花瓶橋墩受力及配筋布置探討

馬平

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東　深圳　518000）

花瓶橋墩受力及配筋布置探討

馬平

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518000）

“花瓶”式橋墩在橋梁建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛采用，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，墩身裂縫較為普遍。結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行花瓶墩的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

花瓶墩；主拉應(yīng)力；設(shè)計(jì)

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形式日新月異，橋梁細(xì)部構(gòu)造的創(chuàng)新已經(jīng)成為新時(shí)代橋梁工程師探討的問(wèn)題。橋梁結(jié)構(gòu)形式變化后，其受力特性也隨之發(fā)生了很大變化。“花瓶”式橋墩在橋梁建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛采用，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，墩身裂縫較為普遍。結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的布置形式直接影響著墩身的承載能力和耐久性能。本文以某大橋橋墩為例，對(duì)擬定結(jié)構(gòu)尺寸及配筋進(jìn)行空間分析。結(jié)合空間分析結(jié)果，對(duì)此類橋墩的結(jié)構(gòu)形式和鋼筋布置方式進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1　工程實(shí)例

本文以某大橋的“花瓶”式橋墩為研究對(duì)象，分析橋墩在偏載作用下的受力特性來(lái)驗(yàn)算橋墩鋼筋布置的合理性。初擬的鋼筋布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1　鋼筋布置圖（一）（單位：cm）

箍筋和斜筋布置在距離墩頂1.2 m的范圍內(nèi)（見(jiàn)圖3），這樣使得對(duì)于高度為10.9 m的“花瓶”式橋墩，懸臂根部鋼筋布置顯得很薄弱。在相同荷載作用下，荷載作用點(diǎn)距離懸臂根部距離越大，它在懸臂根部產(chǎn)生的彎矩就越大。圖2中支座設(shè)置在距離橋墩的邊緣1.017 m處，有可能導(dǎo)致墩頂混凝土產(chǎn)生裂縫和懸臂根部下緣混凝土被壓壞。為了驗(yàn)證該橋墩的鋼筋布置位置及結(jié)構(gòu)的合理性，本文采用空間有限元程序計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行分析優(yōu)化。

本文采用空間有限元程序MIDAS建立模型進(jìn)行分析。以橫橋向?yàn)閤軸，順橋向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸建立坐標(biāo)系。模型共采用8節(jié)點(diǎn)六面體的實(shí)體單元4 960個(gè)，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有3個(gè)線性位移自由度。荷載考慮恒載和活載偏載的組合作用，其中活載按城市A級(jí)荷載設(shè)計(jì)。建立有限元模型見(jiàn)圖4。

圖2　鋼筋布置圖（二）（單位：cm）

圖3　鋼筋布置圖（三）（單位：cm）

圖4　有限元模型圖

2　分析結(jié)果

在偏載作用下，計(jì)及橋墩的自重，由線彈性理論求解得到橋墩的各部位的受力特性。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6（單位均為t/m2）。

圖5　橫橋向?qū)ΨQ中心線處橫截面正應(yīng)力σxx

圖6　橫橋向?qū)ΨQ中心線處橫截面剪應(yīng)τxy

從應(yīng)力圖中可以得到：距離墩頂0～1.8 m范圍內(nèi)橋墩的最大主拉應(yīng)力τ超過(guò)了《鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的C30混凝土無(wú)箍筋及斜筋時(shí)的容許主拉應(yīng)力值0.7 MPa，因此在這部分高度的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)布置箍筋和斜筋來(lái)承受剪應(yīng)力。如果按照規(guī)范中的梁部分長(zhǎng)度全由混凝土承受的主拉應(yīng)力0.35 MPa來(lái)布置鋼筋，則箍筋的長(zhǎng)度還應(yīng)該向下延伸至距離頂面2.6 m處。而初擬鋼筋布置（見(jiàn)圖1）中僅在距離墩頂0～1.2 m的范圍內(nèi)布置了箍筋和斜筋，從應(yīng)力分析上看其布筋范圍達(dá)不到承載力要求。距離墩頂0～6.5 m的范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的順橋向截面內(nèi)的剪應(yīng)力在弧線中部有集中現(xiàn)象。

最大主壓應(yīng)力發(fā)生在橋墩的懸臂根部，最大值為7.8 MPa，剪應(yīng)力等值線在越靠近懸臂的根部下緣越密集，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象（見(jiàn)圖6）。因此，從結(jié)構(gòu)受力的角度來(lái)考慮，可以通過(guò)加寬橋墩底部的橫向尺寸，減緩圓曲線的變化曲率來(lái)減緩應(yīng)力等值線的效果。

最大的彎曲拉應(yīng)力發(fā)生在大偏載作用位置側(cè)距離橋墩中心線1.5 m左右的墩頂位置，最大值為3.57 MPa。結(jié)合圖1和圖5，墩帽橫向受彎鋼筋全部布置在受拉區(qū)域，墩頂上的鋼筋為兩層，箍筋底部鋼筋正好處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交接處。頂部配筋方式主要承受拉力、彎矩和剪力，呈現(xiàn)出深梁受力特性。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可得出：箍筋的布置范圍偏小，達(dá)不到結(jié)構(gòu)受力的要求；懸臂的弧部由于應(yīng)力集中壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均較大；整個(gè)弧線懸出部呈現(xiàn)“牛腿”受力特性。根據(jù)以上特點(diǎn)，擬提出解決的措施大致有以下幾種方案：

（1）加高墩帽的高度，減小托盤的斜率。

（2）加寬橋墩的橫向尺寸，加大曲線半徑，以減少應(yīng)力不均勻變化梯度。

（3）增加豎向箍筋和斜筋的布置范圍。

如果采用以上三種解決措施的第一種方案，該橋墩總高度為10.9 m，如果繼續(xù)加高上部承臺(tái)的高度時(shí)，從美學(xué)上講不太合適，在構(gòu)造上變化太多，修改工作量大，該方案予以否定。

對(duì)于方案二擬采用下面兩種方法檢算：

方法一：墩底寬度為5 m，曲線處半徑增加到9.789 m；

方法二：墩底寬度為6 m，曲線處半徑增加到10.26 m。

方法一，對(duì)橋墩下部直線段部分在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別向外側(cè)擴(kuò)大0.5 m，曲線部分的半徑從原設(shè)計(jì)的7.6 m加大到9.789 m，其他部位結(jié)構(gòu)形式無(wú)變化。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

修改截面后，截面上的應(yīng)力等值線分布趨于均勻，豎直截面的剪應(yīng)力最大值發(fā)生在大偏載荷載作用處的截面內(nèi)，除局部承壓出現(xiàn)的峰值外，外懸弧線段最大剪應(yīng)力值下降50%，最大的彎曲正應(yīng)力下降22%，但受力特點(diǎn)仍與初擬墩身一致。

圖7　橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面正應(yīng)力σxx

圖8　橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面剪應(yīng)力τxz

方法二，橋墩下部直線段在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別向外側(cè)擴(kuò)大1.0 m，曲線部分的半徑增加到10.26 m。主要的應(yīng)力圖見(jiàn)圖9、圖10。

圖9　橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面正應(yīng)力σxx

圖10　橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面剪應(yīng)力τxz

當(dāng)墩底加寬到6 m后，支座中心線與墩身底部截面邊緣平齊，基本上消除了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力等值線更加平緩，應(yīng)力分布變得十分均勻。與原設(shè)計(jì)相比較，彎曲正應(yīng)力得到降低，順橋向支座中心線所在的豎直面內(nèi)剪應(yīng)力值減小。在與以上幾個(gè)方案的比較中，結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)出深梁受力特性，但“大牛腿”的受力特性基本消失。修改設(shè)計(jì)后得到的單元的主拉應(yīng)力值比原設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果小。在大偏載荷載作用位置的縱向截面內(nèi)彎曲拉應(yīng)力范圍分布寬度增加，最大值較原設(shè)計(jì)的值小。

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)上述三種結(jié)構(gòu)形式及布筋特點(diǎn)來(lái)分析此類“花瓶”式橋墩的受力特性與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系。經(jīng)比較得出：增加墩底的尺寸，結(jié)構(gòu)的受力得到了很好的改善，應(yīng)力等值線趨于平緩均勻。豎向壓應(yīng)力相對(duì)減小，豎向剪應(yīng)力下降。主拉應(yīng)力的大小和分布情況在三種工況下基本相同，因此箍筋和斜筋的布置范圍均需要滿布于整個(gè)弧線段范圍內(nèi)。方法一與方法二的進(jìn)行比較，當(dāng)墩底尺寸增加到5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值已在規(guī)范的要求范圍以內(nèi)。墩底寬度增加到6 m對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布優(yōu)化已不明顯，并且從結(jié)構(gòu)的外形上講不能很好地滿足人們的審美要求，加之尺寸的增加，混凝土和鋼筋數(shù)量隨之增加，從經(jīng)濟(jì)上看也不太合理。

采用空間程序來(lái)分析橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)鋼筋布置能得到較好的結(jié)果。

對(duì)于“花瓶”式橋墩，最大的彎曲拉應(yīng)力發(fā)生在墩頂。剪應(yīng)力始終在弧線中心區(qū)域有集中現(xiàn)象。尺寸的變化對(duì)主拉應(yīng)力的大小和分布范圍的改變影響不大。

對(duì)于支座中心位于墩底截面處的“花瓶”式橋墩，箍筋應(yīng)在整個(gè)弧線段部分滿布，而不應(yīng)只是布置于托盤以上部位。托盤上部受力特性表現(xiàn)為深梁的受力特性；弧線段部位具有大牛腿構(gòu)造的受力特性，而且其特性隨著與支座中心線偏離墩底截面的程度而變化。

U443.22

B

1009-7716（2016）06-0126-03

2016-03-01

馬平（1981-），男，湖南郴州人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。