马虎（重庆轨道交通（集团）有限公司，重庆　401120）

单轨装配式桥墩结构受力与变形分析

马虎
（重庆轨道交通（集团）有限公司，重庆401120）

对重庆市轨道交通单轨装配式桥墩结构进行空间有限元仿真分析，研究桥墩整体结构在单孔双行、双孔双行、单孔单行、双孔单行等荷载下的应力分布与变形规律。计算结果表明单轨装配式桥墩结构受力与变形满足结构强度和功能要求，但在节段线附近存在局部应力集中现象，特别是墩顶与盖梁、墩底与承台节段线附近，因此在设计上应避免结构几何形状突变，局部加强构造钢筋，防止节段线附近的混凝土开裂。

单轨装配式桥墩；受力与变形；有限元模型；ANSYS

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.035

0　引言

重庆是山城，为丘陵地理特点，故选择噪声低、爬坡能力强、转变半径小的跨座式单轨交通系统。目前大部分桥墩采用现浇，工艺成熟，但是施工、模板、设备资金支付周期长，控制难度大，环境破坏严重。受轻轨施工临时占道影响，多数道路行车道进行交通管制，导致严重的交通拥堵。而单轨装配式桥墩施工工期短，占地面积小，标准化施工，能够加快城市桥梁施工速度，缓解交通拥堵，确保交通安全畅通［1］。

1　单轨装配式桥墩结构有限元模型［2］

对重庆市轨道交通下部结构（图1）进行空间受力分析，确定桥墩整体结构在单孔双行、双孔双行、单孔单行、双孔单行等荷载下的应力分布，对结构强度进行验算。

图1　单轨装配式桥墩结构

图2　有限元模型

图3　So l i d65单元的实常数分布

利用大型商业有限元结构分析软件ANSYS12.0［3］对结构进行弹性、静力计算，有限元模型如图2，共划分节点25128个，单元59034个。混凝土强度等级C40，钢筋混凝土采用Solid65单元，根据配筋率的不同，将钢筋混凝土单元划分为对应8种不同的实常数类型（表1），不同实常数单元的分布见图3。预应力钢绞线采用Link8单元，截面积A=3992.1mm2，采用降温法对钢绞线施加预应力，张拉控制应力为1395MPa，取热膨胀系数α=1.2×10-5，那么

表1　Solid 65单元的实常数（钢筋体积率）

由于节段间胶拼材料的力学性能不低于混凝土，因此假定节段之间位移连续，节段线上下100mm范围内混凝土无配筋，单元实常数取Set5。基础深度取1m，预应力束直接固定于底部。位移约束施加于基础底部，三向约束均为0。由于有限元模型中荷载均施加于支座中心点，该处存在应力集中现象，真实荷载是以分布力的形式施加于支座和垫石上，因此对支座中心点的应力状态不做分析。

有限元计算工况包括：单孔双行、双孔双行、单孔单行、双孔单行，表2列出了各种工况下的支座受力情况，根据规范计算时主力组合安全系数取2.0，主力+附加组合安全系数取1.6。

表2　各种工况下的支座受力情况（单位：k N）

2　单轨装配式桥墩结构有限元计算结果

结构在自重、预应力钢绞线张拉及工况2荷载下，盖梁上部角偶处最大竖向位移为5.61mm，图4表示竖向应力σz的等值线分布，结构在竖直方向上整体受压，多数压应力为5～14MPa；在墩顶节段线附近由于存在几何形状突变，导致局部区域应力集中，角隅处压应力达22MPa，超过混凝土强度设计值［4］，因此在设计上应避免墩顶节段线附近结构几何形状突变，局部加强构造钢筋，防止混凝土开裂。

图4　竖向应力σz

结构在自重、预应力钢绞线张拉及工况6荷载下，盖梁上部角偶处最大竖向位移为8.38mm，图5表示竖向应力σz的等值线分布，结构在竖直方向上整体受压，多数压应力为1～17MPa；在桥墩底部节段线附近由于存在几何形状突变，导致局部区域应力集中，角隅处压应力达22MPa，超过混凝土强度设计值，因此在设计上应避免桥墩底部节段线附近结构几何形状突变，局部加强构造钢筋，防止混凝土开裂。

结构在自重、预应力钢绞线张拉及工况10荷载下，盖梁上部角偶处最大竖向位移为4.84mm，桥跨方向位移为2.71mm，横向位移为4.07mm，均在规范限值内。图6表示竖向应力σz的等值线分布，结构在竖直方向上整体受压，多数压应力为5～18MPa；在墩顶节段线附近由于存在几何形状突变，导致局部区域应力集中，角隅处压应力达20MPa，超过混凝土强度设计值。图7-图9表示剪切应力τxy、τyz、τzx的等值线分布，在桥墩底部、顶部节段线附近存在应力集中现象。

图5　竖向应力σz

图6　竖向应力σz

图7　剪切应力τxy

图8　剪切应力τyz

图9　剪切应力τz x

3　结论

通过大型商业有限元软件ANSYS数值仿真研究，对重庆市轨道交通单轨装配式桥墩结构进行了空间有限元仿真分析，结果表明：

（1）单轨装配式桥墩结构受力与变形满足结构强度与功能要求［5］，但在节段线附近发现不同程度的应力集中现象，特别是墩顶与盖梁、墩底与承台节段线附近，由于几何形状存在突变，导致局部存在应力集中，角隅处压应力达20MPa，超过混凝土强度设计值。

（2）结构薄弱部位在墩顶与盖梁、墩底与承台节段结合面附近，为了推广应用单轨装配式桥墩施工工艺［6］，需要解决结构薄弱部位的局部应力集中问题，因此在设计上应避免墩顶与盖梁、墩底与承台节段线附近结构几何形状突变，局部加强构造钢筋或布设防裂钢筋网，有条件的话可采用高强混凝土或纤维混凝土，解决局部应力集中问题。

［1］王根芳.关于重庆市轨道交通规划和近期重点建设项目的研考 ［J］.城市风：建设管理专刊，2003（3）：16-17.

［2］赖安静.装配式钢筋混凝土桥墩的力学性能分析［D］.沈阳：沈阳工业大学，2012.

［3］张朝晖.ANSYS 11.0结构分析工程应用实例解析［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］中交公路规划设计院.JTG D62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］交通部.JTGD60－2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］交通部.JTG/TF50－2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

责任编辑：孙苏

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

马虎（1979-），男，重庆人，硕士研究生，高级工程师，主要从事桥梁隧道、轨道交通和工程管理。