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摘要：造型美观的花瓶墩顶部结构受力较复杂，“撑杆—系杆体系”已不适用。本文以实际桥梁工程为例，对花瓶墩顶部的空间受力状态进行计算分析，并在分析中考虑普通钢筋的作用，可供类似构件设计提供参考。
关键词：花瓶墩，有限元法 ， 空间受力
Abstract: modelling beautiful vase pier top the structure stress is more complex, "poles-tie system" has not applicable. This paper based on the actual bridge engineering is taken as an example, the vase pier top space stress state on calculation and analysis, and in the analysis of the function of the reinforced consider common, and provides reference for the design of similar components.
Keywords: vase pier, and the finite element method, the space force
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、背景
随着社会经济水平的发展和技术不断进步，一方面人们对桥梁景观的要求越来越高，另一方面社会发展和技术进步也为此提供了可能。近年来，新型桥梁结构形式日新月异，这不仅体现在上部结构的造型新颖上，而且也反映在下部结构向轻型化、艺术化方向发展。花瓶式桥墩造型美观，结构新颖，在现今现代桥梁特别是市政桥梁建设中被广泛采用。
然而花瓶墩受力状态比常见桥墩复杂，若仅采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）在计算承台时利用的“撑杆—系杆体系”进行设计，就有可能对花瓶墩的应力状态分析不清，从而导致设计失误的发生，这也往往是花瓶墩在使用过程中墩身裂缝较为普遍的原因。如文【1】中所述的某特大桥引桥的花瓶式桥墩，在成桥后发现桥墩顶部出现长190cm、宽0.3mm的竖向裂缝，最后不得不采用体外预应力加固处理，虽然裂缝不再扩展，但是不仅严重破坏花瓶式桥墩的外形而且也造成不必要的浪费。
为解决桥墩顶部拉力过大，防止裂缝产生从而影响使用的问題，在花瓶墩设计计算中可以考虑加入预应力，但是预应力的使用导致花瓶墩顶部结构的计算分析更加复杂，“撑杆—系杆体系”显然已经不能适应。
有限元分析方法具有优越性，可以用来分析复杂结构体系。本文将从一个工程实例出发，对预应力花瓶墩顶部结构进行计算分析，以往的有限元计算常常不能考虑普通钢筋作用，笔者认为这是不够精确的，因为普通钢筋对整体刚度有贡献，并且桥墩顶部钢筋能充当“系杆”作用，忽略普通钢筋显然与实际不符。本文对花瓶墩的设计分析是考虑了普通钢筋作用的。
二、工程概况
某跨线桥上部结构均采用现浇预应力混凝土连续箱梁，梁高180cm，鱼腹式单箱双室截面，桥面布置2×(净-12.25+2×0.5)+2×0.75m，全宽28m。跨径组合为：5-30+（2-30+40+2-30）+5-30m，共三联；下部结构采用“花瓶”式桥墩、柱式桥台，基础为桩基础。墩台及上部构造均按正交设计。
“花瓶”式桥墩墩顶部平面尺寸为6.5m×1.5m，直线段平面尺寸为4.0m×1.5m，顶部直线段厚度为1.0m，变宽段为一圆弧,其曲线半径为4.225m。在墩顶设置两个710mm×710mm矩形板式橡胶支座,支座横桥向间距为5m，见图1。
桥墩顶面共配纵向钢束 钢束4束，预应力钢束布置示意见图3。桥墩纵向受力普通钢筋采用HRB335 28，箍筋采用HRB335 12，钢筋构造图见图2。
图1 花瓶墩一般构造图（单位cm）图2 花瓶墩钢筋构造图
图3 花瓶墩预应力钢束布置示意图
三、空间有限元计算
1.计算方法
支座位于墩身边缘，花瓶墩墩顶受力复杂，初等梁理论已不适用。本文按空间有限元理论，采用Midas FEA有限元程序对桥墩进行空间受力分析。墩身混凝土采用8节点和6节点实体单元模拟，建模时考虑普通钢筋作用。
2.计算参数
根据纵向总体计算结果，最大竖向支反力为9611.4KN/支座，在支座范围按均布力作用在墩顶，均布力为： 。抗震设防烈度为6度，地震力不计入。
纵向预应力采用国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）高强度低松弛钢绞线，其标准强度 ， ，设计锚下张拉控制应力1395MPa。普通钢筋采用国家标准（GB1499.2-2007），钢筋的抗拉、抗压强度标准值fsk=335Mpa。
C40混凝土弹性模量 ，泊松比 。
根据以上参数和计算方法，建立空间有限元模型，结构离散图见图4，普通钢筋布置见图5，预应力钢束布置见图6。
图4 结构离散图 图5 普通钢筋布置图 图6 预应力筋布置图
四、计算结果分析
经计算，在支反力和墩身自重作用下墩顶横向正应力云图见图7，悬臂下缘主压应力云图见图8。
图7 花瓶墩顶面正应力图 图8 花瓶墩悬臂下缘主压应力图
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）第6.3.1条规定A类预应力混凝土构件，在荷载短期效益组合下，拉应力需 Mpa。由图中计算结果可知，花瓶墩顶面横向正应力最大为0.435903Mpa，满足要求。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）第7.1.6条，预应力混凝土受弯构件由荷载标准值和预加力产生的混凝土主压应力需 Mpa。由图中计算结果可知，花瓶墩悬臂下缘主压应力最大为4.07Mpa，满足要求。
五、结语
随着桥梁景观要求的逐步提高，桥梁设计工作者将面临各种各样的挑战与考验。本文有关花瓶墩设计计算和受力特点的阐述和分析，弥补了常规计算时不考虑普通钢筋作用的不足，可为这种类型的异形桥墩设计和计算提供一些参考。
参考文献
[1]朱银珠，体外预应力法加固桥墩，桥梁建设[J]
[2]JTG D6222004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]
[3]范立础，桥粱工程[M]，人民交通出版社，1986
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：花瓶墩，有限元法 ， 空间受力
Abstract: modelling beautiful vase pier top the structure stress is more complex, "poles-tie system" has not applicable. This paper based on the actual bridge engineering is taken as an example, the vase pier top space stress state on calculation and analysis, and in the analysis of the function of the reinforced consider common, and provides reference for the design of similar components.
Keywords: vase pier, and the finite element method, the space force
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
一、背景
随着社会经济水平的发展和技术不断进步，一方面人们对桥梁景观的要求越来越高，另一方面社会发展和技术进步也为此提供了可能。近年来，新型桥梁结构形式日新月异，这不仅体现在上部结构的造型新颖上，而且也反映在下部结构向轻型化、艺术化方向发展。花瓶式桥墩造型美观，结构新颖，在现今现代桥梁特别是市政桥梁建设中被广泛采用。
然而花瓶墩受力状态比常见桥墩复杂，若仅采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）在计算承台时利用的“撑杆—系杆体系”进行设计，就有可能对花瓶墩的应力状态分析不清，从而导致设计失误的发生，这也往往是花瓶墩在使用过程中墩身裂缝较为普遍的原因。如文【1】中所述的某特大桥引桥的花瓶式桥墩，在成桥后发现桥墩顶部出现长190cm、宽0.3mm的竖向裂缝，最后不得不采用体外预应力加固处理，虽然裂缝不再扩展，但是不仅严重破坏花瓶式桥墩的外形而且也造成不必要的浪费。
为解决桥墩顶部拉力过大，防止裂缝产生从而影响使用的问題，在花瓶墩设计计算中可以考虑加入预应力，但是预应力的使用导致花瓶墩顶部结构的计算分析更加复杂，“撑杆—系杆体系”显然已经不能适应。
有限元分析方法具有优越性，可以用来分析复杂结构体系。本文将从一个工程实例出发，对预应力花瓶墩顶部结构进行计算分析，以往的有限元计算常常不能考虑普通钢筋作用，笔者认为这是不够精确的，因为普通钢筋对整体刚度有贡献，并且桥墩顶部钢筋能充当“系杆”作用，忽略普通钢筋显然与实际不符。本文对花瓶墩的设计分析是考虑了普通钢筋作用的。
二、工程概况
某跨线桥上部结构均采用现浇预应力混凝土连续箱梁，梁高180cm，鱼腹式单箱双室截面，桥面布置2×(净-12.25+2×0.5)+2×0.75m，全宽28m。跨径组合为：5-30+（2-30+40+2-30）+5-30m，共三联；下部结构采用“花瓶”式桥墩、柱式桥台，基础为桩基础。墩台及上部构造均按正交设计。
“花瓶”式桥墩墩顶部平面尺寸为6.5m×1.5m，直线段平面尺寸为4.0m×1.5m，顶部直线段厚度为1.0m，变宽段为一圆弧,其曲线半径为4.225m。在墩顶设置两个710mm×710mm矩形板式橡胶支座,支座横桥向间距为5m，见图1。
桥墩顶面共配纵向钢束 钢束4束，预应力钢束布置示意见图3。桥墩纵向受力普通钢筋采用HRB335 28，箍筋采用HRB335 12，钢筋构造图见图2。
图1 花瓶墩一般构造图（单位cm）图2 花瓶墩钢筋构造图
图3 花瓶墩预应力钢束布置示意图
三、空间有限元计算
1.计算方法
支座位于墩身边缘，花瓶墩墩顶受力复杂，初等梁理论已不适用。本文按空间有限元理论，采用Midas FEA有限元程序对桥墩进行空间受力分析。墩身混凝土采用8节点和6节点实体单元模拟，建模时考虑普通钢筋作用。
2.计算参数
根据纵向总体计算结果，最大竖向支反力为9611.4KN/支座，在支座范围按均布力作用在墩顶，均布力为： 。抗震设防烈度为6度，地震力不计入。
纵向预应力采用国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）高强度低松弛钢绞线，其标准强度 ， ，设计锚下张拉控制应力1395MPa。普通钢筋采用国家标准（GB1499.2-2007），钢筋的抗拉、抗压强度标准值fsk=335Mpa。
C40混凝土弹性模量 ，泊松比 。
根据以上参数和计算方法，建立空间有限元模型，结构离散图见图4，普通钢筋布置见图5，预应力钢束布置见图6。
图4 结构离散图 图5 普通钢筋布置图 图6 预应力筋布置图
四、计算结果分析
经计算，在支反力和墩身自重作用下墩顶横向正应力云图见图7，悬臂下缘主压应力云图见图8。
图7 花瓶墩顶面正应力图 图8 花瓶墩悬臂下缘主压应力图
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）第6.3.1条规定A类预应力混凝土构件，在荷载短期效益组合下，拉应力需 Mpa。由图中计算结果可知，花瓶墩顶面横向正应力最大为0.435903Mpa，满足要求。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG-2004）第7.1.6条，预应力混凝土受弯构件由荷载标准值和预加力产生的混凝土主压应力需 Mpa。由图中计算结果可知，花瓶墩悬臂下缘主压应力最大为4.07Mpa，满足要求。
五、结语
随着桥梁景观要求的逐步提高，桥梁设计工作者将面临各种各样的挑战与考验。本文有关花瓶墩设计计算和受力特点的阐述和分析，弥补了常规计算时不考虑普通钢筋作用的不足，可为这种类型的异形桥墩设计和计算提供一些参考。
参考文献
[1]朱银珠，体外预应力法加固桥墩，桥梁建设[J]
[2]JTG D6222004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]
[3]范立础，桥粱工程[M]，人民交通出版社，1986
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