陰文蔚,鄒 魁,李青燕

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

花瓶墩空間受力分析與設計＊

陰文蔚1,鄒 魁2,李青燕3

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

以實際橋梁工程為例,介紹花瓶墩的空間受力分析,根據(jù)花瓶墩的受力特點,對該橋墩的橫橋向應力進行詳細的計算。在設計該橋墩時,應通過墩頂施加預應力的方法,以改善墩頂混凝土的橫向受力。結果分析表明,該方法對城市橋梁墩臺的設計與施工,具有一定的參考價值。

花瓶墩;橫橋向;拉應力;預應力

隨著我國社會經(jīng)濟水平的發(fā)展,橋梁結構形式日新月異,人們對橋梁建設的要求不再單純地追求經(jīng)濟適用,對橋梁景觀的要求也越來越高,更加注重技術經(jīng)濟合理與環(huán)境協(xié)調的景觀效果。城市橋梁墩臺設計開始拋棄早期的以重力式圬工結構,向纖細、美觀的方向發(fā)展,越來越多造型新穎的橋墩被運用到實際工程中,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,對該橋墩的橫橋向應力進行詳細的計算。提出了在該橋墩墩頂施加預應力的設計構想。

一、概況

該橋墩墩身結構圖如圖 1所示,在橫橋向寬度自下而上漸變,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;順橋向方向寬度為 180cm。

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

圖1 橋墩結構圖

二、有限元模型的建立

(一 )計算方法

支座位于墩柱邊緣,墩頂受力復雜,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建立模型對墩帽進行空間受力分析。以橫橋向為 X軸,順橋向為Y軸,豎直方向為 Z軸建立坐標系。墩身混凝土采用 8節(jié)六面體單元模擬,因為主要計算墩頂局部受力狀態(tài),取承臺以上部分建模計算,在承臺處固結,將上部結構作用以均布面荷載的形式作用在墊石上。建模時先不考慮鋼筋作用,根據(jù)計算所得混凝土拉應力產(chǎn)生的拉力用預應力鋼筋拉力等效處理來計算預應力鋼筋用量。有限元計算模型如圖 2所示。

圖2 墩身計算模型

(二 )計算參數(shù)

墩身采用 C40混凝土,彈性模量:Ec=3.25×104MPa;泊松比:νc=0.2;軸心抗拉強度標準值:ftk=2.4MPa,軸心抗拉強度設計值:ftd=1.65MPa。

(三 )設計荷載

根據(jù)縱向總體計算結果,取荷載組合標準值,墩頂支反力為 10700.0KN,將支反力平均分配給兩個支座,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)計算結果及分析

在均布荷載 q極其自重作用下,求解得到橋墩各部位的內力,計算結果如下,墩身應力云圖及墩身對稱軸處橫向正應力線上圖如 3所示。

圖3 應力云圖、線上圖

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

墩身對稱軸處正應力見圖 4。

圖4 墩身對稱軸處橫向正應力

Nd=應力圖面積 ×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應力,取 0.5fpk作為有效預應力,則所需預應力根數(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,取張拉控制應力為 0.9fpk,即 837MPa,用 Civil FEA再次建立模型,計算結果如圖 6所示。

圖6 應力云圖線上圖

結果顯示,施加預應力后,墩頂拉應力減小到一個很小的值,最大拉應力為 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、結語

在墩頂施加預應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),本文提出的有關花瓶墩設計計算和受力特點的闡述和分析,具有較高的工程應用價值,可為該類型的橋墩設計和計算提供參考。

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2010-09-06

陰文蔚 (1983-),男,山西平遙人,碩士研究生。