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摘要：结合主跨60m某预应力混凝土V型墩刚构桥设计，对V形区进行局部建模，分析其应力分布趋势，对类似工程设计具有指导意义。
关键词：V型墩刚构桥；V形区；应力分布
0.前言
V型墩连续刚构桥具有造型活泼、美观、富有动感的特点，桥梁景观效果较好，已成为国内外目前比较流行的一种桥型。同类桥型比较典型的有：勒阿弗尔运河桥、长沙湘江南大桥、广西桂林雉山漓江大桥等。
1.V型墩受力特点
V型墩连续刚构桥之所以发展成为一种单独的桥梁结构体系，在于它区别于其他类型桥梁所独有的结构外形、受力形式、预应力钢筋布设方法和墩柱材料的选择、施工方法等方面的特点，在桥梁建设中得到广泛应用。与其他形式的桥梁相比，具有以下优点：由于采用V型墩，与同跨径竖直墩的连续梁桥或刚构桥相比，主梁的计算跨径减少，降低主梁弯矩，提升跨越能力；因减少了主梁的建筑高度，降低工程造价；可采用多种施工方法，有悬臂法、劲性骨架、平衡架和满堂支架法等。但V型墩会存在大偏心受力，结构超静定次数比较多，受力复杂，历来是学术届和工程届关注的重点。为了分析掌握V形区的力学结构行为，可以采用数值模拟手段对这一问题进行研究。
2.工程背景
研究对象主桥上部结构采用(40+60+40)m三跨预应力混凝土变截面V型墩刚构桥，单幅桥宽13.99m，箱梁采用C50混凝土，截面形式为单箱双室直腹板截面，两侧翼缘板悬臂宽3.0m。箱梁根部梁高H=2.8m，中跨跨中及边跨端部梁高H=1.8m，箱梁底板、梁高采用圆曲线变化，半径为253.63m，顶板设置单向2%横坡，底板水平，腹板铅直，主墩斜腿部分采用混凝土强度等级为C50的矩形截面，截面尺寸为1.3m×8m，与主墩竖直中心线分别成40°倾斜，形成V型构造。跨中箱截面图及V墩一般构造图如图1及图2所示。主桥箱梁纵向预应力及主墩斜腿预应力钢绞线采用15-s15.2、12-s15.2及9-s15.2规格的钢铰线束及OVM锚固体系，钢绞线抗拉强度标准值1860MPa。钢束张拉锚下控制应力采用1339.2MPa。预应力管道采用配套金属波纹管，真空压浆。
考虑施工方便，V型墩采用工字钢外包混凝土的钢骨混凝土结构，均采用Q235B钢材，通过20a和14号工字钢焊接成型。V撑截面上、下边缘各布置一排20a工字钢，每排共计8根，每隔150cm通过14号工字钢相连接，工字钢之间采用角焊缝。如图3所示。
3.V墩节段的局部应力分析
在解决力学问题时，常常将要分析的物体从相关体系中隔离出来，作为研究对象，只分析该研究对象以外的物体对该对象的作用力，不考虑研究对象对其他物体的作用力，即隔离法。在局部应力分析中，一般采用隔离法并结合圣维南原理对研究对象进行局部分析。
3.1V墩局部建模原则
做局部分析前，采用MidasCivil建立全桥模型，为节省篇幅，本文不重点介绍全桥分析过程。为了得到更加精确的V型墩应力结果，根据全桥施工过程分析所得的内力数据，提取隔离体内力，用Ansys进行局部应力分析，。建模思路为：
（1）提取Midas模型的43截面I端，64截面J端，85截面J端的所有轴力，剪力，弯矩与扭矩；
（2）桥面，斜腿与墩部分用solid185单元建立，并划分网格；
（3）隔离体内部预应力钢筋用link8单元建立，隔离体外部以及穿过隔离体的预应力钢筋以荷载形式作用在隔离体截面上；
（4）V墩区域的劲性骨架采用beam4单元建立；
（5）边界条件为约束墩底四个角点的X，Y，Z三个方向的位移。
通过对上述建模思路分析，可以发现隔离体处于自平衡状态。局部模型一共包括167725
个节点和148408个单元，如图4。
3.2计算工况
本次Ansys建模共涉及6种组合，分别为：
（1）频遇组合3：1.0×恒载+0.7×汽车荷载+0.4×人群荷载+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降；
（2）频遇组合4：1.0×恒载+0.7×汽车荷载+0.4×人群荷载+1.0×整体升温+0.8×温度梯度升温+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降；
（3）频遇组合5：1.0×恒载+0.7×汽车荷载+0.4×人群荷载+1.0×整体降温+0.8×温度梯度降温+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降；
（4）频遇组合6：1.0×恒载+0.7×汽车荷载+0.4×人群荷载+1.0×整体升温+0.8×温度梯度降温+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降；
（5）频遇组合7：1.0×恒载+0.7×汽车荷载+0.4×人群荷载+1.0×整体降温+0.8×温度梯度升温+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降；
（6）十年收缩徐变：1.0×恒载+1.0×钢束一次+1.0×钢束二次+1.0×支座沉降作用下
10年的桥梁收缩徐变。
3.3选用强度理论
应力是受力杆件某一截面上的某一点处的内力集度，主平面上的正应力称为主应力。一般情况下，最大主应力，通常包括了第一主应力和第三主应力，即主应力的最大值和最小值。最大主应力也叫第一主应力，最小主应力的叫第三主应力。
我们分析后查看应力，目的就是在于确定该结构的承载能力是否足够。三维实体结构中，应力分布要复杂得多，不能仅用单一方向上的应力来代表结构此处的确切应力值，于是就出现了材料力学中的四种强度理论学说。1）第一强度理论：最大拉应力强度理论。2）第二强度理论：最大拉应变理论。3）第三强度理论：最大切应力理论。4）第四强度理论：畸变能理论。ANSYS后处理中应力查看：1）平面结构，查看某方向应力；2）实体脆性结构，如混凝土、岩石、铸铁等，根据第一、第二强度理论，查看项目为第一主应力或等效应力；3）塑形较强的实体结构，根据第三、第四强度理论，查看项目为应力强度(stressintensity）或VonMisses应力；
总的来说，宗旨就是把各项分布的应力，换算成单向应力，与规范规定的容许应力进行比较。本文选取第一强度理论提取第一主应力及第三主应力对构件进行分析。
3.4计算结果
Ansys软件呈现的数据主要为梁顶面、底面的整体坐标系下X向应力，Y向应力，第一主应力和第三主应力，以及在局部坐标系下的斜腿的X向应力，第一主应力和第三主应力。斜腿局部坐标系顺斜腿向为X轴，垂直X轴为Y轴，Z轴根据右手螺旋法则确定。
根据圣维南原理，为减小应力集中对结果分析带来的影响，并且考虑充分体现第一施工阶段的结果，提取所建模型中受应力集中影响较小的V墩中心左右侧13m范围以内的梁体、斜腿与墩座作为研究对象。
图5、6所示为分别Ansys模型的恒载、升温、十年收缩徐变工况下局部模型的应力云图及斜腿曲线部分应力云图，均为第三主应力，在预应力作用下表现为压应力。
4.结论
由6种组合下模型应力云图可知，模型最大压应力约为17MPa，大于17MPa的压应力均由应力集中引起，拉应力同样均由应力集中引起，最大主拉应力大约为5MPa，主要分布在桥墩墩底的四个角点处。
（1）由斜腿三维图可得出：①、斜腿曲线部分第一主应力在-1MPa～3.5MPa范围内，第三主应力在-10MPa～0MPa范围内，斜腿与梁底接触部分有应力集中现象；
（2）斜腿直线部分的X向应力约在0MPa～-8MPa范围内，并且通过对比Ansys有劲性骨架模型与无劲性骨架模型，可知有劲性骨架模型的斜腿X向压应力略小于无劲性骨架模型下的斜腿X向压应力，应力相差在1MPa左右，可作为结构受力的安全储备，施工期间作为辅助措施。Ansys斜腿直线部分应力与Midas斜腿应力对比可知：应力变化趋势都相同，应力值存在部分差别，平均相差1MPa，主要由于应力集中引起。
（3）施工期间温度变化产生应力在2MPa左右，运营期间收缩、徐变产生应力也在2MPa左右，影响比较显著。
（4）本文结合工程实例，通过整体二维模型及局部实体模型对V墩局部应力进行了分析，对V墩设计有一定指导和帮助意义。而实际因V型墩连续刚构为超静定结构，桥梁的整体水平刚度相对较大，在混凝土收缩徐变、温度作用以及墩台不均匀沉降作用下，V墩承台底面将承受竖向压力、水平推力和弯矩，因此V型墩下部结构基础受力分析仍需进一步探究及验证。
（5）建议在部分应力集中区域增加钢筋，做好防裂及混凝土局部破坏的防止措施。
参考文献
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