關于天津大道墩柱的受力特征及鋼筋合理性布置的探討

李連強，楊 亮，陳明貴

（天津市政工程設計研究院，天津市 300457）

0 前言

隨著我國社會經濟水平的發展，對橋梁景觀的要求越來越高，造型美觀的墩柱越來越多地應用于各種橋梁中，特別是城市高架橋、人行天橋等。

天津大道連接天津中心城區小白樓中心商務區與濱海新區于家堡、響螺灣中心商務區，平行于海河，距其南側2～4 km，沿線經過津南區雙港鎮、辛莊鎮、咸水沽鎮、雙橋河鎮、葛沽鎮、塘沽區新城鎮及濱海新區中心商業商務區。工程起點為外環線津沽立交橋，終點為濱海新區中央大道，全長36.745 km，雙向8車道，設計時速80 km/h。道路兩側將建生態防護帶，栽種多種綠色植物，形成“三季有花、四季常綠”的自然園林景觀。

適用于現澆連續箱梁的墩形較多，有矩形截面墩柱、圓形截面墩柱以及Y形墩、花瓶墩等異形墩柱。根據上部結構特點，綜合考慮施工難易程度、經濟指標等因素，采用獨柱花瓶墩作為天津大道現澆連續箱梁的下部結構形式，見圖1、圖2。

本文以獨柱花瓶橋墩為例，對墩柱進行空間分析。結合空間分析結果，對此類橋墩的結構形式和鋼筋布置方式的合理性進行探討。

1 不考慮鋼筋作用的有限元模型

1.1 建立模型

使用空間有限元軟件（Midas FEA）建立模型進行分析，見圖3、圖4。墩帽開口部分采用六面體單元，其他部分采用四面體單元。單元大小控制在邊長小于20 cm，整個橋墩單元數26878個，節點數6001個。因為主要計算墩帽受力狀態，取承臺以上部分建模計算，在承臺處固結。建模時不考慮鋼筋作用。

1.2 荷載組合

根據縱向總體計算結果，墩頂反力為：

R承載極限組合=17583 kN，

R短期效應組合=14561 kN。

考慮到縱向計算時活載已計入偏載，所以將反力平均分配到兩個支座，支座反力以面荷載加載到支座上：

q1=17583/(2×0.7×1.2)=10467 kPa，

q2=14561/(2×0.7×1.2)=8667 kPa。

1.3 計算結果

沿X軸、Y軸、Z軸方向正應力等值線圖如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7中可以看出，在短期效應組合下，墩身橫向正應力最大值出現在墩頂開口處，應力達到了6.02 MPa，超過C35混凝土軸心抗拉強度設計值（1.52 MPa），需進行抗拉配筋設計。最大壓應力8 MPa出現在圓弧段的中部（支座范圍內局部壓應力除外），小于C35混凝土允許的壓應力16.1 MPa，混凝土抗壓能夠滿足要求。

圖6 沿Y軸方向正應力等值線圖

圖7 沿Z軸方向正應力等值線圖

1.4 基于計算結果的配筋設計

以上的應力結果是基于彈性連續體的假定，但混凝土受拉將導致開裂，比如墩頂開口處，應力會重分布，由于目前橋梁規范采用極限狀態設計理論，因而通常難以給出截面配筋設計。以下借助分析的應力結果，通過一些假定，進行配筋計算。

墩身對稱軸處橫向正應力見表1、圖8。

從圖8可以看出，在1.6 m范圍內δmax～δmin，可以將隔離體近似等效為h＝1.6 m偏心受拉構件（見圖9～圖12）。

從隔離體等值云圖可以看出，最大正拉應力與最大主拉應力數值近似相等，二者方向趨于一致，因此按照正應力方向設置拉筋。

按偏安全假設，混凝土開裂以后，超過混凝土允許拉應力1.52 MPa的部分不考慮混凝土的作用，拉力完全由鋼筋提供。鋼筋應力沒有超過屈服強度，混凝土受壓區合力中心位置不變。

（1）對隔離體高0.6 m范圍的應力積分，得到內力為：

N短期效應組合=2600 kN，

N承載極限組合=3600 kN。

（2）根據承載能力極限組合估算鋼筋：

fsd=280 MPa，δss≤fsd

估算鋼筋根數：

表1 墩身對稱軸處橫向正應力

（3）根據短期效應組合估算鋼筋：據裂縫寬度公式估算鋼筋應力：

得

估算鋼筋根數：

綜上所述，應布置大于22根φ32的鋼筋才能滿足墩頂混凝土裂縫寬度要求,根據外形尺寸，設置32根φ32鋼筋，重新計算鋼筋應力：據裂縫寬度公式：

2 考慮鋼筋作用的有限元模型

2.1 建立模型

利用上面的墩柱模型，將32根φ32的鋼筋植入，見圖13。混凝土考慮材料非線性，本構模型選取總應變裂縫，張拉函數選取脆性，見圖14。

2.2 計算結果

（1）承載能力極限組合下的鋼筋應力，見圖15。

δss=131.8 MPa＜280 MPa,鋼筋未屈服。

（2）短期效應組合下的鋼筋應力，見圖16。

δss=117.5 MPa

據裂縫寬度公式：裂縫寬度滿足規范要求。

3 墩帽斜截面抗剪計算

4 結語

（1）通過利用Midas FEA的材料非線性分析，將鋼筋植入模型，計算出鋼筋應力，然后計算裂縫；與未考慮鋼筋的線彈性模型，通過積分求出內力，然后估算鋼筋面積比較，概念清晰，簡單、實用，具體對比見表2。

表2 鋼筋應力對比計算分析

（2）從空間分析結果可以看出，最大拉應力出現在墩帽中心開口處，設計配筋時應予以重視，可以配置拉筋或主動加預應力的方法，來提高混凝土的抗裂性能和極限承載能力。

（3）從墩帽斜截面抗剪計算可以看出，抗剪主要由混凝土承受，墩帽內可不設箍筋和彎起鋼筋。

[1]中交公路規劃設計院.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]項貽強,李毅,王暉.獨柱T型橋墩裂縫成因分析及加固方法研究[J].中國市政工程,2005(6).