張朝貴 魏樂(lè)永 王 飛

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)橋梁景觀造型的要求越來(lái)越高，花瓶墩因其造型美觀、線形流暢而廣泛應(yīng)用于橋梁工程中?；ㄆ慷张c普通橋墩的區(qū)別在于墩頂構(gòu)造復(fù)雜，如何準(zhǔn)確把握住花瓶墩墩頂?shù)氖芰μ攸c(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，成為花瓶墩設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文以某花瓶墩為例進(jìn)行墩頂空間計(jì)算分析，總結(jié)出對(duì)花瓶墩進(jìn)行計(jì)算分析的思路，揭示了花瓶墩墩頂主要的受力特點(diǎn)，為配筋設(shè)計(jì)提供了理論支持。

1 結(jié)構(gòu)描述

本例為一城市立交，主梁采用跨徑20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、樁基礎(chǔ)。在兩聯(lián)之間的過(guò)渡墩采用花瓶墩。圓柱段橋墩直徑D=120 cm，在墩頂以R=662.5 cm曲線順橋向漸變擴(kuò)大，頂端寬度210 cm，支座間距90 cm，尺寸見(jiàn)圖1。承載能力極限狀態(tài)支座反力R極限=3 000 kN/支座。

2 有限元計(jì)算分析

計(jì)算軟件采用Midas Civil 2006通用有限元程序，采用實(shí)體單元模擬，混凝土彈性模量E=3.15×104MPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3，在模型中不考慮鋼筋作用，支座反力采用均布力作用于支座墊石，墩底固結(jié)。模型圖示見(jiàn)圖2。

圖1 設(shè)計(jì)尺寸

圖2 計(jì)算模型

在花瓶墩的計(jì)算分析中，支座中心距墩中心線的距離對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響。在施工中會(huì)產(chǎn)生支座的安裝誤差，在使用中支座還會(huì)因?yàn)榱后w伸縮、車(chē)輛制動(dòng)等產(chǎn)生位移。為了偏安全的考慮上述因素，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，在計(jì)算模型中，將支座距墩中心的距離由設(shè)計(jì)值45 cm增加為60 cm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)花瓶墩受力仍符合圣維南原理，兩支座下的主壓應(yīng)力跡線沿墩形變化然后交匯，在墩頂一定范圍內(nèi)存在較大的沿懸臂方向的拉應(yīng)力，特別是在距墩頂約30 cm范圍內(nèi)拉應(yīng)力較大，剪應(yīng)力一般不控制，見(jiàn)圖3，圖4。

3 墩頂配筋計(jì)算

上述有限元分析的結(jié)果是基于彈性連續(xù)體的，而實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土將開(kāi)裂，故假定混凝土不承受拉應(yīng)力，全部拉力都由鋼筋承受。將實(shí)體單元應(yīng)力分段積分，就可得沿高度方向的拉力分布情況，見(jiàn)圖5，圖6。墩頂對(duì)稱面中心處正應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖3 主應(yīng)力矢量圖

圖4 主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖5 墩頂對(duì)稱面中心處正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6 墩頂內(nèi)力分段積分結(jié)果（單位：kN）

表1 墩頂對(duì)稱面中心處正應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出幾個(gè)特點(diǎn)：1)最頂層10 cm范圍內(nèi)的拉力最大，約占全部拉力的一半;2)拉力衰減迅速，大約在距離頂面50 cm以后變?yōu)閴毫Α?/p>

理論上墩頂拉筋應(yīng)根據(jù)計(jì)算出的拉力分布情況分段配筋，但是在實(shí)際中由于最頂層鋼筋的抗拉效果最明顯，而且對(duì)控制裂縫最有利，故偏保守按最頂層鋼筋能抵抗全部拉力設(shè)計(jì)，然后在頂面約50 cm范圍內(nèi)配置較密的構(gòu)造拉筋。

拉力合計(jì)：T=681 kN;鋼筋面積：A=T/fsd=681 kN/280 MPa= 2 432.2 mm2。

根據(jù)截面布置，在頂層配置8Φ22(A=3 040.8 mm2)拉筋，然后在頂面50 cm范圍內(nèi)每隔10 cm布置一層8Φ16的分布鋼筋。

上述配筋方法是基于承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)規(guī)范，還應(yīng)進(jìn)行正常使用階段的配筋計(jì)算，其方法與承載能力極限狀態(tài)是一樣的：1)根據(jù)正常使用階段的反力計(jì)算出墩頂拉力Tss;2)根據(jù)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第6.4.3條，可以計(jì)算出鋼筋控制應(yīng)力σss;3)求得抗裂驗(yàn)算所需鋼筋面積Ass=Tss/σss。

4 結(jié)語(yǔ)

花瓶墩墩頂存在較大的拉力，這是設(shè)計(jì)中要引起重視的地方。用空間有限元方法可以比較準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算分析，為配筋設(shè)計(jì)提供理論支持。

［1］ JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 戴世宏，費(fèi) 梁.淺談花瓶墩的設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2008(9)：68-71.

［3］ 康永臣，靳戰(zhàn)飛.花瓶形橋墩墩頂空間受力計(jì)算［J］.山西建筑，2007，33(22)：322-323.