关于天津大道墩柱的受力特征及钢筋合理性布置的探讨

李连强，杨 亮，陈明贵

（天津市政工程设计研究院，天津市 300457）

0 前言

随着我国社会经济水平的发展，对桥梁景观的要求越来越高，造型美观的墩柱越来越多地应用于各种桥梁中，特别是城市高架桥、人行天桥等。

天津大道连接天津中心城区小白楼中心商务区与滨海新区于家堡、响螺湾中心商务区，平行于海河，距其南侧2～4 km，沿线经过津南区双港镇、辛庄镇、咸水沽镇、双桥河镇、葛沽镇、塘沽区新城镇及滨海新区中心商业商务区。工程起点为外环线津沽立交桥，终点为滨海新区中央大道，全长36.745 km，双向8车道，设计时速80 km/h。道路两侧将建生态防护带，栽种多种绿色植物，形成“三季有花、四季常绿”的自然园林景观。

适用于现浇连续箱梁的墩形较多，有矩形截面墩柱、圆形截面墩柱以及Y形墩、花瓶墩等异形墩柱。根据上部结构特点，综合考虑施工难易程度、经济指标等因素，采用独柱花瓶墩作为天津大道现浇连续箱梁的下部结构形式，见图1、图2。

本文以独柱花瓶桥墩为例，对墩柱进行空间分析。结合空间分析结果，对此类桥墩的结构形式和钢筋布置方式的合理性进行探讨。

1 不考虑钢筋作用的有限元模型

1.1 建立模型

使用空间有限元软件（Midas FEA）建立模型进行分析，见图3、图4。墩帽开口部分采用六面体单元，其他部分采用四面体单元。单元大小控制在边长小于20 cm，整个桥墩单元数26878个，节点数6001个。因为主要计算墩帽受力状态，取承台以上部分建模计算，在承台处固结。建模时不考虑钢筋作用。

1.2 荷载组合

根据纵向总体计算结果，墩顶反力为：

R承载极限组合=17583 kN，

R短期效应组合=14561 kN。

考虑到纵向计算时活载已计入偏载，所以将反力平均分配到两个支座，支座反力以面荷载加载到支座上：

q1=17583/(2×0.7×1.2)=10467 kPa，

q2=14561/(2×0.7×1.2)=8667 kPa。

1.3 计算结果

沿X轴、Y轴、Z轴方向正应力等值线图如图5～图7所示。

从图5～图7中可以看出，在短期效应组合下，墩身横向正应力最大值出现在墩顶开口处，应力达到了6.02 MPa，超过C35混凝土轴心抗拉强度设计值（1.52 MPa），需进行抗拉配筋设计。最大压应力8 MPa出现在圆弧段的中部（支座范围内局部压应力除外），小于C35混凝土允许的压应力16.1 MPa，混凝土抗压能够满足要求。

图6 沿Y轴方向正应力等值线图

图7 沿Z轴方向正应力等值线图

1.4 基于计算结果的配筋设计

以上的应力结果是基于弹性连续体的假定，但混凝土受拉将导致开裂，比如墩顶开口处，应力会重分布，由于目前桥梁规范采用极限状态设计理论，因而通常难以给出截面配筋设计。以下借助分析的应力结果，通过一些假定，进行配筋计算。

墩身对称轴处横向正应力见表1、图8。

从图8可以看出，在1.6 m范围内δmax～δmin，可以将隔离体近似等效为h＝1.6 m偏心受拉构件（见图9～图12）。

从隔离体等值云图可以看出，最大正拉应力与最大主拉应力数值近似相等，二者方向趋于一致，因此按照正应力方向设置拉筋。

按偏安全假设，混凝土开裂以后，超过混凝土允许拉应力1.52 MPa的部分不考虑混凝土的作用，拉力完全由钢筋提供。钢筋应力没有超过屈服强度，混凝土受压区合力中心位置不变。

（1）对隔离体高0.6 m范围的应力积分，得到内力为：

N短期效应组合=2600 kN，

N承载极限组合=3600 kN。

（2）根据承载能力极限组合估算钢筋：

fsd=280 MPa，δss≤fsd

估算钢筋根数：

表1 墩身对称轴处横向正应力

（3）根据短期效应组合估算钢筋：据裂缝宽度公式估算钢筋应力：

得

估算钢筋根数：

综上所述，应布置大于22根φ32的钢筋才能满足墩顶混凝土裂缝宽度要求,根据外形尺寸，设置32根φ32钢筋，重新计算钢筋应力：据裂缝宽度公式：

2 考虑钢筋作用的有限元模型

2.1 建立模型

利用上面的墩柱模型，将32根φ32的钢筋植入，见图13。混凝土考虑材料非线性，本构模型选取总应变裂缝，张拉函数选取脆性，见图14。

2.2 计算结果

（1）承载能力极限组合下的钢筋应力，见图15。

δss=131.8 MPa＜280 MPa,钢筋未屈服。

（2）短期效应组合下的钢筋应力，见图16。

δss=117.5 MPa

据裂缝宽度公式：裂缝宽度满足规范要求。

3 墩帽斜截面抗剪计算

4 结语

（1）通过利用Midas FEA的材料非线性分析，将钢筋植入模型，计算出钢筋应力，然后计算裂缝；与未考虑钢筋的线弹性模型，通过积分求出内力，然后估算钢筋面积比较，概念清晰，简单、实用，具体对比见表2。

表2 钢筋应力对比计算分析

（2）从空间分析结果可以看出，最大拉应力出现在墩帽中心开口处，设计配筋时应予以重视，可以配置拉筋或主动加预应力的方法，来提高混凝土的抗裂性能和极限承载能力。

（3）从墩帽斜截面抗剪计算可以看出，抗剪主要由混凝土承受，墩帽内可不设箍筋和弯起钢筋。

[1]中交公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]项贻强,李毅,王晖.独柱T型桥墩裂缝成因分析及加固方法研究[J].中国市政工程,2005(6).