1、文章编号：1009 444X（2023）01 0076 07V 形支撑 0 号块有限元仿真研究唐杨1，王国炜2，刘新3，王大为4，亓兴军5（1.五峰土家族自治县农村公路管理所,宜昌 443413；2.济南金衢公路勘察设计研究有限公司,济南 250101；3.中南安全环境技术研究院股份有限公司,武汉 430051；4.温州市交通规划设计研究院,温州 325000；5.山东建筑大学 交通工程学院,济南 250101）摘要：以某 V 形支撑连续刚构桥为工程背景，对 V 形支撑 0 号块进行施工阶段分析和施工工况分析.计算分析得到如下结论：V 形支撑 0 号块在施工过程中的应力满足规范要求，其施工过程
2、中的受力特性可供设计和施工人员参考；V 形支撑 0 号块对顺桥向水平位移和竖向位移较为敏感，在施工过程中应该注意结构的位移监测；施工工况分析的结果与更为真实的施工阶段分析的结果存在一定差距，在实际的工程计算中应尽可能采用施工阶段分析.关键词：V 形支撑；0 号块；施工阶段分析；施工工况分析；有限元分析中图分类号：U445.1；TU375 文献标志码：AFinite element simulation on 0#Block with V-shaped supportTANGYang1，WANGGuowei2，LIUXin3，WANGDawei4，QIXingjun5（1.Countryside
3、 Highway Administration Bureau of Wufeng Tujia Autonomous County,Yichang 443413,China；2.Jinan JinquRoad Survey Design Research Co.,Ltd.,Jinan 250101,China；3.Central-Southern Safety&Environment Technology Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430051,China；4.Wenzhou Traffic Planning and Design Institute,Wenzhou 32
4、5000,China；5.School ofTransportation Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China）Abstract：With the V-shaped support continuous rigid frame bridge as the engineering background,the 0#block with V-shaped support was used for the construction stage analysis and construction working condi
5、tionanalysis.According to the analysis results,the following conclusions can be drawn:The stress of the 0#blockwith V-shaped support met the specification requirements during the construction process,and the stresscharacteristics during the construction process can be used for reference by designers
6、 and constructors.The 0#block with V-shaped support was more sensitive to horizontal displacement along the bridge and verticaldisplacement,and structural displacement monitoring should be paid attention to during the constructionprocess.There is a certain gap between the analysis results of the con
7、struction working condition analysis andthe more real analysis results of the construction stage,and the construction stage analysis is used as much aspossible in the calculation and analysis of the actual project.Key words：V-shaped support；0#block；construction stage analysis；construction working co
8、nditionanalysis；finite element analysis 收稿日期：2021 11 08基金项目：山 东 省 高 等 学 校 土 木 结 构 防 灾 减 灾 协 同 创 新 中 心 项 目 资 助（XTM201904）；山 东 省 交 通 运 输 厅 科 技 计 划 项 目 资 助（2020B69）作者简介：唐杨（1992），男，硕士，研究方向为桥梁结构理论.E-mail：通信作者：王国炜（1978），男，正高级工程师，本科，研究方向为道路勘察设计研究.E-mail： 第 37 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol.37 No.12023 年 3 月
9、JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar.2023V 形支撑结构桥梁具有结构受力合理、造型美观、造价经济的特点，受到桥梁工程界的广泛关注1.V 形支撑 0 号块结构复杂、施工工序繁多、空间受力明显，引起专家学者的深入研究.目前，V 形支撑 0 号块的研究主要集中在 3 个方面：施工过程中的结构受力仿真分析、成桥后的结构受力仿真分析2和结构参数对 V 形支撑结构的受力影响分析3.在 V 形支撑结构桥梁的施工过程分析方面，以对 V 形支撑 0 号块施工完成后的工况分析4居多，而对具体施工过程分析的较少5.主要有两种分析思路：一
10、是对某一工况进行线性静力分析，如悬臂最大弯矩工况、最大支反力工况、合龙工况以及二期恒载工况等6 8，多采用梁单元建立杆系有限元模型，利用圣维南原理在实体有限元模型上添加边界条件和荷载；二是采用施工全过程的仿真模拟，多采用 Midas Civil 和ANSYS 有限元分析软件，Midas Civil 利用梁单元在施工过程的模拟方面较为方便，但无法精确分析出细部构造的应力水平，虽然采用 ANSYS 建立实 体 单 元 模 型 进 行 分 析 更 为 精 确，但 利 用ANSYS 生死单元技术9 10建模费时费力.综合来看，V 形支撑 0 号块均有采用以上两种分析思路，但针对两种分析思路对比研究的较
11、少.本研究以某桥的 V 形支撑 0 号块为工程背景，分别采用两种分析思路进行结构计算，对 V 形支撑 0 号块的受力行为进行分析，同时对比分析两种分析思路对计算结果的影响.1 工程概况某桥的 V 形支撑 0 号块顺桥向长 23.5 m，墩底到 0 号 块 主 梁 的 顶 部 高 11.3 m，墩 底 宽 6.05 m，0 号块的宽度从 V 形支撑底部逐渐增大，V 形支撑顶部与主梁底部同宽为 8.05 m.V 形支撑内部均为实体，与上部的主梁形呈一个倒三角形，V 形支撑与主梁汇合区域的倒圆角半径为 0.5 m，V 形支撑根部的倒圆角半径为 2 m.V 形支撑与主梁汇合段存在 1.1 m 宽横梁，
12、横梁两侧箱体均为单箱单室构造，V 形支撑 0 号块具体结构尺寸如图 1所示.V 形支撑 0 号块采用 C50 混凝土，其容重为25 kN/m3，弹性模量为 34 500 MPa，抗拉强度标准值为 2.65 MPa，抗拉强度设计值为 1.83 MPa.V 形支撑在施工过程中设置两层临时预应力钢束，第1 层距离墩底3.5 m，共计5 束；第2 层距离墩底7.5 m，共计 7 束.临时预应力束采用 15.219 型钢绞线，抗拉强度标准值为 1 860 MPa，弹性模量为 195 GPa，公称直径为 15.20 mm.2 仿真分析思路仿真分析采用 Midas FEA 细部分析有限元软件.计算分析中的单
13、位制采用 N、mm、MPa，坐标系中 X 向为桥梁顺桥向，Y 向为横桥向，Z 向为竖向.2.1 施工阶段分析思路施工阶段分析中，需要对各混凝土构件分别划分网格，按施工顺序逐渐激活新的混凝土构件，激活、钝化不同的边界组和荷载组，实现施工过程仿真.混凝土采用 3D 实体单元模拟，在结构的圆弧倒角位置加密网格，体外预应力采用仅受拉桁架单元模拟.混凝土各构件之间节点耦合，V 形支撑的网格划分时采用内部线功能将临时预应力束的桁架单元与 V 形支撑的实体单元共节点.由于V 形支撑 0 号块的结构复杂，映射网格划分技术无法实现，仅能采用自由网格划分技术，通过在倒圆角等局部位置加密网格保证分析精度，有限元单元
14、采用四面体单元，单元共计 437 762 个，MidasFEA 有限元模型如图 2 所示.图 2 有限元模型Fig.2 Finite element model 44316030090110901 17090110903002 350192502566019040R50R200R50700160R100R100700R500R500903090261 130874单位:cm图 1 V 形支撑结构图Fig.1 Diagram of V-shaped support structure第 1 期唐杨 等：V 形支撑 0 号块有限元仿真研究 77 在边界条件上，主要有 V 形支撑的底部支架、横梁底部
15、的钢管桩临时支墩、倒三角区域的支架以及墩底边界.由于 V 形支撑的底部支架采用由下至上的钢管桩、贝雷梁、碗扣式支架结构形式，建模中 V 形支撑及外侧箱梁下面的支架采用连接单元中的只受压点弹簧模拟，其点弹簧刚度设置为 4104 kN/m.在横梁底部采用钢管桩作为临时支 墩，其 刚 度 较 大，其 弹 簧 刚 度 设 置 为 1106kN/m.弹簧刚度大小根据施工前的预压荷载试验确定，预压荷载根据对应箱梁向下投影的质量确定.在预压前后采用水准仪测定支架的沉降值，扣除支架的非弹性变形，得到支架的弹性变形量，由预压块的质量估计得到弹簧刚度.倒三角区域的支架采用只受压桁架单元模拟，为避免桁架单元与实体单
16、元节点耦合造成应力集中，采用连接单元中的刚性连接将桁架单元的端节点与附近的较多实体单元的节点连接，同时对墩底固结处理.荷载主要有结构自重和临时预应力束的张拉力.自重系数 Z=1，张拉力采用荷载中的预应力模拟.以上边界条件和荷载需要根据激活和钝化的先后次序定义为不同的边界组与荷载组.V 形支撑 0 号块的施工过程仿真划分为 6 个施工阶段.第一施工阶段为浇筑 V 形支撑，激活自重荷载组和 V 形支撑下面的支架、临时支墩边界组、墩底固结边界组；第二施工阶段为第 1 次张拉临时预应力束，待 V 形支撑的混凝土强度达到90%以上时施加张拉力，第 1 层临时预应力束的张拉力均为 300 kN，第 2 层临时预应力束的张拉力均为 150 kN，此施工阶段需要激活第 1 次临时预应力束张拉力荷载组；第三施工阶段为浇筑 V 形支撑顶部的横梁以及两侧的箱梁，由 V 形支撑横梁向外侧浇筑 3.9 m，向内侧浇筑 5.75 m，中间预留 2 m 长的箱梁作为合龙段，此施工阶段需要激活 V 形支撑外侧箱梁下面的支架边界组和 V 形支撑内侧倒三角区内箱梁与支架单元的连接边界组；第四施工阶段为第 2 次张拉临时预
