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摘要：为全面掌握零号块的三维应力状态，本文以大坑河大桥为研究对象，利用MIDAS-CIVIL建立全桥杆系模型，分析得到了三种最不利工况下的内力组合；并结合非线性及细部分析软件MIDAS-FEA对零号块在三种工况下的应力进行了仿真分析，考虑零号块在复杂受力状态下顶板、底板及腹板的应力分布情况与特点。同时检验了设计的安全性与合理性，提出了改善零号块部位应力的措施和方法，为设计和施工提供了科学的依据。
关键词：零号块；局部应力；连续刚构
1 概述
大坑河大桥跨径组成为2×30+65+120+65+30m，全长340m。引桥为两跨预应力混凝土连续梁桥，全桥采用预应力混凝土刚构桥体系。大跨径预应力混凝土刚构桥的零号块，即墩梁固结部的结构构造和受力都非常复杂。若设计时处理不当，在施工过程中成桥后期使用中极易造成混凝土开裂[1，2]。因而为真实且全面掌握大坑河大桥墩梁固结部空间三维应力状况，验证设计的合理性与安全性。本为以大坑河大桥为研究背景，采用空间杆系有限元软件MIDAS-CIVIL建立全桥整体模型，并采用MIDAS- FEA非线性分析与详细分析软件建立零号块局部实体模型。对大坑河大桥零号块墩梁结合部进行仿真分析，研究墩梁固结部位的受力特性及其应力空间分布规律，对结构的安全可靠性具有重要意义。
2 空间有限元模型建立
2.1 计算范围的确定
根据圣维南原理，对于局部分析，在端部施加内力会对端部附近的应力分析产生影响，但是只要加力的方式是静力等效的，这种影响的范围会很小且只在结构的横向尺寸范围内。在离外力作用区域较远处内力不会产生影响。所以零号块的应力分布只与其附近区域的应力状态有关，而远离零号块的应力状态对零号块的应力分布影响很小且可以忽略不计[5]。故本文将箱梁的零号块相邻的两个1、2号块及部分双肢薄壁墩构成的空间实体作为研究对象，其应力分析的精度满足工程要求。
2.2 有限元模型单元的确定
混凝土和预应力钢束分别采用实体单元和钢筋单元模拟。实体单元采用四面体单元，预应力钢束采用实体网格内植入式钢筋模式，即预应力钢束网格节点自行与相邻的箱梁网格节点相耦合。在实体模型端部截面质心部位建立主节点，以端部截面上其他受力节点为从节点，建立主节点与相应截面从节点之间的刚性体连接[6]。模型共划分单元28638个，节点35774个。X为顺桥向坐标，Y为竖向坐标，Z为横桥向坐标。零号块计算模型如图3和图4：
2.3 计算模型假定及荷载处理
（1）将箱梁与薄壁墩结构视为均质弹性体，以杨氏弹性模量与泊松比表示结构的材料特性。
（2）实体模型中的荷载取自空间杆系模型分析的结果。
2.4 边界条件确定
本模型的边界条件为箱梁体与双肢薄壁墩固结。两端悬臂断面假定为平截面变形，以刚性域的方法形成，并在此断面处施加杆系模型中提取的荷载结果。
2.5 荷载及荷载工况确定
零号块的计算荷载考虑了由杆系模型中得到的截面内力以及结构的自重、二期、0-2号块的三向预应力作用。根据在不同工况下影响线的位置施加汽车荷载，最后根据静力等效原则施加到实体模型中，轴力以均布荷载的方式施加到断面上，剪力均分到断面的各节点上，以集中力的形式施加，弯矩则等代为平衡力作用于箱梁顶板上[3]。由杆系模型的整体分析知将进行以下3个工况的计算：
工况一：施工阶段最大悬臂时状态
工况二：使用阶段最不利剪力效应组合
工况三：使用阶段最不利弯矩效应组合
各工况荷载取值如表1所示。
3 有限元计算结果及分析
通过有限元仿真分析，可以得到墩梁结合部中任意一点在3种工况下的应力状况。本文将从正应力和主应力的角度来分析零号块墩梁结合部位的空间应力状况，各工况下零号块应力分布计算结果如表2所示（表格中应力值拉为正，反之为负）。受篇幅限制，本文仅给出施工阶段最大悬臂状况应力分布云图。如图5-8所示。
由以上各工况下应力计算结果表格知，在使用阶段最不利弯矩效应组合工况下零号块墩梁固结不韪的最大主拉应力为1.2MPa，最大主压应力为15.8MPa。在三种工况下绝大部分区域的主应力均较小，满足规范要求[4]。只有个别节点的拉应力较大，最大主拉、主压应力均出现在横向预应力筋锚固的位置，这是横向预应力引起的应力集中现象。但在实际工程中结构钢束锚固处都有锚垫板从而避免了应力集中。在箱梁底面和桥墩顶面的倒角处出现了小范围的表面峰值应力，属于表面应力高度集中现象。
4 结论及建议
（1）从正应力与杆系模型的对比分析可知，在不考虑梁端应力集中现象，空间实体分析结果比杆系模型分析结果偏大，偏大值为0.1～1.1MPa，总的来说两者的符合程度还是很好的，充分说明实体模型简化方法及加载方式是合理的。
（2）在墩梁结合部结构总体受力合理，除预应力筋锚固位置存在应力集中现象。建议加强应力分布措施，降低集中程度，以避免长期作用产生裂缝，降低结构的使用性能。
（3）箱梁底面和桥墩顶面的倒角处出现表面应力集中现象，建议施工时将这些倒角做得平滑圆顺，以避免尖角出现。
（4）鉴于此类桥梁的零号块区域在后期使用中带裂缝工作，建议在此区域采用钢纤维混凝土作为抗裂加强措施。
参考文献：
[1]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001，上册.
[2]杨昀，周列茅，周勇军.弯桥与高墩[M].北京：人民交通出版社，2011.
[3]桥梁工程软件midas civil应用工程实例[M].北京：人民交通出版社，2011.
[4]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范.
[5]韩友续.三滩黄河大桥0#块空间应力分析.公路交通科技，2005（9）.
[6]王立峰，王子强，张岩，袁崇伟.高墩大跨连续刚构桥0#块空间应力分析.中外公路，2013（4）.
关键词：零号块；局部应力；连续刚构
1 概述
大坑河大桥跨径组成为2×30+65+120+65+30m，全长340m。引桥为两跨预应力混凝土连续梁桥，全桥采用预应力混凝土刚构桥体系。大跨径预应力混凝土刚构桥的零号块，即墩梁固结部的结构构造和受力都非常复杂。若设计时处理不当，在施工过程中成桥后期使用中极易造成混凝土开裂[1，2]。因而为真实且全面掌握大坑河大桥墩梁固结部空间三维应力状况，验证设计的合理性与安全性。本为以大坑河大桥为研究背景，采用空间杆系有限元软件MIDAS-CIVIL建立全桥整体模型，并采用MIDAS- FEA非线性分析与详细分析软件建立零号块局部实体模型。对大坑河大桥零号块墩梁结合部进行仿真分析，研究墩梁固结部位的受力特性及其应力空间分布规律，对结构的安全可靠性具有重要意义。
2 空间有限元模型建立
2.1 计算范围的确定
根据圣维南原理，对于局部分析，在端部施加内力会对端部附近的应力分析产生影响，但是只要加力的方式是静力等效的，这种影响的范围会很小且只在结构的横向尺寸范围内。在离外力作用区域较远处内力不会产生影响。所以零号块的应力分布只与其附近区域的应力状态有关，而远离零号块的应力状态对零号块的应力分布影响很小且可以忽略不计[5]。故本文将箱梁的零号块相邻的两个1、2号块及部分双肢薄壁墩构成的空间实体作为研究对象，其应力分析的精度满足工程要求。
2.2 有限元模型单元的确定
混凝土和预应力钢束分别采用实体单元和钢筋单元模拟。实体单元采用四面体单元，预应力钢束采用实体网格内植入式钢筋模式，即预应力钢束网格节点自行与相邻的箱梁网格节点相耦合。在实体模型端部截面质心部位建立主节点，以端部截面上其他受力节点为从节点，建立主节点与相应截面从节点之间的刚性体连接[6]。模型共划分单元28638个，节点35774个。X为顺桥向坐标，Y为竖向坐标，Z为横桥向坐标。零号块计算模型如图3和图4：
2.3 计算模型假定及荷载处理
（1）将箱梁与薄壁墩结构视为均质弹性体，以杨氏弹性模量与泊松比表示结构的材料特性。
（2）实体模型中的荷载取自空间杆系模型分析的结果。
2.4 边界条件确定
本模型的边界条件为箱梁体与双肢薄壁墩固结。两端悬臂断面假定为平截面变形，以刚性域的方法形成，并在此断面处施加杆系模型中提取的荷载结果。
2.5 荷载及荷载工况确定
零号块的计算荷载考虑了由杆系模型中得到的截面内力以及结构的自重、二期、0-2号块的三向预应力作用。根据在不同工况下影响线的位置施加汽车荷载，最后根据静力等效原则施加到实体模型中，轴力以均布荷载的方式施加到断面上，剪力均分到断面的各节点上，以集中力的形式施加，弯矩则等代为平衡力作用于箱梁顶板上[3]。由杆系模型的整体分析知将进行以下3个工况的计算：
工况一：施工阶段最大悬臂时状态
工况二：使用阶段最不利剪力效应组合
工况三：使用阶段最不利弯矩效应组合
各工况荷载取值如表1所示。
3 有限元计算结果及分析
通过有限元仿真分析，可以得到墩梁结合部中任意一点在3种工况下的应力状况。本文将从正应力和主应力的角度来分析零号块墩梁结合部位的空间应力状况，各工况下零号块应力分布计算结果如表2所示（表格中应力值拉为正，反之为负）。受篇幅限制，本文仅给出施工阶段最大悬臂状况应力分布云图。如图5-8所示。
由以上各工况下应力计算结果表格知，在使用阶段最不利弯矩效应组合工况下零号块墩梁固结不韪的最大主拉应力为1.2MPa，最大主压应力为15.8MPa。在三种工况下绝大部分区域的主应力均较小，满足规范要求[4]。只有个别节点的拉应力较大，最大主拉、主压应力均出现在横向预应力筋锚固的位置，这是横向预应力引起的应力集中现象。但在实际工程中结构钢束锚固处都有锚垫板从而避免了应力集中。在箱梁底面和桥墩顶面的倒角处出现了小范围的表面峰值应力，属于表面应力高度集中现象。
4 结论及建议
（1）从正应力与杆系模型的对比分析可知，在不考虑梁端应力集中现象，空间实体分析结果比杆系模型分析结果偏大，偏大值为0.1～1.1MPa，总的来说两者的符合程度还是很好的，充分说明实体模型简化方法及加载方式是合理的。
（2）在墩梁结合部结构总体受力合理，除预应力筋锚固位置存在应力集中现象。建议加强应力分布措施，降低集中程度，以避免长期作用产生裂缝，降低结构的使用性能。
（3）箱梁底面和桥墩顶面的倒角处出现表面应力集中现象，建议施工时将这些倒角做得平滑圆顺，以避免尖角出现。
（4）鉴于此类桥梁的零号块区域在后期使用中带裂缝工作，建议在此区域采用钢纤维混凝土作为抗裂加强措施。
参考文献：
[1]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001，上册.
[2]杨昀，周列茅，周勇军.弯桥与高墩[M].北京：人民交通出版社，2011.
[3]桥梁工程软件midas civil应用工程实例[M].北京：人民交通出版社，2011.
[4]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范.
[5]韩友续.三滩黄河大桥0#块空间应力分析.公路交通科技，2005（9）.
[6]王立峰，王子强，张岩，袁崇伟.高墩大跨连续刚构桥0#块空间应力分析.中外公路，2013（4）.