馬虎（重慶軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶　401120）

單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)受力與變形分析

馬虎
（重慶軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶401120）

對重慶市軌道交通單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元仿真分析，研究橋墩整體結(jié)構(gòu)在單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行等荷載下的應(yīng)力分布與變形規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)受力與變形滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能要求，但在節(jié)段線附近存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是墩頂與蓋梁、墩底與承臺節(jié)段線附近，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)避免結(jié)構(gòu)幾何形狀突變，局部加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，防止節(jié)段線附近的混凝土開裂。

單軌裝配式橋墩；受力與變形；有限元模型；ANSYS

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.035

0　引言

重慶是山城，為丘陵地理特點(diǎn)，故選擇噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)變半徑小的跨座式單軌交通系統(tǒng)。目前大部分橋墩采用現(xiàn)澆，工藝成熟，但是施工、模板、設(shè)備資金支付周期長，控制難度大，環(huán)境破壞嚴(yán)重。受輕軌施工臨時(shí)占道影響，多數(shù)道路行車道進(jìn)行交通管制，導(dǎo)致嚴(yán)重的交通擁堵。而單軌裝配式橋墩施工工期短，占地面積小，標(biāo)準(zhǔn)化施工，能夠加快城市橋梁施工速度，緩解交通擁堵，確保交通安全暢通［1］。

1　單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)有限元模型［2］

對重慶市軌道交通下部結(jié)構(gòu)（圖1）進(jìn)行空間受力分析，確定橋墩整體結(jié)構(gòu)在單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行等荷載下的應(yīng)力分布，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1　單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)

圖2　有限元模型

圖3　So l i d65單元的實(shí)常數(shù)分布

利用大型商業(yè)有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS12.0［3］對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性、靜力計(jì)算，有限元模型如圖2，共劃分節(jié)點(diǎn)25128個(gè)，單元59034個(gè)?；炷翉?qiáng)度等級C40，鋼筋混凝土采用Solid65單元，根據(jù)配筋率的不同，將鋼筋混凝土單元?jiǎng)澐譃閷?yīng)8種不同的實(shí)常數(shù)類型（表1），不同實(shí)常數(shù)單元的分布見圖3。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Link8單元，截面積A=3992.1mm2，采用降溫法對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，張拉控制應(yīng)力為1395MPa，取熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5，那么

表1　Solid 65單元的實(shí)常數(shù)（鋼筋體積率）

由于節(jié)段間膠拼材料的力學(xué)性能不低于混凝土，因此假定節(jié)段之間位移連續(xù)，節(jié)段線上下100mm范圍內(nèi)混凝土無配筋，單元實(shí)常數(shù)取Set5?；A(chǔ)深度取1m，預(yù)應(yīng)力束直接固定于底部。位移約束施加于基礎(chǔ)底部，三向約束均為0。由于有限元模型中荷載均施加于支座中心點(diǎn)，該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，真實(shí)荷載是以分布力的形式施加于支座和墊石上，因此對支座中心點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)不做分析。

有限元計(jì)算工況包括：單孔雙行、雙孔雙行、單孔單行、雙孔單行，表2列出了各種工況下的支座受力情況，根據(jù)規(guī)范計(jì)算時(shí)主力組合安全系數(shù)取2.0，主力+附加組合安全系數(shù)取1.6。

表2　各種工況下的支座受力情況（單位：k N）

2　單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉及工況2荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為5.61mm，圖4表示豎向應(yīng)力σz的等值線分布，結(jié)構(gòu)在豎直方向上整體受壓，多數(shù)壓應(yīng)力為5～14MPa；在墩頂節(jié)段線附近由于存在幾何形狀突變，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中，角隅處壓應(yīng)力達(dá)22MPa，超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［4］，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)避免墩頂節(jié)段線附近結(jié)構(gòu)幾何形狀突變，局部加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，防止混凝土開裂。

圖4　豎向應(yīng)力σz

結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉及工況6荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為8.38mm，圖5表示豎向應(yīng)力σz的等值線分布，結(jié)構(gòu)在豎直方向上整體受壓，多數(shù)壓應(yīng)力為1～17MPa；在橋墩底部節(jié)段線附近由于存在幾何形狀突變，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中，角隅處壓應(yīng)力達(dá)22MPa，超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)避免橋墩底部節(jié)段線附近結(jié)構(gòu)幾何形狀突變，局部加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，防止混凝土開裂。

結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉及工況10荷載下，蓋梁上部角偶處最大豎向位移為4.84mm，橋跨方向位移為2.71mm，橫向位移為4.07mm，均在規(guī)范限值內(nèi)。圖6表示豎向應(yīng)力σz的等值線分布，結(jié)構(gòu)在豎直方向上整體受壓，多數(shù)壓應(yīng)力為5～18MPa；在墩頂節(jié)段線附近由于存在幾何形狀突變，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中，角隅處壓應(yīng)力達(dá)20MPa，超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。圖7-圖9表示剪切應(yīng)力τxy、τyz、τzx的等值線分布，在橋墩底部、頂部節(jié)段線附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5　豎向應(yīng)力σz

圖6　豎向應(yīng)力σz

圖7　剪切應(yīng)力τxy

圖8　剪切應(yīng)力τyz

圖9　剪切應(yīng)力τz x

3　結(jié)論

通過大型商業(yè)有限元軟件ANSYS數(shù)值仿真研究，對重慶市軌道交通單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間有限元仿真分析，結(jié)果表明：

（1）單軌裝配式橋墩結(jié)構(gòu)受力與變形滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與功能要求［5］，但在節(jié)段線附近發(fā)現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是墩頂與蓋梁、墩底與承臺節(jié)段線附近，由于幾何形狀存在突變，導(dǎo)致局部存在應(yīng)力集中，角隅處壓應(yīng)力達(dá)20MPa，超過混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（2）結(jié)構(gòu)薄弱部位在墩頂與蓋梁、墩底與承臺節(jié)段結(jié)合面附近，為了推廣應(yīng)用單軌裝配式橋墩施工工藝［6］，需要解決結(jié)構(gòu)薄弱部位的局部應(yīng)力集中問題，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)避免墩頂與蓋梁、墩底與承臺節(jié)段線附近結(jié)構(gòu)幾何形狀突變，局部加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋或布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，有條件的話可采用高強(qiáng)混凝土或纖維混凝土，解決局部應(yīng)力集中問題。

［1］王根芳.關(guān)于重慶市軌道交通規(guī)劃和近期重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的研考 ［J］.城市風(fēng)：建設(shè)管理?？?，2003（3）：16-17.

［2］賴安靜.裝配式鋼筋混凝土橋墩的力學(xué)性能分析［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

［3］張朝暉.ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］交通部.JTGD60－2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］交通部.JTG/TF50－2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

責(zé)任編輯：孫蘇

Loading and Deformation Analysisof Monorail Fabricated Bridge Pier Structure

Themonorail fabricated bridgestructure in Chongqing rail transport isanalyzed through spatial FEM simulation to study the stress distribution and deformation ruleof thewholepier structure under different loadings.The resultsshow that the loading and deformation ofmonorail fabricated bridge structuremeet the requirements of structure strength and functions，butpartial stress centralizes at near sections，especially that of pier top，pier coping，pier bottom and cap，so geometric change should be avoided in design，and constructional reinforcement should be strengthened in parts to prevent the concrete cracking near sections.

monorail fabricated bridge pier；loading and deformation；finiteelementmodels；ANSYS

U 446

A

1671-9107（2015）10-0035-03

2015-06-04

馬虎（1979-），男，重慶人，碩士研究生，高級工程師，主要從事橋梁隧道、軌道交通和工程管理。