城市桥梁花瓶墩设计分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

城市桥梁花瓶墩设计分析

■李超旭

(安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

本文对花瓶式桥墩分别建立了实体模型和空间梁格模型进行分析，探讨了该类型桥墩的受力特点，并提出了合理的布筋方式，可以为类似桥墩进行设计、计算参考。

花瓶式桥墩 实体模型 梁格法 配筋

随着我国经济建设的不断发展，城镇人口急剧增加，各大中型城市的交通问题十分严重。汽车运输所带来的空气污染、交通堵塞、资源耗费成为大中型城市在经济发展建设中所面临的一大难题。城市高架桥系统是目前解决城市交通日趋繁忙这一问题的主要手段之一。进入20世纪80年代中期，全国各大城市开始兴建通行能力高、行驶速度快的高架桥工程和大型立交枢纽，如北京市的三环路及首都机场高速路等。这类城市高架桥的共同特点就是对景观要求较高，大部分的桥墩采用一定的造型，花瓶式桥墩因造型美观，被广泛使用。但是由于花瓶墩线形的流畅性和结构的复杂性，使得分析、计算较为困难，不能利用常规方法按照短梁或者长梁进行配筋[1]。

本文以独柱花瓶桥墩为例，利用有限元对其进行了结构空间分析，从而探讨其横向受力及钢筋配置的合理性。

1 实体有限元模型应力分析

1.1 建立有限元模型

桥墩混凝土为C40，基础为嵌岩桩，

结构示意图如图1所示；利用ANSYS有限元程序建立桥墩的实体模型并进行分析，如图1所示，单元采用solid92实体单元。

1.2 荷载组合

正常使用极限状态下支座反力为17500kN，同时制动力为386.1kN，所以每个支座垫石承担的竖向反力为8750kN；制动力作用于垫石顶面。

1.3 计算结构分析

分析计算结构时，只考虑墩身的应力情况，支座垫石不考虑。计算结果如图2～图5所示。

图1 墩柱外形(单位：cm)

由图2～图5可知：桥墩墩柱受压，最大压应力为9.13MPa，小于C40混凝土最大抗压强度；缀板以受拉为主，但混凝土抗拉强度一般较小，C40仅为1.65MPa。

单独取出缀板I-I截面应力如下图6所示。横坐标为距地面的距离。由图可知，缀板圆弧最低点的拉应力最大，为6.42MPa，该点往下2m范围内缀板受拉，再往下则受压。

图2 有限元模型图

图3 桥墩X轴方向应力图

图4 桥墩y轴方向应力图

图5 桥墩y轴方向应力图

图6 缀板圆弧I-I截面应力图

1.4 强度验算

由以上分析可知，缀板圆弧最低点拉应力达6.42MPa，远大于C40混凝土的轴心抗拉强度设计值1.65MPa，因此，为避免缀板拉应力过大开裂影响桥梁的使用性能，缀板顶部需张拉预应力来减小或消除混凝土的拉应力。于缀板圆弧最低点25cm以下设2层预应力，层间间距为40cm，每层为2束ΦS15.2-12的钢绞线。

由桥墩应力云图可以看出，I-I截面为最不利截面，桥墩破坏时此截面最先开裂，因此对I-I截面进行承载能力极限状态验算。

I-I截面普通钢筋布置方式如下图7所示。顶端两排为Φ28钢筋。

表1为由ANSYS有限元实体模型得出的沿高度变化的I-I截面应力值。

表1 应力变化表

图7 截面配筋图

根据以上应力值进行积分，可得，此截面轴力设计值为350kN，弯矩设计值为17296kN·m。经计算，此截面为大偏心受拉构件，按照以下公式进行验算[2]：

(1)轴向承载能力验算(普通钢筋仅考虑截面顶端两排受拉Φ28钢筋)

(2)弯矩承载能力验算(普通钢筋仅考虑截面顶端两排受拉Φ28钢筋)

解得破坏时混凝土受压区高度

由上可见截面承载能力极限状态验算满足要求。

2 利用迈达斯建立桥墩的梁格模型分析

2.1 正常使用极限状态裂缝验算

由以上分析可知，缀板圆弧最低点拉应力达6.42MPa，远大于C40混凝土的轴心抗拉强度设计值1.65MPa，因此，为避免缀板拉应力过大开裂影响桥梁的使用性能，缀板顶部需张拉预应力来减小或消除混凝土的拉应力。于缀板圆弧最低点25cm以下设2层预应力，层间间距为40cm，每层为2束ΦS15.2-12的钢绞线。

利用迈达斯建立桥墩的梁格模型并进行计算[3]。墩底节点全部固结，墩顶节点自由。支反力及制动力作为集中荷载施加于墩顶节点，按上述布置方式输入预应力荷载。钢绞线的抗拉强度标准值为1860MPa，张拉控制应力为1395MPa，采用一端锚固，一端张拉的方式进行预应力张拉。每个支座反力为8750kN，制动力为193.1kN。桥墩自重1803kN。

未张拉预应力前，按照正常使用极限状态短期效应组合组合，桥墩应力如下图8所示：

图8 未张拉应力图

图9 张拉后桥墩应力图

张拉预应力后，按照正常使用极限状态短期效应组合组合，桥墩应力如图9所示：

可见施加预应力以后缀板为全预应力构件，缀板顶部的压应力为1.43MPa，大大改善了缀板的应力状况，混凝土不会开裂。

2.2 施工阶段强度验算

对于施工阶段，未施加支反力及制动力的情况下，桥墩仅承担自重和预应力荷载。其应力情况详见图10：桥墩最大压应力为7.89MPa，小于混凝土的抗压强度设计值18.4MPa，由此可见施工过程中桥墩是安全的。

图10 施工阶段桥墩应力图

3 结论

通过计算分析可以看出：花瓶式桥墩缀板中部为结构最不利受力截面。在分析过程中可以利用ANSYS得到该截面的应力变化情况，从而可以积分得出截面的内力，根据公路桥规进行配筋，并且利用梁格单元进行未张拉预应力、已张拉预应力及施工阶段裂缝和强度验算，均满足要求。可以为今后花瓶式桥墩的设计与计算提供很好的参考。

[1]延波、胡达和、赵荣花.花瓶式桥墩顶部结构分析与配筋[J].都市快轨交通，2010，23(5)：80-82.

[2]JTG D62-2004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，2004：83-85.

[3]E.c.汉勃利.桥梁上部结构性能[M].郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982.