城市橋梁花瓶墩設計分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

城市橋梁花瓶墩設計分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

本文對花瓶式橋墩分別建立了實體模型和空間梁格模型進行分析，探討了該類型橋墩的受力特點，并提出了合理的布筋方式，可以為類似橋墩進行設計、計算參考。

花瓶式橋墩 實體模型 梁格法 配筋

隨著我國經濟建設的不斷發展，城鎮人口急劇增加，各大中型城市的交通問題十分嚴重。汽車運輸所帶來的空氣污染、交通堵塞、資源耗費成為大中型城市在經濟發展建設中所面臨的一大難題。城市高架橋系統是目前解決城市交通日趨繁忙這一問題的主要手段之一。進入20世紀80年代中期，全國各大城市開始興建通行能力高、行駛速度快的高架橋工程和大型立交樞紐，如北京市的三環路及首都機場高速路等。這類城市高架橋的共同特點就是對景觀要求較高，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構的復雜性，使得分析、計算較為困難，不能利用常規方法按照短梁或者長梁進行配筋[1]。

本文以獨柱花瓶橋墩為例，利用有限元對其進行了結構空間分析，從而探討其橫向受力及鋼筋配置的合理性。

1 實體有限元模型應力分析

1.1 建立有限元模型

橋墩混凝土為C40，基礎為嵌巖樁，

結構示意圖如圖1所示；利用ANSYS有限元程序建立橋墩的實體模型并進行分析，如圖1所示，單元采用solid92實體單元。

1.2 荷載組合

正常使用極限狀態下支座反力為17500kN，同時制動力為386.1kN，所以每個支座墊石承擔的豎向反力為8750kN；制動力作用于墊石頂面。

1.3 計算結構分析

分析計算結構時，只考慮墩身的應力情況，支座墊石不考慮。計算結果如圖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，最大壓應力為9.13MPa，小于C40混凝土最大抗壓強度；綴板以受拉為主，但混凝土抗拉強度一般較小，C40僅為1.65MPa。

單獨取出綴板I-I截面應力如下圖6所示。橫坐標為距地面的距離。由圖可知，綴板圓弧最低點的拉應力最大，為6.42MPa，該點往下2m范圍內綴板受拉，再往下則受壓。

圖2 有限元模型圖

圖3 橋墩X軸方向應力圖

圖4 橋墩y軸方向應力圖

圖5 橋墩y軸方向應力圖

圖6 綴板圓弧I-I截面應力圖

1.4 強度驗算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點拉應力達6.42MPa，遠大于C40混凝土的軸心抗拉強度設計值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應力過大開裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預應力來減小或消除混凝土的拉應力。于綴板圓弧最低點25cm以下設2層預應力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

由橋墩應力云圖可以看出，I-I截面為最不利截面，橋墩破壞時此截面最先開裂，因此對I-I截面進行承載能力極限狀態驗算。

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有限元實體模型得出的沿高度變化的I-I截面應力值。

表1 應力變化表

圖7 截面配筋圖

根據以上應力值進行積分，可得，此截面軸力設計值為350kN，彎矩設計值為17296kN·m。經計算，此截面為大偏心受拉構件，按照以下公式進行驗算[2]：

(1)軸向承載能力驗算(普通鋼筋僅考慮截面頂端兩排受拉Φ28鋼筋)

(2)彎矩承載能力驗算(普通鋼筋僅考慮截面頂端兩排受拉Φ28鋼筋)

解得破壞時混凝土受壓區高度

由上可見截面承載能力極限狀態驗算滿足要求。

2 利用邁達斯建立橋墩的梁格模型分析

2.1 正常使用極限狀態裂縫驗算

由以上分析可知，綴板圓弧最低點拉應力達6.42MPa，遠大于C40混凝土的軸心抗拉強度設計值1.65MPa，因此，為避免綴板拉應力過大開裂影響橋梁的使用性能，綴板頂部需張拉預應力來減小或消除混凝土的拉應力。于綴板圓弧最低點25cm以下設2層預應力，層間間距為40cm，每層為2束ΦS15.2-12的鋼絞線。

利用邁達斯建立橋墩的梁格模型并進行計算[3]。墩底節點全部固結，墩頂節點自由。支反力及制動力作為集中荷載施加于墩頂節點，按上述布置方式輸入預應力荷載。鋼絞線的抗拉強度標準值為1860MPa，張拉控制應力為1395MPa，采用一端錨固，一端張拉的方式進行預應力張拉。每個支座反力為8750kN，制動力為193.1kN。橋墩自重1803kN。

未張拉預應力前，按照正常使用極限狀態短期效應組合組合，橋墩應力如下圖8所示：

圖8 未張拉應力圖

圖9 張拉后橋墩應力圖

張拉預應力后，按照正常使用極限狀態短期效應組合組合，橋墩應力如圖9所示：

可見施加預應力以后綴板為全預應力構件，綴板頂部的壓應力為1.43MPa，大大改善了綴板的應力狀況，混凝土不會開裂。

2.2 施工階段強度驗算

對于施工階段，未施加支反力及制動力的情況下，橋墩僅承擔自重和預應力荷載。其應力情況詳見圖10：橋墩最大壓應力為7.89MPa，小于混凝土的抗壓強度設計值18.4MPa，由此可見施工過程中橋墩是安全的。

圖10 施工階段橋墩應力圖

3 結論

通過計算分析可以看出：花瓶式橋墩綴板中部為結構最不利受力截面。在分析過程中可以利用ANSYS得到該截面的應力變化情況，從而可以積分得出截面的內力，根據公路橋規進行配筋，并且利用梁格單元進行未張拉預應力、已張拉預應力及施工階段裂縫和強度驗算，均滿足要求。可以為今后花瓶式橋墩的設計與計算提供很好的參考。

[1]延波、胡達和、趙榮花.花瓶式橋墩頂部結構分析與配筋[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應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004：83-85.

[3]E.c.漢勃利.橋梁上部結構性能[M].郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.