李寧

大連市市政設(shè)計研究院 遼寧大連 116021

隨著社會經(jīng)濟以及橋梁設(shè)計水平的不斷發(fā)展，結(jié)合景觀的要求，現(xiàn)階段城市橋梁墩臺主要采用具有造型纖細、美觀、新穎等特點的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，增加了分析計算的難度，所以對這些異形橋墩的設(shè)計計算要采用適當?shù)姆治瞿Ｐ?。花瓶墩墩頂受力較復(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)計規(guī)范》給出了基于拉壓桿模型理論的簡化、實用計算公式。本文將從丹東港疏港公路東進線立交橋工程實例出發(fā),分別采用新規(guī)范拉壓桿理論公式以及實體有限元理論，對花瓶墩墩頂D區(qū)進行受力計算，并將結(jié)論進行對比分析，以供橋梁設(shè)計者參考。

1 計算分析

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)定進行分析計算；D區(qū)，即應(yīng)力擾動區(qū)，指截面應(yīng)變分布不符合平截面假定的構(gòu)件或力流擴散明顯的區(qū)域，一般位于集中力作用點附近或幾何尺寸發(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)力擾動區(qū)常見的設(shè)計方法包括：拉壓桿模型法、實體有限元方法和基于彈性力學和力流線模型理論的解析計算方法。

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準。

1.2 實體有限元方法

實體有限元模型是應(yīng)力擾動區(qū)計算的一種分析方法，通過彈性應(yīng)力分析，可以顯示應(yīng)力擾動區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律，若對受拉區(qū)關(guān)鍵截面的拉應(yīng)力進行積分，所得到的拉力可用于配筋設(shè)計；若進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)定的拉壓桿模型計算理論更接近。

1.3 工程實例

丹東港疏港公路東進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，綜合考慮施工難易程度、經(jīng)濟指標等因素并結(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體分析積分法對丹東港疏港公路東進線立交橋工程中的花瓶墩進行分析。設(shè)計荷載：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可不考慮橋墩的厚度按厚度方向應(yīng)力均勻考慮。擴大頭下部以主壓應(yīng)力為第一主應(yīng)力。拉應(yīng)力在墩頂擴頭對稱軸處最大，往懸臂端部和墩柱方向逐漸減??；在擴頭兩側(cè)邊緣均受豎向壓應(yīng)力，擴大頭以下的墩柱均受豎向壓應(yīng)力。擴頭的應(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)理論進行配筋計算，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體分析積分法對花瓶墩拉桿進行計算結(jié)果，根據(jù)兩種計算結(jié)果看，拉壓桿模型法計算結(jié)果相差在5%以內(nèi)，拉壓桿模型法計算能滿足工程精度要求。

表1 花瓶墩拉桿內(nèi)力

2 結(jié)語

花瓶墩擴頭受力復(fù)雜，采用實體有限元模型進行受力分析比較繁瑣。本文結(jié)合新《公橋混規(guī)》拉壓桿模型理論對工程實例中的花瓶墩拉區(qū)進行計算，并采用實體有限元模型進行復(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算方法，能滿足工程精度要求。