處出現了1.08 MPa的拉應力，結合處也有比較明顯的壓應力集中。

6 結語

1)在最大雙懸臂狀態，V構的應力值為-10.30 MPa～4.84 MPa范圍，V構左腿與承臺結合處主拉應力過渡較快，有較明顯的應力集中。2)在架設拱圈狀態，V構右腿與底部外側有局部的應力集中現象，同時在左腿與主梁結合處外側有比較明顯的拉應力區，應力在1.47 MPa～2.29 MPa范圍內變化。在架設拱圈狀態V構的局部最大拉應力值為5.62 MPa。3)成橋狀態，V構左腿與承臺相交處，應力集中明顯。V構右腿與底部內、外側均有局部的應力集中現象。成橋時V構的應力值范圍為-10.11 MPa～3.93 MPa，V構右腿與承臺結合處也有比較明顯的壓應力集中。4)在三種施工工況下，V構左腿與承臺結合處內側最大主應力較大，有較明顯的局部應力集中現象。在施工過程中V構左腿與承臺結合處出現了5.62 MPa的拉應力，在此處可以適當加密鋼筋，結合處采用倒角連接，以減少應力集中。5)在三種施工工況下，最大主壓應力出現在 V構右腿與梁結合處內側，最大值為-10.59 MPa，同時主壓應力集中，沒有明顯的局部應力集中現象。6)V構與主梁、承臺結合處局部有較大拉應力外，其他部分在三種施工階段都只有少許的拉應力，而其壓應力也很小，滿足要求。

[1] 宋富榮，吳士民.小欖特大橋V構系梁節段支架法施工技術[J].山西建筑，2009，35(9):292-293.

[2] 鄭凱鋒.小欖水道V形剛構和拱組合特大橋受力[Z].2000.

[3] 西南交通大學土木工程學院.特性分析與施工控制措施研究報告[R].2007.