花瓶墩空間受力分析與設(shè)計(jì)＊

陰文蔚,鄒 魁,李青燕

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600;2.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司,湖南長沙 410075;3.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院,湖南長沙 410002)

花瓶墩空間受力分析與設(shè)計(jì)＊

陰文蔚1,鄒 魁2,李青燕3

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600;2.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司,湖南長沙 410075;3.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院,湖南長沙 410002)

以實(shí)際橋梁工程為例,介紹花瓶墩的空間受力分析,根據(jù)花瓶墩的受力特點(diǎn),對該橋墩的橫橋向應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。在設(shè)計(jì)該橋墩時(shí),應(yīng)通過墩頂施加預(yù)應(yīng)力的方法,以改善墩頂混凝土的橫向受力。結(jié)果分析表明,該方法對城市橋梁墩臺的設(shè)計(jì)與施工,具有一定的參考價(jià)值。

花瓶墩;橫橋向;拉應(yīng)力;預(yù)應(yīng)力

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)形式日新月異,人們對橋梁建設(shè)的要求不再單純地追求經(jīng)濟(jì)適用,對橋梁景觀的要求也越來越高,更加注重技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理與環(huán)境協(xié)調(diào)的景觀效果。城市橋梁墩臺設(shè)計(jì)開始拋棄早期的以重力式圬工結(jié)構(gòu),向纖細(xì)、美觀的方向發(fā)展,越來越多造型新穎的橋墩被運(yùn)用到實(shí)際工程中,如 Y型墩、V型墩、門式墩、花瓶墩等。

本文以某大橋橋墩為例,介紹花瓶墩的空間受力分析,根據(jù)花瓶墩的受力特點(diǎn),對該橋墩的橫橋向應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。提出了在該橋墩墩頂施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

一、概況

該橋墩墩身結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示,在橫橋向?qū)挾茸韵露蠞u變,由圓曲線段部分和直線段部分組成,其中圓曲線段部分圓曲線半徑為 644.1cm,豎直高度為 360cm,與圓曲線段部分上部銜接的直線段部分高度為 80cm。墩身上部橫橋向最大寬度為 570cm,下部與承臺連接處最小寬度為 350cm;順橋向方向?qū)挾葹?180cm。

在墩頂墊石 (120cm×120cm)上設(shè)置兩個(gè)盆式支座,支座橫向間距 400cm。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)圖

二、有限元模型的建立

(一 )計(jì)算方法

支座位于墩柱邊緣,墩頂受力復(fù)雜,初等梁理論已不適用。本文按空間有限元理論,采用有限元程序 Civil FEA建立模型對墩帽進(jìn)行空間受力分析。以橫橋向?yàn)?X軸,順橋向?yàn)閅軸,豎直方向?yàn)?Z軸建立坐標(biāo)系。墩身混凝土采用 8節(jié)六面體單元模擬,因?yàn)橹饕?jì)算墩頂局部受力狀態(tài),取承臺以上部分建模計(jì)算,在承臺處固結(jié),將上部結(jié)構(gòu)作用以均布面荷載的形式作用在墊石上。建模時(shí)先不考慮鋼筋作用,根據(jù)計(jì)算所得混凝土拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉力用預(yù)應(yīng)力鋼筋拉力等效處理來計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼筋用量。有限元計(jì)算模型如圖 2所示。

圖2 墩身計(jì)算模型

(二 )計(jì)算參數(shù)

墩身采用 C40混凝土,彈性模量:Ec=3.25×104MPa;泊松比:νc=0.2;軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值:ftk=2.4MPa,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:ftd=1.65MPa。

(三 )設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)縱向總體計(jì)算結(jié)果,取荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值,墩頂支反力為 10700.0KN,將支反力平均分配給兩個(gè)支座,并在支座范圍按均布力作用在墩頂墊石上。

q=N/S=10700.0×1000N/(120cm ×120cm)=743.1N/cm2

(四)計(jì)算結(jié)果及分析

在均布荷載 q極其自重作用下,求解得到橋墩各部位的內(nèi)力,計(jì)算結(jié)果如下,墩身應(yīng)力云圖及墩身對稱軸處橫向正應(yīng)力線上圖如 3所示。

圖3 應(yīng)力云圖、線上圖

計(jì)算結(jié)果顯示,在墩頂處出現(xiàn) 5.02MPa的拉應(yīng)力,該拉應(yīng)力超過混凝土拉應(yīng)力容許值,故將該部分拉應(yīng)力用積分法換算為拉力Nd,由精軋螺紋鋼筋來承受。

墩身對稱軸處正應(yīng)力見圖 4。

圖4 墩身對稱軸處橫向正應(yīng)力

Nd=應(yīng)力圖面積 ×墩身厚度 =2411.9×1.8=4341.42KN。

選用Φ32精軋螺紋鋼筋對墩身施加預(yù)應(yīng)力,取 0.5fpk作為有效預(yù)應(yīng)力,則所需預(yù)應(yīng)力根數(shù)為:

n=Nd/(AS×σ)=4341.42×103N/(804.2mm ×0.5×930MPa)=11.6根 ,故取 12根。

圖5 精軋螺紋鋼筋布置圖

將精軋螺紋鋼筋分兩層 (如圖 5所示)在墩頂橫橋向布置,取張拉控制應(yīng)力為 0.9fpk,即 837MPa,用 Civil FEA再次建立模型,計(jì)算結(jié)果如圖 6所示。

圖6 應(yīng)力云圖線上圖

結(jié)果顯示,施加預(yù)應(yīng)力后,墩頂拉應(yīng)力減小到一個(gè)很小的值,最大拉應(yīng)力為 0.917MPa,可見,在墩頂張拉精軋螺紋鋼筋改善了該處混凝土的受力狀況,有效地控制了墩頂裂縫的出現(xiàn)。

三、結(jié)語

在墩頂施加預(yù)應(yīng)力后有效地改善了墩頂混凝土的受力,最大限度地控制了墩頂裂縫的出現(xiàn),本文提出的有關(guān)花瓶墩設(shè)計(jì)計(jì)算和受力特點(diǎn)的闡述和分析,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值,可為該類型的橋墩設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考。

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2010-09-06

陰文蔚 (1983-),男,山西平遙人,碩士研究生。