花瓶墩空间受力分析与设计＊

阴文蔚,邹 魁,李青燕

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600;2.湖南中大设计院有限公司,湖南长沙 410075;3.湖南省地球物理地球化学勘查院,湖南长沙 410002)

花瓶墩空间受力分析与设计＊

阴文蔚1,邹 魁2,李青燕3

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600;2.湖南中大设计院有限公司,湖南长沙 410075;3.湖南省地球物理地球化学勘查院,湖南长沙 410002)

以实际桥梁工程为例,介绍花瓶墩的空间受力分析,根据花瓶墩的受力特点,对该桥墩的横桥向应力进行详细的计算。在设计该桥墩时,应通过墩顶施加预应力的方法,以改善墩顶混凝土的横向受力。结果分析表明,该方法对城市桥梁墩台的设计与施工,具有一定的参考价值。

花瓶墩;横桥向;拉应力;预应力

随着我国社会经济水平的发展,桥梁结构形式日新月异,人们对桥梁建设的要求不再单纯地追求经济适用,对桥梁景观的要求也越来越高,更加注重技术经济合理与环境协调的景观效果。城市桥梁墩台设计开始抛弃早期的以重力式圬工结构,向纤细、美观的方向发展,越来越多造型新颖的桥墩被运用到实际工程中,如 Y型墩、V型墩、门式墩、花瓶墩等。

本文以某大桥桥墩为例,介绍花瓶墩的空间受力分析,根据花瓶墩的受力特点,对该桥墩的横桥向应力进行详细的计算。提出了在该桥墩墩顶施加预应力的设计构想。

一、概况

该桥墩墩身结构图如图 1所示,在横桥向宽度自下而上渐变,由圆曲线段部分和直线段部分组成,其中圆曲线段部分圆曲线半径为 644.1cm,竖直高度为 360cm,与圆曲线段部分上部衔接的直线段部分高度为 80cm。墩身上部横桥向最大宽度为 570cm,下部与承台连接处最小宽度为 350cm;顺桥向方向宽度为 180cm。

在墩顶垫石 (120cm×120cm)上设置两个盆式支座,支座横向间距 400cm。

图1 桥墩结构图

二、有限元模型的建立

(一 )计算方法

支座位于墩柱边缘,墩顶受力复杂,初等梁理论已不适用。本文按空间有限元理论,采用有限元程序 Civil FEA建立模型对墩帽进行空间受力分析。以横桥向为 X轴,顺桥向为Y轴,竖直方向为 Z轴建立坐标系。墩身混凝土采用 8节六面体单元模拟,因为主要计算墩顶局部受力状态,取承台以上部分建模计算,在承台处固结,将上部结构作用以均布面荷载的形式作用在垫石上。建模时先不考虑钢筋作用,根据计算所得混凝土拉应力产生的拉力用预应力钢筋拉力等效处理来计算预应力钢筋用量。有限元计算模型如图 2所示。

图2 墩身计算模型

(二 )计算参数

墩身采用 C40混凝土,弹性模量:Ec=3.25×104MPa;泊松比:νc=0.2;轴心抗拉强度标准值:ftk=2.4MPa,轴心抗拉强度设计值:ftd=1.65MPa。

(三 )设计荷载

根据纵向总体计算结果,取荷载组合标准值,墩顶支反力为 10700.0KN,将支反力平均分配给两个支座,并在支座范围按均布力作用在墩顶垫石上。

q=N/S=10700.0×1000N/(120cm ×120cm)=743.1N/cm2

(四)计算结果及分析

在均布荷载 q极其自重作用下,求解得到桥墩各部位的内力,计算结果如下,墩身应力云图及墩身对称轴处横向正应力线上图如 3所示。

图3 应力云图、线上图

计算结果显示,在墩顶处出现 5.02MPa的拉应力,该拉应力超过混凝土拉应力容许值,故将该部分拉应力用积分法换算为拉力Nd,由精轧螺纹钢筋来承受。

墩身对称轴处正应力见图 4。

图4 墩身对称轴处横向正应力

Nd=应力图面积 ×墩身厚度 =2411.9×1.8=4341.42KN。

选用Φ32精轧螺纹钢筋对墩身施加预应力,取 0.5fpk作为有效预应力,则所需预应力根数为:

n=Nd/(AS×σ)=4341.42×103N/(804.2mm ×0.5×930MPa)=11.6根 ,故取 12根。

图5 精轧螺纹钢筋布置图

将精轧螺纹钢筋分两层 (如图 5所示)在墩顶横桥向布置,取张拉控制应力为 0.9fpk,即 837MPa,用 Civil FEA再次建立模型,计算结果如图 6所示。

图6 应力云图线上图

结果显示,施加预应力后,墩顶拉应力减小到一个很小的值,最大拉应力为 0.917MPa,可见,在墩顶张拉精轧螺纹钢筋改善了该处混凝土的受力状况,有效地控制了墩顶裂缝的出现。

三、结语

在墩顶施加预应力后有效地改善了墩顶混凝土的受力,最大限度地控制了墩顶裂缝的出现,本文提出的有关花瓶墩设计计算和受力特点的阐述和分析,具有较高的工程应用价值,可为该类型的桥墩设计和计算提供参考。

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2010-09-06

阴文蔚 (1983-),男,山西平遥人,硕士研究生。