花瓶墩墩頂配筋設計

張朝貴 魏樂永 王 飛

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

隨著我國經濟社會的發展，對橋梁景觀造型的要求越來越高，花瓶墩因其造型美觀、線形流暢而廣泛應用于橋梁工程中。花瓶墩與普通橋墩的區別在于墩頂構造復雜，如何準確把握住花瓶墩墩頂的受力特點，并進行相應的計算分析，成為花瓶墩設計中的難點。本文以某花瓶墩為例進行墩頂空間計算分析，總結出對花瓶墩進行計算分析的思路，揭示了花瓶墩墩頂主要的受力特點，為配筋設計提供了理論支持。

1 結構描述

本例為一城市立交，主梁采用跨徑20 m鋼筋混凝土現澆連續箱梁，下部結構為柱式墩、樁基礎。在兩聯之間的過渡墩采用花瓶墩。圓柱段橋墩直徑D=120 cm，在墩頂以R=662.5 cm曲線順橋向漸變擴大，頂端寬度210 cm，支座間距90 cm，尺寸見圖1。承載能力極限狀態支座反力R極限=3 000 kN/支座。

2 有限元計算分析

計算軟件采用Midas Civil 2006通用有限元程序，采用實體單元模擬，混凝土彈性模量E=3.15×104MPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3，在模型中不考慮鋼筋作用，支座反力采用均布力作用于支座墊石，墩底固結。模型圖示見圖2。

圖1 設計尺寸

圖2 計算模型

在花瓶墩的計算分析中，支座中心距墩中心線的距離對計算結果有很大影響。在施工中會產生支座的安裝誤差，在使用中支座還會因為梁體伸縮、車輛制動等產生位移。為了偏安全的考慮上述因素，結合本項目的實際情況，在計算模型中，將支座距墩中心的距離由設計值45 cm增加為60 cm。

經過計算分析，發現花瓶墩受力仍符合圣維南原理，兩支座下的主壓應力跡線沿墩形變化然后交匯，在墩頂一定范圍內存在較大的沿懸臂方向的拉應力，特別是在距墩頂約30 cm范圍內拉應力較大，剪應力一般不控制，見圖3，圖4。

3 墩頂配筋計算

上述有限元分析的結果是基于彈性連續體的，而實際的混凝土結構中混凝土將開裂，故假定混凝土不承受拉應力，全部拉力都由鋼筋承受。將實體單元應力分段積分，就可得沿高度方向的拉力分布情況，見圖5，圖6。墩頂對稱面中心處正應力見表1。

圖3 主應力矢量圖

圖4 主拉應力云圖（單位：MPa）

圖5 墩頂對稱面中心處正應力圖（單位：MPa）

圖6 墩頂內力分段積分結果（單位：kN）

表1 墩頂對稱面中心處正應力

根據計算結果，可以看出幾個特點：1)最頂層10 cm范圍內的拉力最大，約占全部拉力的一半;2)拉力衰減迅速，大約在距離頂面50 cm以后變為壓力。

理論上墩頂拉筋應根據計算出的拉力分布情況分段配筋，但是在實際中由于最頂層鋼筋的抗拉效果最明顯，而且對控制裂縫最有利，故偏保守按最頂層鋼筋能抵抗全部拉力設計，然后在頂面約50 cm范圍內配置較密的構造拉筋。

拉力合計：T=681 kN;鋼筋面積：A=T/fsd=681 kN/280 MPa= 2 432.2 mm2。

根據截面布置，在頂層配置8Φ22(A=3 040.8 mm2)拉筋，然后在頂面50 cm范圍內每隔10 cm布置一層8Φ16的分布鋼筋。

上述配筋方法是基于承載能力極限狀態的計算結果。根據規范，還應進行正常使用階段的配筋計算，其方法與承載能力極限狀態是一樣的：1)根據正常使用階段的反力計算出墩頂拉力Tss;2)根據JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第6.4.3條，可以計算出鋼筋控制應力σss;3)求得抗裂驗算所需鋼筋面積Ass=Tss/σss。

4 結語

花瓶墩墩頂存在較大的拉力，這是設計中要引起重視的地方。用空間有限元方法可以比較準確地進行計算分析，為配筋設計提供理論支持。

［1］ JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［2］ 戴世宏，費 梁.淺談花瓶墩的設計與計算［J］.交通標準化，2008(9)：68-71.

［3］ 康永臣，靳戰飛.花瓶形橋墩墩頂空間受力計算［J］.山西建筑，2007，33(22)：322-323.