管型预制墩比较分析

张树清　董　阁

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥　230088)



管型预制墩比较分析

张树清董阁

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：采用ANSYS软件建立了不同墩径的高强管型预制墩有限元模型，结合上部结构总体计算情况，对桥墩逐级加载进行计算，分析了预制墩应力特征，得到了最不利应力点位置，绘制出最不利应力点应力与墩顶荷载曲线图。

关键词：预制墩，应力，有限元，计算分析

1工程概况

高强管型预制墩作为一种新型桥墩结构，具有结构形式新颖、承载力强、工厂化预制和装配化施工等优势，其施工成本降低并且施工质量得以系统性控制。作为一种新型桥墩结构，此前在国内公路建设中尚未有相关研究和应用，目前尚没有统一的设计规范可供参照执行。

某桥全长约14.31 km，采用高速公路标准建设，设计速度120 km/h，双向四车道，全宽26.5 m。引桥采用35 m和40 m钢板组合梁，分别采用预制墩，下接承台桩基础。桥墩采用预制墩，混凝土强度等级为C70，桩基采用PHC管桩。预制墩根据墩高不同，采用不同高度整体预制，并进行现场拼装，在预制墩底和承台间预留杯口式安装岛，墩顶预留钢筋，墩帽采用现场浇筑。预制圆柱墩直径为1.0 m，1.2 m，1.3 m，1.4 m，共四种规格壁厚分别为0.20 m，0.25 m，0.30 m，0.35 m。预制墩与承台接头方式为，承台顶设环形杯口结构，高度1 m，顶宽0.40 m，内径分别为1.0 m，1.2 m，1.3 m，1.4 m。预制墩底采用梯形剪力纹，并对表面进行拉毛处理，以利于与杯口混凝土的充分咬合，并根据现场试验情况增设剪力孔和剪力筋，保证杯口结构传力的整体性和可靠性。在安装岛底部设直径47 cm，67 cm，77 cm，87 cm的定位墩，高度50 cm，采用C40混凝土浇筑，用于预制墩的安装定位和辅助固定。预制墩计算示意图见图1。

2计算模型

2.1有限元

预制桥墩混凝土采用C70混凝土，弹性模量Ec=3.70×104MPa,泊松比vc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01，轴心抗压强度标准值fck=44.5 MPa、抗拉强度标准值ftk=3.00 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=30.5 MPa，抗拉强度设计值ftd=2.07 MPa[1]。杯口混凝土采用C40混凝土，弹性模量Ec=3.25×104MPa,泊松比Vc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01，轴心抗压强度标准值fck=26.8 MPa、抗拉强度标准值ftk=2.40 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=18.4 MPa，抗拉强度设计值ftd=1.65 MPa。

根据全桥整体计算分析结果，选取整体计算最不利受力工况进行局部分析计算。采用通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区的空间仿真计算模型。有限元模型如图2所示。

分析结果与实际情况必然存在一定的差距，但在模型理想化过程中，保持了结构的基本特性，所以从总体上反映结构受力规律和特点[2]。在有限元分析中，真实的边界条件是很难模拟出来的，只能对其进行一系列假定。边界条件设置的与实际结构的近似程度将直接影响到计算的准确性[3]。在尽量考虑模型边界条件与实际结构近似的同时，对无法准确模拟的边界条件按偏于安全处理。根据全桥整体计算情况，提取有限元模型的位移边界条件和力的边界条件应按全桥总体计算得到的内力和位移加在模型上。在承台底约束位移边界，Uxyz三向全部约束。

2.2荷载工况

在局部分析中结合整体计算的工况结果，选取对结构最不利几个工况进行分析，计算出最不利加载工况桥梁结构响应，读取此工况支反力，以此力作为实体模型荷载边界条件[4，5]。荷载工况选取，最大轴力F=6 000 kN；最大剪力F=600 kN。轴力、弯矩均分10级加载，轴力由0 kN每级加载600 kN直至6 000 kN，剪力由0 kN每级加载60 kN直至600 kN。

荷载分级数据如表1所示。

3结果分析

对预制墩进行有限元分析，得到控制点E，F在所选取工况下应力分布，采用时程数据处理技术，绘制出应力随荷载变化关系曲线如图4～图6所示，并列出应力变化区间表如表2所示，图表中正数为拉应力，负数为压应力。

从图3～图6和表2，表3可以看出：

1)在线弹性范围内，预制墩应力随荷载增加而均匀增加，应力呈线性变化—直线变化。2)控制点E点(受拉侧)最大SX应力：1.0 m预制墩应力0.488 MPa，1.2 m预制墩应力0.497 MPa，1.3 m预制墩应力0.296 MPa，1.4 m预制墩应力0.097 MPa。3)控制点E点(受拉侧)最大SY应力：1.0 m预制墩应力1.873 MPa，1.2 m预制墩应力0.833 MPa，1.3 m预制墩应力0.159 MPa，1.4 m预制墩应力-0.356 MPa。4)控制点F点(受拉侧)最大SX应力：1.0 m预制墩应力-5.063 MPa，1.2 m预制墩应力-5.631 MPa，1.3 m预制墩应力-4.972 MPa，1.4 m预制墩应力-4.347 MPa。5)控制点F点(受拉侧)最大SY应力：1.0 m预制墩应力为-28.384 MPa，1.2 m预制墩应力-22.486 MPa，1.3 m预制墩应力-19.087 MPa，1.4 m预制墩应力-15.582 MPa。

墩径越大控制点应力越小，应力随墩径增加而减小，在计算荷载范围内，1.4 m预制墩应力较小，安全系数较大。当荷载加载到第10级时，预制墩应力达到最大，预制墩采用C70混凝土，局部最大应力在规范允许范围内。

4结语

通过对预制墩三维空间分析能直观的了解该构件应力分布情况，绘制出应力随荷载变化曲线。分别对1.0 m,1.2 m,1.3 m,1.4 m直径预制墩进行线性计算分析比较，预制墩在荷载作用下应力满足规范要求，承载力强度符合设计要求。1.0 m直径预制墩墩顶设计荷载须控制减小，1.3 m,1.4 m直径预制墩墩顶荷载可以适当放大。结构线弹性计算应力偏大，设计计算偏于安全。考虑施工中不确定因素，墩柱会存在一些缺陷，计算采用线性计算偏安全处理是合适的。

参考文献：

[1]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.

[2]颜全胜，孔嘉慧，韩大建.金沙洲大桥主桥墩空间应力分析[J].昆明理工大学学报(理工版)，2003，28(6):113-116.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]张树清,屈计划.矮塔斜拉桥索鞍静力分析.交通科技，2014(5):25-27.

[5]黎耀，郑凯峰，陈力波.大跨矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力计算分析[J].广东公路交通，2007(3):14-17.

A comparative analysis of the tubular prefabricated pier

Zhang ShuqingDong Ge

(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230088,China)

Key words:prefabricated pier, stress, FEM, computational analysis

Abstract:By using the software ANSYS, the paper establishes the finite element models of the high-strength tubular prefabricated pier with different pier diameter. Based on the overall calculation, the paper does a computational analysis of the piers when loaded step by step. It also analyzes stress nephogram of the prefabricated pier, pinpoints the most unfavorable stress points and draws the curve graph of the stress of the most unfavorable stress points and loads on the top of pier.

文章编号：1009-6825(2016)14-0149-02

收稿日期：2016-03-03

作者简介：张树清(1983- )，男，硕士，工程师

中图分类号：U443.22

文献标识码：A