林鑫鑫

摘要：異形墩的墩身應力集中區(qū)和危險截面的應力分布狀態(tài)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(jié)，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(guān)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(shè)及城市軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，交通建設(shè)和工程建設(shè)對質(zhì)量、藝術(shù)的追求不斷提高，為了增強工程建設(shè)與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，越來越多的新型結(jié)構(gòu)被設(shè)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(jié)構(gòu)將為解決這一問題提供全新的理念和發(fā)展方向。近年來橋梁建設(shè)出現(xiàn)上許多新式組合結(jié)構(gòu)，諸如變寬度、變坡度、變曲率的異形結(jié)構(gòu)等。目前該類橋梁的設(shè)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(fā)展的展望，通過對異形橋梁墩身結(jié)構(gòu)的初步研究有助于發(fā)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(jié)段拼裝簡支梁，單孔11段拼裝，兩端部為各1節(jié)①號梁段，重174.3t；緊靠①號梁段也是兩端布置各1節(jié)③號梁段，重138.3t；中間均勻布置7節(jié)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(zhuǎn)35°設(shè)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(zhuǎn)一定角度后，對稱軸與基礎(chǔ)、墩帽便不再同一位置?；A(chǔ)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(jié)構(gòu)。墩身總高度39.5m，支承墊石+支座總高度按60cm設(shè)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(jù)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(chuàng)建流水坡。簡化后的模型主要包括基礎(chǔ)、墩身、墩帽和支撐墊石四部分。根據(jù)椒溪河特大橋異形墩的結(jié)構(gòu)特點，墩身截面形式及分析問題的關(guān)鍵，利用結(jié)構(gòu)數(shù)值分析軟件ANSYS進行建模分析，采用3D實體8節(jié)點等參元Solid65模擬混凝土。模型參數(shù)的選?。夯A(chǔ)、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(wǎng)格劃分控制。橋墩基礎(chǔ)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(chǔ)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(tài)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(jù)計算理論和結(jié)構(gòu)簡化理論，對墩身的約束條件作此簡化不影響其計算結(jié)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(jù)高速鐵路設(shè)計規(guī)范要求，雙線都應滿布荷載，當雙線對稱布置時所產(chǎn)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(jié)果分析

4.1 單孔輕載 單孔輕載荷載組合工況下ANSYS計算結(jié)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(xiàn)在墩帽XY平面的第三象限倒角處；最大壓應力7.39MPa，出現(xiàn)在有列車活載作用的支座墊石上；兩支座墊石出現(xiàn)壓應力集中區(qū)，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(qū)，最大壓應力達7.39MPa，出現(xiàn)在墩身XY平面的負Y向局部區(qū)域；墩身底部第三象限區(qū)域壓應力數(shù)值由內(nèi)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(xiàn)在墩帽部分達-6.4mm，自上而下位移逐漸減小，基礎(chǔ)至墩身1/4處位移值達0.014mm。Y向位移最大出現(xiàn)在墩身上部墩帽以下1/4的區(qū)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(chǔ)和墩底局部小區(qū)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(chǔ)及墩身底部部分區(qū)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(qū)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(xiàn)部位與單孔輕載一樣，但基礎(chǔ)部分在X軸負向的棱邊上有局部最大拉應力出現(xiàn)；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(qū)，墩底應力集中區(qū)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(shù)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(chǔ)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(chǔ)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(xiàn)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(chǔ)向墩頂位移變化量逐漸減小，最大位移出現(xiàn)在固定支座及與之相鄰的墩帽部分處，位移值達-3.5mm；基礎(chǔ)和墩底位移值最小達-0.39mm。

5 總結(jié)

異形墩結(jié)構(gòu)是近幾年出現(xiàn)的新型橋梁結(jié)構(gòu)，它的出現(xiàn)改善了墩身結(jié)構(gòu)的受力性能，促進橋梁結(jié)構(gòu)向著設(shè)計新穎、合理經(jīng)濟等方面發(fā)展，同時異形墩結(jié)構(gòu)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(shè)中具有較高的實用價值和競爭力。按照本文的研究結(jié)果，橋墩結(jié)算結(jié)果受力分析主要關(guān)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(jié)構(gòu)的荷載，可以看做是受壓構(gòu)件，可以利用本文的模型分析其中最大、最小，應力集中區(qū)和危險截面的應力，也重點關(guān)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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