设计新颖、合理经济等方面发展，采用通用有限元程序ANSYS对西成客运专线椒溪河特大桥异形墩进行实体有限元分析，考虑恒载和活载的作用下，分析得到异形墩墩身应力分布状态，拓展了异形桥墩的使用范围，为实际的施工过程提供一定的指导建议。
Abstract： Irregular pier structure is a new type of bridge structure emerging in recent years， which has improved the mechanical performance of the structure， and promoted the bridge structure towards novel design， reasonable and economic development. This paper uses the general finite element program ANSYS for the finite element analysis of the Jiaoxi River grand bridge irregular pier of Xicheng passenger dedicated line. Considering the action of dead load and live load， the stress distribution state of the irregular pier is analyzed， thus expanding the use of irregular pier， and providing certain guidance for the actual construction process.
关键词：铁路；异形墩；有限元；结构分析
Key words： railway；irregular pier；finite element；structure analysis
中图分类号：U443.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）16-0146-02
0 引言
当前，桥梁建设技术发展迅速，这种发展和进步不仅体现在上部结构的造型新颖方面，而且下部结构也正向着轻型化、结构合理化方向发展。同时，铁路的重载化、高速化等也一直是铁路桥梁研究的关键领域。桥梁墩台的主要作用是承受上部结构的荷载，并通过基础将此荷载及其本身的自重传至地基上，因此，桥梁墩台本身不仅应具有足够的强度、刚度和稳定性，而且还必须满足适用性、与环境相协调等要求。与一般桥梁不同的是这类桥梁墩台的设计和组合形式多变，对于X型、Y型墩也只能采用半理论半经验的方法，研究尚未形成系统理论，考虑到今后对异形墩台发展的展望，通过对异形桥梁墩台的初步研究有助于发展其理论方法和研究模式。异形墩的研究主要集中在静力学行为的理论计算方法、模型试验等方面，而异形墩方面研究较多的是V型和Y型墩，墩身扭转的异形墩结构计算实例是非常少的。本文以西成客专椒溪河大桥异形墩为依托工程，其墩身沿线路中心线扭转35°设计，通过利用ANSYS模拟桥墩整体结构，计算墩身在恒载以及各荷载组合工况下的应力分布状况。为相关研究提供借鉴。
1 工程概况
椒溪河特大桥跨径40.8m，桥梁上部采用节段拼装简支梁，单孔11段拼装，两端部为各1节①号梁段，重174.3t；紧靠①号梁段也是两端布置各1节③号梁段，重138.3t；中间均匀布置7节⑤号梁段，重113.8t，板面采用双线无砟轨道。桥梁下部墩身沿线路中心线扭转35°设计，顶帽及托盘采用C35钢筋混凝土，墩身采用C35混凝土，支承垫石采用C50钢筋混凝土。桥墩立面图具体尺寸如图1所示。
2 有限元模型简述
根据椒溪河特大桥异形墩的结构特点，墩身截面形式及分析问题的关键，利用结构数值分析软件ANSYS进行建模分析，采用3D实体8节点等参元Solid65模拟混凝土。采用了3D四面体单元形状和自由网格划分控制。并对墩身、墩帽进行了局部的精细划分针，异形墩有限元模型经上述网格划分控制后模型包括187151个单元，34886个节点。
模型参数的选取：①基础、墩身和墩帽采用C35混凝土，弹性模量3.15e10，泊松比0.2，密度2500kg/m3。②支承垫石采用C50钢筋混凝土，弹性模量3.45e10，泊松比0.2，密度2600kg/m3。
3 荷载组合及边界条件
影响异形墩的荷载主要是桥梁上部结构的自重、列车活载、风荷载和制动力，桥墩的静力学结构分析只考虑主力与一个方向的附加力荷载的组合，不考虑特殊荷载，考虑最不利情况下，桥梁依据双孔布置，依据铁路桥涵荷载设计规范，计算出双孔重载工况下异形墩承受的支反力和制动力。参照风压高度变化系数计算出墩身、列车及梁上的风荷载。其中恒载6250kN，ZK活载的两个支座反力为R1=1473kN，R2=1411.2kN。墩底采用完全固定端约束。
异形墩的计算荷载组合如下：①工况1：主力（自重+列车静活载）；②工况2：主力+横桥向附加力（风荷载）；③工况3：主力+顺桥向附加力（风荷载+制动力）。
荷载标准值如表1所示。
4 结果分析
在横向载荷情况下，应力云支座垫石和墩底附近出现压应力集中区，最大压应力达8.3MPa，整个墩身压应力由左向右减小，最小达0.2MPa，支座垫石压应力值8.3MPa～1.35MPa由中心向外变化。墩帽和基础绝大部分区域压应力值达0.2MPa。
在纵向荷载作用下，在第1主应力图中，只有异形墩支座垫石出现应力集中，其最大压应力值达3.2MPa，最小达0.4MPa；墩顶处于X坐标-1.6m～1.6m之间的区域出现拉应力，墩底中心处最大达1.9MPa，附近部分达0.16MPa；墩身受力表现为压应力数值达0.4MPa；墩底背风面局部小区域压应力达1.0MPa；基础上表面除墩底附近小部分外表现为拉应力数值达0.16MPa；基础其余部分为压应力数值达1.0MPa。
在Z向应力图中，墩底和支座垫石均有压应力集中，最大数值达7.78MP，墩底最小达0.6MPa，支座垫石附近最小达1.6MPa；墩身迎风面压应力值在2.45MPa～0.6MPa之间，大部分区域数值达2.45MPa；墩身背风面自上而下应力变化区间在4.2MPa～2.45MPa之间；墩帽和基础压应力达0.68MPa。
5 结论
异形墩结构是近几年出现的新型桥梁结构，它的出现改善了墩身结构的受力性能，促进桥梁结构向着设计新颖、合理经济等方面发展。本文利用大型有限元软件ANSYS对异形墩结构进行了模拟分析，结果发现无论是在横向风载还是在纵向风载和制动力的共同作用下，桥墩的支撑垫石以及墩底区域附近均出现了应力集中的现象，所以在实际施工过程中，对支撑垫石的施工可以采用更高标号的混凝土或者适当增加箍筋密度来提高抗压强度。在风荷载作用的影响下，墩身同一截面上，受风一侧比背风一侧压应力较小，从而受风面因风荷载作用下产生拉应力，在施工过程中还应在墩顶部分适当加强普通钢筋密度来提高抗拉强度。
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