论文部分内容阅读
摘要：本文对某大桥的花瓶式桥墩受力特征进行分析，鉴于结构受力比较复杂，结合空间有限元模型和拉压杆模型分别就应力和裂缝计算分析，根据各自的计算结果。经比较，得出在结构设计和钢筋布置方面得到一些有价值的结论，供以后类似的设计和计算参考。
关键词：花瓶式桥墩空间有限元模型 拉压杆模型 计算分析
中图分类号：U443文献标识码： A
1 引言
随着科学技术水平的发展和人们对于美学欣赏的要求，桥梁结构形式日新月异，桥梁细部构造的创新已经成为目前桥梁建设人员探讨的问题。随着桥梁结构形式变化，其相关受力特性也随之发生了很大变化。花瓶式桥墩作为新结构形式在公路市政桥梁建设中得以广泛采用，但在其使用过程中也发现了一些墩身裂缝的问题，对于结构的承载能力和耐久性能产生直接影响。
2 概况
某桥跨径布置34+55+34m现浇变截面连续箱梁桥，断面全宽为16.5m，箱式悬臂长度为2.25m。箱梁变高，支座处梁高3.5m，跨中梁高2.2m。顶板厚度为0.28m，底板厚度为0.25m，支点范围腹板厚度为70cm，跨中范围腹板厚度45cm。箱梁悬臂端部厚度为20cm。其主墩为花瓶式桥墩，墩身为变截面的花瓶式，墩顶尺寸为5.7m×1.4m（横桥向×纵桥向），墩底尺寸为4.0m×1.4m（横桥向×纵桥向），墩高8.7m。墩底横桥向单侧配置22根直径32mm受力钢筋，纵向边单侧配置57根直径32mm受力钢筋，墩顶按配置有38根直径32mm的受拉钢筋。
3 主墩墩身验算
对于高墩的花瓶式桥墩，在相同荷载作用下，支座中心距离悬臂根部距离越大，它在悬臂根部产生的弯矩就越大，呈现 “大牛腿”效應，弯矩过大可导致墩顶混凝土产生裂缝和悬臂根部下缘混凝土压坏。对于支座中心线与墩身底部截面边缘距离不同值（边缘内20㎝、边缘齐平、边缘外20㎝），根据以前相关结构受力设计计算对比分析，支座中心线处于墩身底部截面边缘内20㎝，基本上消除了剪应力集中现象，应力等值线更加平缓，应力分布变得十分均匀，弯曲正应力得到降低，顺桥向支座中心线所在的竖直面内剪应力值相对较小。但对于三个不同支座中心线位置，结构都呈现出深梁受力特性。为了分析桥墩在荷载作用下的受力特性来验算桥墩钢筋布置的合理性，本文采用空间有限元程序和深梁拉压杆模型计算分析，根据结构应力分布进行分析优化。
3.1截面承载能力计算
主墩顺桥向水平力考虑混凝土收缩徐变、汽车制动力等，通过支座摩阻力的形式传递至墩顶，根据上部箱梁分析计算得到墩顶恒载力为23869KN，计算得墩顶支座摩阻力为1193KN，传递至墩底弯矩为10025KN·m，对应轴力为45712KN。经计算，Υ0Nd对应的抗力为112967KN，Υ0Nd*e对应的抗力为24775KN·m，截面承载能力满足要求，裂缝宽度计算值为0.088mm，满足要求。
3.2 主墩墩顶横向抗裂验算
主墩墩顶在支座反力作用下受力较为复杂，横桥向存在一定的劈裂效应。墩顶横向受力为空间效应，一般杆系有限元较难模拟，本文采用空间有限元程序MIDAS建立模型进行分析，得到了三维应力分布，并进行近似的配筋计算。随后运用拉压杆理论，对拉杆进行配筋设计。比较两种方法的配筋结果，给出了较为合理的配筋方式供设计参考。
3.2.1空间有限元模型计算
图1 空间有限元分析模型图
对主墩进行空间有限元分析，荷载考虑恒载和活载偏载的组合作用，其中汽车荷载按公路-I级设计，支座反力以均布力形式施加于墩顶，墩底采用固结边界，建立有限元模型见图1，应力图中应力单位均为MPa。
由于本次分析主要考察墩顶横桥向受力，因此仅列出横桥向正应力和主应力如图2-图7所示。根据未考虑普通钢筋的影响计算可知，墩顶最大横桥向应力为7.6Mpa(应力集中处除外)，而且墩顶较大范围内应力大于规范要求的C40混凝土抗拉设计强度1.65Mpa和抗拉标准强度2.40Mpa，墩顶混凝土会开裂，需要考虑普通钢筋的影响。
图2墩身外表面横桥向正应力图 图3墩身外表面断面主拉应力图
图4墩身中心断面横桥向正应力图 图5墩身中心断面主拉应力图
图6 纵向剖面横桥向正应力图 图7纵向剖面主拉应力图
从墩顶至墩底取一轨迹线，图8-图9显示该路径上各点的横桥向正应力和主拉应力。由图显示横桥向应力和主拉应力从墩顶最大值快速减少，距墩顶0.8m范围内较大，超出0.8m范围后应力基本小于1.0Mpa，小于混凝土抗拉强度设计值。可采用近似偏保守的方法对墩顶进行配筋，具体方法如下：取墩顶0.8m范围内实体，进行应力积分操作，得到轴力与弯矩，随后按偏心受拉构件进行配筋验算。
图8 外表面墩顶至墩底横向主拉应力轨迹线 图9 中心处墩顶至墩底横向主拉应力轨迹线
根据计算的等效轴力N=4387KN,M=582KN·m, 根据桥梁通软件计算得：设计墩顶配置38根直径32mm顶面钢筋，承载能力Nr=8557KN，裂缝宽度为0.144mm，可知墩顶承载能力和裂缝宽度均满足要求。
3.2.2 深梁拉压杆理论模型计算
深梁拉压杆理论模型如图10所示。根据《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20XX）（征求意见稿）及支座反力计算值，可以推算出拉杆设计轴力为Td=0.44Fd(2-b＇/e) =5844KN（标准值）。墩顶按配置有38根直径32mm的受拉钢筋，根据桥梁通软件计算可知Nr=9457KN>Td=5844KN，裂缝宽度为0.146mm＜0.15mm，可知墩顶承载能力和裂缝宽度均满足要求。
图10 桥墩深梁拉压杆理论横向受力简图
4结论
对于花瓶式桥墩，从空间有限元分析应力图中可知最大弯曲拉应力发生在墩顶，剪应力始终在弧线中心区域有集中现象。结构受力特性表现为深梁的受力特性，弧线段部位具有大牛腿构造的受力特性，而且其特性与支座中心线偏离墩底截面的程度有关，对于支座中心线位于墩底截面处以内的花瓶式桥墩，基本上消除了剪应力集中现象，应力等值线更加平缓，应力分布变得较均匀。
由空间有限元模型和深梁拉压杆理论模型计算可知，设计配置的墩顶钢筋时能使墩顶承载能力和裂缝宽度满足规范要求。通过两种模型方法的设计和比较，本文认为采用空间有限元模型更能反映实际受力特性，再根据计算结果来指导钢筋布置能得到较好的结果。拉压杆模型可供复核计算结果可供参考。
5 参考文献
［1］《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
［2］《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20XX）（征求意见稿）
［3］《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）
作者简介：王松林（1971-），高级工程师，从事道路桥梁工程设计。
关键词：花瓶式桥墩空间有限元模型 拉压杆模型 计算分析
中图分类号：U443文献标识码： A
1 引言
随着科学技术水平的发展和人们对于美学欣赏的要求，桥梁结构形式日新月异，桥梁细部构造的创新已经成为目前桥梁建设人员探讨的问题。随着桥梁结构形式变化，其相关受力特性也随之发生了很大变化。花瓶式桥墩作为新结构形式在公路市政桥梁建设中得以广泛采用，但在其使用过程中也发现了一些墩身裂缝的问题，对于结构的承载能力和耐久性能产生直接影响。
2 概况
某桥跨径布置34+55+34m现浇变截面连续箱梁桥，断面全宽为16.5m，箱式悬臂长度为2.25m。箱梁变高，支座处梁高3.5m，跨中梁高2.2m。顶板厚度为0.28m，底板厚度为0.25m，支点范围腹板厚度为70cm，跨中范围腹板厚度45cm。箱梁悬臂端部厚度为20cm。其主墩为花瓶式桥墩，墩身为变截面的花瓶式，墩顶尺寸为5.7m×1.4m（横桥向×纵桥向），墩底尺寸为4.0m×1.4m（横桥向×纵桥向），墩高8.7m。墩底横桥向单侧配置22根直径32mm受力钢筋，纵向边单侧配置57根直径32mm受力钢筋，墩顶按配置有38根直径32mm的受拉钢筋。
3 主墩墩身验算
对于高墩的花瓶式桥墩，在相同荷载作用下，支座中心距离悬臂根部距离越大，它在悬臂根部产生的弯矩就越大，呈现 “大牛腿”效應，弯矩过大可导致墩顶混凝土产生裂缝和悬臂根部下缘混凝土压坏。对于支座中心线与墩身底部截面边缘距离不同值（边缘内20㎝、边缘齐平、边缘外20㎝），根据以前相关结构受力设计计算对比分析，支座中心线处于墩身底部截面边缘内20㎝，基本上消除了剪应力集中现象，应力等值线更加平缓，应力分布变得十分均匀，弯曲正应力得到降低，顺桥向支座中心线所在的竖直面内剪应力值相对较小。但对于三个不同支座中心线位置，结构都呈现出深梁受力特性。为了分析桥墩在荷载作用下的受力特性来验算桥墩钢筋布置的合理性，本文采用空间有限元程序和深梁拉压杆模型计算分析，根据结构应力分布进行分析优化。
3.1截面承载能力计算
主墩顺桥向水平力考虑混凝土收缩徐变、汽车制动力等，通过支座摩阻力的形式传递至墩顶，根据上部箱梁分析计算得到墩顶恒载力为23869KN，计算得墩顶支座摩阻力为1193KN，传递至墩底弯矩为10025KN·m，对应轴力为45712KN。经计算，Υ0Nd对应的抗力为112967KN，Υ0Nd*e对应的抗力为24775KN·m，截面承载能力满足要求，裂缝宽度计算值为0.088mm，满足要求。
3.2 主墩墩顶横向抗裂验算
主墩墩顶在支座反力作用下受力较为复杂，横桥向存在一定的劈裂效应。墩顶横向受力为空间效应，一般杆系有限元较难模拟，本文采用空间有限元程序MIDAS建立模型进行分析，得到了三维应力分布，并进行近似的配筋计算。随后运用拉压杆理论，对拉杆进行配筋设计。比较两种方法的配筋结果，给出了较为合理的配筋方式供设计参考。
3.2.1空间有限元模型计算
图1 空间有限元分析模型图
对主墩进行空间有限元分析，荷载考虑恒载和活载偏载的组合作用，其中汽车荷载按公路-I级设计，支座反力以均布力形式施加于墩顶，墩底采用固结边界，建立有限元模型见图1，应力图中应力单位均为MPa。
由于本次分析主要考察墩顶横桥向受力，因此仅列出横桥向正应力和主应力如图2-图7所示。根据未考虑普通钢筋的影响计算可知，墩顶最大横桥向应力为7.6Mpa(应力集中处除外)，而且墩顶较大范围内应力大于规范要求的C40混凝土抗拉设计强度1.65Mpa和抗拉标准强度2.40Mpa，墩顶混凝土会开裂，需要考虑普通钢筋的影响。
图2墩身外表面横桥向正应力图 图3墩身外表面断面主拉应力图
图4墩身中心断面横桥向正应力图 图5墩身中心断面主拉应力图
图6 纵向剖面横桥向正应力图 图7纵向剖面主拉应力图
从墩顶至墩底取一轨迹线，图8-图9显示该路径上各点的横桥向正应力和主拉应力。由图显示横桥向应力和主拉应力从墩顶最大值快速减少，距墩顶0.8m范围内较大，超出0.8m范围后应力基本小于1.0Mpa，小于混凝土抗拉强度设计值。可采用近似偏保守的方法对墩顶进行配筋，具体方法如下：取墩顶0.8m范围内实体，进行应力积分操作，得到轴力与弯矩，随后按偏心受拉构件进行配筋验算。
图8 外表面墩顶至墩底横向主拉应力轨迹线 图9 中心处墩顶至墩底横向主拉应力轨迹线
根据计算的等效轴力N=4387KN,M=582KN·m, 根据桥梁通软件计算得：设计墩顶配置38根直径32mm顶面钢筋，承载能力Nr=8557KN，裂缝宽度为0.144mm，可知墩顶承载能力和裂缝宽度均满足要求。
3.2.2 深梁拉压杆理论模型计算
深梁拉压杆理论模型如图10所示。根据《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20XX）（征求意见稿）及支座反力计算值，可以推算出拉杆设计轴力为Td=0.44Fd(2-b＇/e) =5844KN（标准值）。墩顶按配置有38根直径32mm的受拉钢筋，根据桥梁通软件计算可知Nr=9457KN>Td=5844KN，裂缝宽度为0.146mm＜0.15mm，可知墩顶承载能力和裂缝宽度均满足要求。
图10 桥墩深梁拉压杆理论横向受力简图
4结论
对于花瓶式桥墩，从空间有限元分析应力图中可知最大弯曲拉应力发生在墩顶，剪应力始终在弧线中心区域有集中现象。结构受力特性表现为深梁的受力特性，弧线段部位具有大牛腿构造的受力特性，而且其特性与支座中心线偏离墩底截面的程度有关，对于支座中心线位于墩底截面处以内的花瓶式桥墩，基本上消除了剪应力集中现象，应力等值线更加平缓，应力分布变得较均匀。
由空间有限元模型和深梁拉压杆理论模型计算可知，设计配置的墩顶钢筋时能使墩顶承载能力和裂缝宽度满足规范要求。通过两种模型方法的设计和比较，本文认为采用空间有限元模型更能反映实际受力特性，再根据计算结果来指导钢筋布置能得到较好的结果。拉压杆模型可供复核计算结果可供参考。
5 参考文献
［1］《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
［2］《公路钢筋砼及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20XX）（征求意见稿）
［3］《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）
作者简介：王松林（1971-），高级工程师，从事道路桥梁工程设计。