花瓶墩墩顶配筋设计

2013-03-02张朝贵魏乐永

山西建筑 2013年3期

张朝贵魏乐永王飞

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

随着我国经济社会的发展，对桥梁景观造型的要求越来越高，花瓶墩因其造型美观、线形流畅而广泛应用于桥梁工程中。花瓶墩与普通桥墩的区别在于墩顶构造复杂，如何准确把握住花瓶墩墩顶的受力特点，并进行相应的计算分析，成为花瓶墩设计中的难点。本文以某花瓶墩为例进行墩顶空间计算分析，总结出对花瓶墩进行计算分析的思路，揭示了花瓶墩墩顶主要的受力特点，为配筋设计提供了理论支持。

1 结构描述

本例为一城市立交，主梁采用跨径20 m钢筋混凝土现浇连续箱梁，下部结构为柱式墩、桩基础。在两联之间的过渡墩采用花瓶墩。圆柱段桥墩直径D=120 cm，在墩顶以R=662.5 cm曲线顺桥向渐变扩大，顶端宽度210 cm，支座间距90 cm，尺寸见图1。承载能力极限状态支座反力R极限=3 000 kN/支座。

2 有限元计算分析

计算软件采用Midas Civil 2006通用有限元程序，采用实体单元模拟，混凝土弹性模量E=3.15×104MPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3，在模型中不考虑钢筋作用，支座反力采用均布力作用于支座垫石，墩底固结。模型图示见图2。

图1 设计尺寸

图2 计算模型

在花瓶墩的计算分析中，支座中心距墩中心线的距离对计算结果有很大影响。在施工中会产生支座的安装误差，在使用中支座还会因为梁体伸缩、车辆制动等产生位移。为了偏安全的考虑上述因素，结合本项目的实际情况，在计算模型中，将支座距墩中心的距离由设计值45 cm增加为60 cm。

经过计算分析，发现花瓶墩受力仍符合圣维南原理，两支座下的主压应力迹线沿墩形变化然后交汇，在墩顶一定范围内存在较大的沿悬臂方向的拉应力，特别是在距墩顶约30 cm范围内拉应力较大，剪应力一般不控制，见图3，图4。

3 墩顶配筋计算

上述有限元分析的结果是基于弹性连续体的，而实际的混凝土结构中混凝土将开裂，故假定混凝土不承受拉应力，全部拉力都由钢筋承受。将实体单元应力分段积分，就可得沿高度方向的拉力分布情况，见图5，图6。墩顶对称面中心处正应力见表1。

图3 主应力矢量图

图4 主拉应力云图（单位：MPa）

图5 墩顶对称面中心处正应力图（单位：MPa）

图6 墩顶内力分段积分结果（单位：kN）

表1 墩顶对称面中心处正应力

根据计算结果，可以看出几个特点：1)最顶层10 cm范围内的拉力最大，约占全部拉力的一半;2)拉力衰减迅速，大约在距离顶面50 cm以后变为压力。

理论上墩顶拉筋应根据计算出的拉力分布情况分段配筋，但是在实际中由于最顶层钢筋的抗拉效果最明显，而且对控制裂缝最有利，故偏保守按最顶层钢筋能抵抗全部拉力设计，然后在顶面约50 cm范围内配置较密的构造拉筋。

拉力合计：T=681 kN;钢筋面积：A=T/fsd=681 kN/280 MPa= 2 432.2 mm2。

根据截面布置，在顶层配置8Φ22(A=3 040.8 mm2)拉筋，然后在顶面50 cm范围内每隔10 cm布置一层8Φ16的分布钢筋。

上述配筋方法是基于承载能力极限状态的计算结果。根据规范，还应进行正常使用阶段的配筋计算，其方法与承载能力极限状态是一样的：1)根据正常使用阶段的反力计算出墩顶拉力Tss;2)根据JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6.4.3条，可以计算出钢筋控制应力σss;3)求得抗裂验算所需钢筋面积Ass=Tss/σss。