城市橋梁花瓶墩設計分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

城市橋梁花瓶墩設計分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

本文對花瓶式橋墩分別建立了實體模型和空間梁格模型進行分析，探討了該類型橋墩的受力特點，并提出了合理的布筋方式，可以為類似橋墩進行設計、計算參考。

花瓶式橋墩 實體模型 梁格法 配筋

隨著我國經濟建設的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)人口急劇增加，各大中型城市的交通問題十分嚴重。汽車運輸所帶來的空氣污染、交通堵塞、資源耗費成為大中型城市在經濟發(fā)展建設中所面臨的一大難題。城市高架橋系統(tǒng)是目前解決城市交通日趨繁忙這一問題的主要手段之一。進入20世紀80年代中期，全國各大城市開始興建通行能力高、行駛速度快的高架橋工程和大型立交樞紐，如北京市的三環(huán)路及首都機場高速路等。這類城市高架橋的共同特點就是對景觀要求較高，大部分的橋墩采用一定的造型，花瓶式橋墩因造型美觀，被廣泛使用。但是由于花瓶墩線形的流暢性和結構的復雜性，使得分析、計算較為困難，不能利用常規(guī)方法按照短梁或者長梁進行配筋[1]。

本文以獨柱花瓶橋墩為例，利用有限元對其進行了結構空間分析，從而探討其橫向受力及鋼筋配置的合理性。

1 實體有限元模型應力分析

1.1 建立有限元模型

橋墩混凝土為C40，基礎為嵌巖樁，

結構示意圖如圖1所示；利用ANSYS有限元程序建立橋墩的實體模型并進行分析，如圖1所示，單元采用solid92實體單元。

1.2 荷載組合

正常使用極限狀態(tài)下支座反力為17500kN，同時制動力為386.1kN，所以每個支座墊石承擔的豎向反力為8750kN；制動力作用于墊石頂面。

1.3 計算結構分析

分析計算結構時，只考慮墩身的應力情況，支座墊石不考慮。計算結果如圖2～圖5所示。

圖1 墩柱外形(單位：cm)

由圖2～圖5可知：橋墩墩柱受壓，最大壓應力為9.13MPa，小于C40混凝土最大抗壓強度；綴板以受拉為主，但混凝土抗拉強度一般較小，C40僅為1.65MPa。

單獨取出綴板I-I截面應力如下圖6所示。橫坐標為距地面的距離。由圖可知，綴板圓弧最低點的拉應力最大，為6.42MPa，該點往下2m范圍內綴板受拉，再往下則受壓。

圖2 有限元模型圖

圖3 橋墩X軸方向應力圖

圖4 橋墩y軸方向應力圖

圖5 橋墩y軸方向應力圖

圖6 綴板圓弧I-I截面應力圖

1.4 強度驗算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點拉應力達6.42MPa，遠大于C40混凝土的軸心抗拉強度設計值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應力過大開裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預應力來減小或消除混凝土的拉應力。于綴板圓弧最低點25cm以下設2層預應力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

由橋墩應力云圖可以看出，I-I截面為最不利截面，橋墩破壞時此截面最先開裂，因此對I-I截面進行承載能力極限狀態(tài)驗算。

I-I截面普通鋼筋布置方式如下圖7所示。頂端兩排為Φ28鋼筋。

表1為由ANSYS有限元實體模型得出的沿高度變化的I-I截面應力值。

表1 應力變化表

圖7 截面配筋圖

根據以上應力值進行積分，可得，此截面軸力設計值為350kN，彎矩設計值為17296kN·m。經計算，此截面為大偏心受拉構件，按照以下公式進行驗算[2]：

(1)軸向承載能力驗算(普通鋼筋僅考慮截面頂端兩排受拉Φ28鋼筋)

(2)彎矩承載能力驗算(普通鋼筋僅考慮截面頂端兩排受拉Φ28鋼筋)

解得破壞時混凝土受壓區(qū)高度

由上可見截面承載能力極限狀態(tài)驗算滿足要求。

2 利用邁達斯建立橋墩的梁格模型分析

2.1 正常使用極限狀態(tài)裂縫驗算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點拉應力達6.42MPa，遠大于C40混凝土的軸心抗拉強度設計值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應力過大開裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預應力來減小或消除混凝土的拉應力。于綴板圓弧最低點25cm以下設2層預應力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

利用邁達斯建立橋墩的梁格模型并進行計算[3]。墩底節(jié)點全部固結，墩頂節(jié)點自由。支反力及制動力作為集中荷載施加于墩頂節(jié)點，按上述布置方式輸入預應力荷載。鋼絞線的抗拉強度標準值為1860MPa，張拉控制應力為1395MPa，采用一端錨固，一端張拉的方式進行預應力張拉。每個支座反力為8750kN，制動力為193.1kN。橋墩自重1803kN。

未張拉預應力前，按照正常使用極限狀態(tài)短期效應組合組合，橋墩應力如下圖8所示：

圖8 未張拉應力圖

圖9 張拉后橋墩應力圖

張拉預應力后，按照正常使用極限狀態(tài)短期效應組合組合，橋墩應力如圖9所示：

可見施加預應力以后綴板為全預應力構件，綴板頂部的壓應力為1.43MPa，大大改善了綴板的應力狀況，混凝土不會開裂。

2.2 施工階段強度驗算

對于施工階段，未施加支反力及制動力的情況下，橋墩僅承擔自重和預應力荷載。其應力情況詳見圖10：橋墩最大壓應力為7.89MPa，小于混凝土的抗壓強度設計值18.4MPa，由此可見施工過程中橋墩是安全的。

圖10 施工階段橋墩應力圖

3 結論

通過計算分析可以看出：花瓶式橋墩綴板中部為結構最不利受力截面。在分析過程中可以利用ANSYS得到該截面的應力變化情況，從而可以積分得出截面的內力，根據公路橋規(guī)進行配筋，并且利用梁格單元進行未張拉預應力、已張拉預應力及施工階段裂縫和強度驗算，均滿足要求?？梢詾榻窈蠡ㄆ渴綐蚨盏脑O計與計算提供很好的參考。

[1]延波、胡達和、趙榮花.花瓶式橋墩頂部結構分析與配筋[J].都市快軌交通，2010，23(5)：80-82.

[2]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004：83-85.

[3]E.c.漢勃利.橋梁上部結構性能[M].郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.