結(jié)合新《公橋混規(guī)》對(duì)花瓶墩進(jìn)行受力分析

李寧

大連市市政設(shè)計(jì)研究院 遼寧大連 116021

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及橋梁設(shè)計(jì)水平的不斷發(fā)展，結(jié)合景觀的要求，現(xiàn)階段城市橋梁墩臺(tái)主要采用具有造型纖細(xì)、美觀、新穎等特點(diǎn)的Y型墩、V型墩、門式墩、花瓶墩等形式的橋墩。由于這些橋墩在某些局部部位受力復(fù)雜，增加了分析計(jì)算的難度，所以對(duì)這些異形橋墩的設(shè)計(jì)計(jì)算要采用適當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ汀；ㄆ慷斩枕斒芰^復(fù)雜，采用經(jīng)典彈性理論不易解決，新頒布的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了基于拉壓桿模型理論的簡化、實(shí)用計(jì)算公式。本文將從丹東港疏港公路東進(jìn)線立交橋工程實(shí)例出發(fā),分別采用新規(guī)范拉壓桿理論公式以及實(shí)體有限元理論，對(duì)花瓶墩墩頂D區(qū)進(jìn)行受力計(jì)算，并將結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析，以供橋梁設(shè)計(jì)者參考。

1 計(jì)算分析

新規(guī)范①根據(jù)混凝土受力特性不同，將混凝土結(jié)構(gòu)劃分為B區(qū)和D區(qū)。B區(qū)是指截面應(yīng)變分布符合平截面假定的結(jié)構(gòu)區(qū)域，按梁式體系的規(guī)定進(jìn)行分析計(jì)算；D區(qū)，即應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，指截面應(yīng)變分布不符合平截面假定的構(gòu)件或力流擴(kuò)散明顯的區(qū)域，一般位于集中力作用點(diǎn)附近或幾何尺寸發(fā)生突變的部位。新規(guī)范示意了混凝土梁橋中典型的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，包括剪跨比較小的區(qū)域、跨高比較小的深梁區(qū)域、后張預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)及構(gòu)造上的幾何突變區(qū)域等。應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)常見的設(shè)計(jì)方法包括：拉壓桿模型法、實(shí)體有限元方法和基于彈性力學(xué)和力流線模型理論的解析計(jì)算方法。

1.1 拉壓桿模型方法

拉壓桿模型是從混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)體抽象出的一種簡化力流分析模型，由壓桿、拉桿和節(jié)點(diǎn)組成，用以反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳力路徑。拉壓桿模型只需滿足平衡條件，無須受變形協(xié)調(diào)條件的限制，這使得拉壓桿模型不具有唯一性。這一方面使得拉壓桿模型具有較大的自由性，另一方面也使得構(gòu)成拉壓桿模型較復(fù)雜。能真實(shí)地反映D區(qū)內(nèi)部力流的傳遞路徑的模型是所構(gòu)建的拉壓桿模型最直接的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 實(shí)體有限元方法

實(shí)體有限元模型是應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)計(jì)算的一種分析方法，通過彈性應(yīng)力分析，可以顯示應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律，若對(duì)受拉區(qū)關(guān)鍵截面的拉應(yīng)力進(jìn)行積分，所得到的拉力可用于配筋設(shè)計(jì)；若進(jìn)一步考慮鋼筋及混凝土材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，則可用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗裂性和極限承載力。本文模型采用前者，即不考慮鋼筋作用，這與規(guī)范所規(guī)定的拉壓桿模型計(jì)算理論更接近。

1.3 工程實(shí)例

丹東港疏港公路東進(jìn)線立交橋工程中上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土魚腹式連續(xù)箱梁，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮施工難易程度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素并結(jié)合景觀要求，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩[1]。本文分別采用拉壓桿模型法和有限元實(shí)體分析積分法對(duì)丹東港疏港公路東進(jìn)線立交橋工程中的花瓶墩進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)荷載：Fd=895KN。

圖1為花瓶墩主應(yīng)力跡線和主應(yīng)力云圖。從花瓶橋墩應(yīng)力流分布可以看出，新規(guī)范給出的拉壓桿模型很好的契合了應(yīng)力走向。

從圖2應(yīng)力云圖可以看出在花瓶墩頂部以主拉應(yīng)力為第一主應(yīng)力，近似等于橫橋向水平拉應(yīng)力，并且在做定性分析時(shí)可不考慮橋墩的厚度按厚度方向應(yīng)力均勻考慮。擴(kuò)大頭下部以主壓應(yīng)力為第一主應(yīng)力。拉應(yīng)力在墩頂擴(kuò)頭對(duì)稱軸處最大，往懸臂端部和墩柱方向逐漸減小；在擴(kuò)頭兩側(cè)邊緣均受豎向壓應(yīng)力，擴(kuò)大頭以下的墩柱均受豎向壓應(yīng)力。擴(kuò)頭的應(yīng)力出現(xiàn)了明顯非線性狀態(tài)的不連續(xù)區(qū)域。因豎向壓應(yīng)力我們可按照傳統(tǒng)的B區(qū)理論進(jìn)行配筋計(jì)算，這里我們更關(guān)心的是花瓶墩墩頂?shù)臋M向受力狀況。

圖1 花瓶墩應(yīng)力跡線

圖2 花瓶墩主應(yīng)力云圖

從應(yīng)力流走向以及墩頂拉應(yīng)力大小我們可以看出應(yīng)在墩頂配置橫向鋼筋抵制裂縫的產(chǎn)生，必要時(shí)可考慮增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋。

表1為采用拉壓桿模型法和有限元實(shí)體分析積分法對(duì)花瓶墩拉桿進(jìn)行計(jì)算結(jié)果，根據(jù)兩種計(jì)算結(jié)果看，拉壓桿模型法計(jì)算結(jié)果相差在5%以內(nèi)，拉壓桿模型法計(jì)算能滿足工程精度要求。

表1 花瓶墩拉桿內(nèi)力

2 結(jié)語

花瓶墩擴(kuò)頭受力復(fù)雜，采用實(shí)體有限元模型進(jìn)行受力分析比較繁瑣。本文結(jié)合新《公橋混規(guī)》拉壓桿模型理論對(duì)工程實(shí)例中的花瓶墩拉區(qū)進(jìn)行計(jì)算，并采用實(shí)體有限元模型進(jìn)行復(fù)核，通過力流軌跡判斷花瓶墩的受力特征并簡單引出Y型墩的受力合理性。結(jié)果表明，采用拉壓桿模型的計(jì)算方法，能滿足工程精度要求。