钢筋混凝土花瓶墩系梁强度计算比较研究

2017-07-05许有胜深圳市市政设计研究院有限公司深圳518029

福建交通科技 2017年3期

许有胜（深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029）

钢筋混凝土花瓶墩系梁强度计算比较研究

许有胜
（深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029）

针对现有规程中缺乏针对钢筋混凝土花瓶墩极限承载力分析方法的现状，以某高架桥的花瓶墩为工程背景，通过基于实体元的偏心受拉法、拉区应力面积法和拉压杆模型等三种方法对其极限承载能力计算进行比较分析。结果表明，基于实体元的花瓶墩受力性能可以得到系梁高度方向的应力分布情况，认为墩顶系梁可以作为偏心受拉构件进行验算。拉区应力面积法计算结果大于另两种方法，拉压杆模型法和基于实体元的偏心受拉法计算结果较为接近，均可用于花瓶墩的承载能力分析，拉区应力法计算结果总体偏于保守。

花瓶墩极限承载力实体元拉压杆拉区应力

1 绪论

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，交通车流量迅猛增加，城市高架桥和跨线桥日益增多，在城市桥梁建设中，不再单纯地追求经济实用，而开始追求技术经济合理与环境协调的景观效果，在城市高架桥和跨线桥中，桥梁的墩台形式对桥梁的景观起到十分重要的作用。因此，城市桥梁墩台设计开始抛弃传统的重力式桥墩，向纤细美观的轻型桥墩发展，相继出现了如Y形墩、V形墩、T形墩、悬臂墩、门架墩、花瓶墩等。特别是花瓶墩近几年在国内被广泛的运用[1-4]，花瓶墩在城市桥梁的应用具有如下几个优点∶花瓶墩占地空间小，对用地日益紧张的城市是十分有利的；花瓶墩的两个悬挑弧线具有很好的美观效果；花瓶墩便于今后桥梁支座的更换。尽管花瓶墩具有很好的适用性，但该桥墩的受力比较复杂，增加了设计计算的难度，目前已有部分研究[4-12]，但还没有一套针对于花瓶墩的成熟设计理论和方法，以致于在某些工程应用中出现了一些问题。本文以某城市高架桥中采用花瓶墩墩顶系梁出现裂缝为工程背景，通过大量资料的收集整理，比较分析了花瓶薄壁墩承载能力的计算方法，为其承载力计算提供依据，并为后期的维修加固提供参考。

2 工程背景

某城市高架桥桥梁上部结构采用鱼腹梁，下部结构采用柱式墩及花瓶墩，见图1，其中花瓶墩在检查中发现墩顶系梁开裂，部分典型裂缝见图2。

图1 C型桥墩截面尺寸(单位：cm)

图2 桥墩墩顶系梁开裂

3 基于实体元的受力性能分析

3.1 系梁内力计算

3.1.1 有限元模型

采用大型通用软件ANSYS建立有限元模型，采用Solid65实体单元，墩底约束。材料强度采用C40混凝土的弹性模量，泊松比0.167，桥墩模型共41595个节点，37260个单元，见图3。

图3 桥墩有限元实体模型

3.1.2 系杆内力计算

1）内力计算依据

根据《水工混凝土结构设计规范》（DL-T 5057-2009）D.2[13]，当截面在配筋方向的正应力图形接近线性分布时，可换算为内力，按规定进行配筋计算。在计算内力时是得到沿截面高度的应力分布，基本呈线性分布，然后换算为相应的内力。

2）计算过程

承载能力极限状态组合下，沿梁高的横桥向应力云图如图4所示，不同梁高的应力分布见图5，基本符合线性分布规律，系梁处于偏心受拉状态。取跨中截面，梁高1.2m处，沿梁高分布的应力计算图式见图6，计算得到按强度组合的弯矩Md=4788kN·m，轴拉力Nd=4140kN。

图4 墩顶系梁应力分布云图（单位：Pa）

图5 不同梁高位置的应力分布

图6 系梁跨中上下缘平均应力分布（MPa）

3.2 构件验算

3.2.1 验算截面高度

根据应力分布，系梁处于大偏心受拉状态，计算中取最不利截面，取梁高最小的跨中截面（1.2m高度）进行验算，系梁的尺寸和配筋见表1。

表1 系梁验算尺寸及配筋情况一览表

3.2.2 系梁强度及裂缝检算

按矩形截面大偏心受拉构件验算，并根据《桥规》6.4.3条，计算系梁裂缝宽度及钢筋应力，C2偏安全地取值1.5，计算结果见表2。

表2 桥墩系梁检算成果

4 拉区应力求和法和拉压杆模型

4.1 拉区应力面积法

以受纯弯作用的混凝土梁为例，其横截面上剪应力为0，主拉应力即为受拉区截面上的拉应力。在横向，每个条带上拉应力近似均匀分布；在竖向，主拉应力随高度线性变化。这种情况称之为纯弯作用下的“拉应力域”。当“拉应力域”内拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土开裂，在相应开裂区域需要配置钢筋来承担引起混凝土开裂的拉应力，保证构件能够继续承担弯矩作用。需要说明的是受纯弯作用的浅梁，由于符合平截面假定，一般总是将钢筋布置在最外侧，这种配筋方法效率最高。在承载力计算中，计算出拉应力域的拉力，并全部由受力钢筋承担，以验算强度是否满足要求。

4.2 拉压杆模型

《桥规》[14]8.2.1条中，独柱式墩台盖梁宜按拉压杆模型进行设计（见图7）。

图7 独柱式墩台盖梁的拉压杆模型及顶部横向拉力计算公式

5 计算结果比较分析

经过计算，得到结果见表3。表中内力值、截面强度均取系梁跨中截面。其中，强度验算法一为拉区应力求和法，即通过对拉应力区应力求和，将所得的拉力全部由钢筋承担，推求所需钢筋量（钢筋应力设计值按280MPa计算）。强度验算法二为撑杆系杆法，即根据《桥规》8.2.1条有关薄壁花瓶墩系杆拉力计算公式：Td=0.44Fd（2-b/e），近似推求系杆力，式中Fd、b、e分别为墩顶支座反力、墩底横向宽度和支座间距。强度验算法三为偏心受拉法。根据计算结果，得到桥墩系梁位置需要配置的受力钢筋数量，在“1.2恒+1.4活+0.5沉降”的荷载组合作用下，拉区应力求合法得到的配筋数量为47Φ25，另两种方法的钢筋数量为38Φ25，且均超过实际配筋数量，说明桥墩实际配筋不足，承载力不能满足实际要求，需要进行加固。从计算结果来看，拉区应力求和法计算结果偏大，拉压杆模型法和基于实体元的偏心受拉法结果较为接近，总体结果更为合理，可以用于花瓶墩的受力分析和设计中，并相互验证。