■李超旭

(安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)研究院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

本文對(duì)花瓶式橋墩分別建立了實(shí)體模型和空間梁格模型進(jìn)行分析，探討了該類(lèi)型橋墩的受力特點(diǎn)，并提出了合理的布筋方式，可以為類(lèi)似橋墩進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算參考。

花瓶式橋墩 實(shí)體模型 梁格法 配筋

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(wèn)題十分嚴(yán)重。汽車(chē)運(yùn)輸所帶來(lái)的空氣污染、交通堵塞、資源耗費(fèi)成為大中型城市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)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(wèn)題的主要手段之一。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，全國(guó)各大城市開(kāi)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(jī)場(chǎng)高速路等。這類(lèi)城市高架橋的共同特點(diǎn)就是對(duì)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得分析、計(jì)算較為困難，不能利用常規(guī)方法按照短梁或者長(zhǎng)梁進(jìn)行配筋[1]。

本文以獨(dú)柱花瓶橋墩為例，利用有限元對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)空間分析，從而探討其橫向受力及鋼筋配置的合理性。

1 實(shí)體有限元模型應(yīng)力分析

1.1 建立有限元模型

橋墩混凝土為C40，基礎(chǔ)為嵌巖樁，

結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；利用ANSYS有限元程序建立橋墩的實(shí)體模型并進(jìn)行分析，如圖1所示，單元采用solid92實(shí)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(shí)制動(dòng)力為386.1kN，所以每個(gè)支座墊石承擔(dān)的豎向反力為8750kN；制動(dòng)力作用于墊石頂面。

1.3 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

分析計(jì)算結(jié)構(gòu)時(shí)，只考慮墩身的應(yīng)力情況，支座墊石不考慮。計(jì)算結(jié)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(yīng)力為9.13MPa，小于C40混凝土最大抗壓強(qiáng)度；綴板以受拉為主，但混凝土抗拉強(qiáng)度一般較小，C40僅為1.65MPa。

單獨(dú)取出綴板I-I截面應(yīng)力如下圖6所示。橫坐標(biāo)為距地面的距離。由圖可知，綴板圓弧最低點(diǎn)的拉應(yīng)力最大，為6.42MPa，該點(diǎn)往下2m范圍內(nèi)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(yīng)力圖

圖4 橋墩y軸方向應(yīng)力圖

圖5 橋墩y軸方向應(yīng)力圖

圖6 綴板圓弧I-I截面應(yīng)力圖

1.4 強(qiáng)度驗(yàn)算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)6.42MPa，遠(yuǎn)大于C40混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應(yīng)力過(guò)大開(kāi)裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預(yù)應(yīng)力來(lái)減小或消除混凝土的拉應(yīng)力。于綴板圓弧最低點(diǎn)25cm以下設(shè)2層預(yù)應(yīng)力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

由橋墩應(yīng)力云圖可以看出，I-I截面為最不利截面，橋墩破壞時(shí)此截面最先開(kāi)裂，因此對(duì)I-I截面進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)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(shí)體模型得出的沿高度變化的I-I截面應(yīng)力值。

表1 應(yīng)力變化表

圖7 截面配筋圖

根據(jù)以上應(yīng)力值進(jìn)行積分，可得，此截面軸力設(shè)計(jì)值為350kN，彎矩設(shè)計(jì)值為17296kN·m。經(jīng)計(jì)算，此截面為大偏心受拉構(gòu)件，按照以下公式進(jìn)行驗(yàn)算[2]：

(1)軸向承載能力驗(yàn)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(yàn)算(普通鋼筋僅考慮截面頂端兩排受拉Φ28鋼筋)

解得破壞時(shí)混凝土受壓區(qū)高度

由上可見(jiàn)截面承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。

2 利用邁達(dá)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(yàn)算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)6.42MPa，遠(yuǎn)大于C40混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應(yīng)力過(guò)大開(kāi)裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預(yù)應(yīng)力來(lái)減小或消除混凝土的拉應(yīng)力。于綴板圓弧最低點(diǎn)25cm以下設(shè)2層預(yù)應(yīng)力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

利用邁達(dá)斯建立橋墩的梁格模型并進(jìn)行計(jì)算[3]。墩底節(jié)點(diǎn)全部固結(jié)，墩頂節(jié)點(diǎn)自由。支反力及制動(dòng)力作為集中荷載施加于墩頂節(jié)點(diǎn)，按上述布置方式輸入預(yù)應(yīng)力荷載。鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，張拉控制應(yīng)力為1395MPa，采用一端錨固，一端張拉的方式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。每個(gè)支座反力為8750kN，制動(dòng)力為193.1kN。橋墩自重1803kN。

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

圖8 未張拉應(yīng)力圖

圖9 張拉后橋墩應(yīng)力圖

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

可見(jiàn)施加預(yù)應(yīng)力以后綴板為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，綴板頂部的壓應(yīng)力為1.43MPa，大大改善了綴板的應(yīng)力狀況，混凝土不會(huì)開(kāi)裂。

2.2 施工階段強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)于施工階段，未施加支反力及制動(dòng)力的情況下，橋墩僅承擔(dān)自重和預(yù)應(yīng)力荷載。其應(yīng)力情況詳見(jiàn)圖10：橋墩最大壓應(yīng)力為7.89MPa，小于混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18.4MPa，由此可見(jiàn)施工過(guò)程中橋墩是安全的。

圖10 施工階段橋墩應(yīng)力圖

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析可以看出：花瓶式橋墩綴板中部為結(jié)構(gòu)最不利受力截面。在分析過(guò)程中可以利用ANSYS得到該截面的應(yīng)力變化情況，從而可以積分得出截面的內(nèi)力，根據(jù)公路橋規(guī)進(jìn)行配筋，并且利用梁格單元進(jìn)行未張拉預(yù)應(yīng)力、已張拉預(yù)應(yīng)力及施工階段裂縫和強(qiáng)度驗(yàn)算，均滿(mǎn)足要求。可以為今后花瓶式橋墩的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供很好的參考。

[1]延波、胡達(dá)和、趙榮花.花瓶式橋墩頂部結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)性能[M].郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.