花瓶型双柱墩关键位置配筋设计分析

文/夏至 同济大学

花瓶型双柱墩关键位置配筋设计分析

文/夏至 同济大学

以双柱式花瓶形桥墩为例，介绍桥墩设计与计算过程中需要注意的问题，并根据双柱式花瓶形桥墩的受力特点，对这种类型桥墩的关键位置进行详细的计算与分析，并提出简化配筋计算方法。

双柱花瓶墩；配筋；劈裂

1 引言

随着社会经济的发展，桥梁建设不再单纯地追求经济实用，在经济实用的基础上更注重桥梁与环境协调。目前桥梁上部结构大多数采用的是梁式体系，结构单调平淡难以体现景观效果。为了体现城市桥梁的景观效果，一般设计者在桥墩结构上采用了新的造型。墩柱并不再以简单的圆柱、方柱为主，实体墩、Y型墩、H型墩越来越多的被应用到实际工程中。异形桥墩结构其局部不再符合杆系受力特点，给设计者增加了分析计算的难度。对这些局部位置的设计需要采取更准确的分析模型，对其各个部分的内力变形加以验算和配筋，使其满足强度、刚度和稳定等各方面的要求。本文以某实际工程为例，详细介绍其桥墩局部位置的受力分析，并提出简化配筋方法。

2 研究背景

桥墩为过渡墩，两侧均为30m现浇箱梁。墩为双柱带系梁形式，双柱横桥向宽1.8m，弯曲半径28m；顺桥向宽1.4m，墩顶加宽至2.6m。桥墩系梁宽1.1m，高1.2m～1.5m，桥墩高10m。桥墩受力有如下特点：

（1）整体计算按杆系程序建模，算出立柱底部的受力。

（2）立柱向外弯曲，墩顶受力复杂，顶部不符合平截面假定。

（3）纵桥向因布置支座的需求，从1.4m扩大到墩顶2.6m，墩顶受力复杂，按照常规计算方法已经不适用。

（4）双柱式墩横系梁受弯和受拉，局部区域受力复杂。

3 花瓶形双柱墩局部受力分析

支座力作用于墩顶会对墩顶和横系梁产生劈裂效应，为真实模拟桥墩的受力状态，过实体有限元模拟其受力状态。

3.1 计算荷载：

单侧箱梁恒载反力4250KN，活载反力2193KN。

3.2 计算工况：

恒载+活载（单侧桥墩偏载）

3.3 计算模型：

计算采用MIDAS CIVIL7.4.1。模型采用8节点实体单元，边界条件为：承载底固结，桥墩离散为4万多个实体单元。

实体单元有限元分析可以准确模拟构件的受力状态，但得到的计算结果是实体单元应力值，不能够直接应用于构件的配筋设计。本文在计算得到构件的应力计算结果后，根据构件的受力特点，简化积分求构件弯矩，从而用于构件配筋。

3.4 构件组合应力结果：

组合工况下沿顺桥方向最大压应力7.6MPa，最大名义拉应力6.17 MPa；最大拉应力出现在单侧墩两个支座中间位置。桥墩沿横桥方向最大压应力9.0MPa，最大名义拉应力12.5 MPa左右；最大拉应力位于横系梁。

系梁横桥向拉应力较大且分布不均，墩帽纵桥向因劈裂效应出现6.17MPa的名义拉应力，与桥墩受力定性分析的趋势相同。

立柱沿垂直方向最大压应力15.5MPa（除应力集中点），最大主压应力16 MPa，与杆系模型比较，结果一致。

4 桥墩局部构件配筋验算

应力计算结果表明墩顶局部构件在横桥向和纵桥向表现出较大的劈裂效应。本文通过实体单元计算的应力进行简化积分求截面内力，按照规范进行配筋计算。

根据桥墩受力特点，选取墩帽和系梁两个位置为典型局部构件进行配筋验算。

4.1 桥墩墩帽

上部荷载传递到桥墩过程中，由于混凝土内拱效应和泊松比效应，墩顶横向受拉。横向拉应力在剖面中心位置最大，向外侧逐渐减小。中心断面顶缘最大名义拉应力5.8Mpa，向下逐渐减小，在距离顶缘0.452m位置拉应力为零。

根据正应力求假设截面弯矩，假设该处截面为矩形截面，拉应力零点即为假设截面的形心位置，截面弯矩即为形心位置以上拉应力积分弯矩的两倍。该处假设截面为2.6x0.904m的矩形断面，求弯矩。假设截面弯矩为1359.15kN.m，根据该弯矩值对假设截面配筋，配筋计算结果：上缘Φ28钢筋23根。

4.2 桥墩系梁

取桥墩系梁剖面，系梁承受部分弯矩和轴力的复合作用，系梁表现为受拉构件，但在系梁与主墩交接处，主墩的弯矩传递给系梁，该位置在复合作用下其应力表现为不均匀。在系梁跨中位置，应力较为均匀。系梁顶缘最大名义拉应力11Mpa，系梁跨中处名义拉应力7.7MPa，在距离系梁顶缘0.64m位置拉应力为零。

根据正应力求假设截面弯矩，假设该处截面为矩形截面，拉应力零点即为假设截面的形心位置，截面弯矩即为形心位置以上拉应力积分弯矩的两倍。该处假设截面为1.1x1.275m的矩形断面，求弯矩。假设截面弯矩为3645.84kN.m，根据该弯矩值对假设截面配筋。配筋计算结果：上缘Φ28钢筋34根（分双层布置）

通过以上分析，双柱式花瓶形桥墩墩顶局部构件受力复杂，不能简单地按照梁单元计算和构造配筋。本文实例中，墩顶如果按照构造配筋，该位置极易出现竖向裂缝，导致桥墩墩帽混凝土碎裂；桥墩系梁一般如按照杆系程序计算会导致配筋量不足，设计中应予以重视。

5 结语

从上通过对桥墩关键位置进行受力分析，介绍了局部构件计算一种方法，并提出通过应力计算结果简化配筋的方法。当然这种方法应未考虑混凝土的抗拉能力，有一定的局限性，比实际情况有所保守。该方法已运用到多个工程实例，使用情况良好。

随着景观城市桥梁，桥梁设计者将面临各种结构的挑战。如何在现有的规范下对复杂结构进行准确的模拟计算，愿本文能为相关工程提供些许思路。

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