柱式墩承載能力分析研究

柱式墩承載能力分析研究

張鯤

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要:文章通過計算分析了墩身截面尺寸、截面配筋、墩柱高度等因素對柱式墩承載力的影響，并結(jié)合承載力計算分析的結(jié)果，提出了柱式墩墩身截面優(yōu)化尺寸，擴(kuò)展了柱式墩的使用范圍。

關(guān)鍵詞:柱式墩；承載能力；墩身優(yōu)化尺寸

收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-03-25

作者簡介：張鯤(1975- )，男，安徽合肥人，高級工程師，研究方向為道路橋梁工程。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.004

中圖分類號：TU997

Analysis of loading-bearing capacity of the column pier

ZHANG Kun

(Anhui Communications Consulting & Design Institute Co.,Ltd, Hefei 230088, China)

Abstract:This paper analyses the factors of the pier cross-section size, cross section reinforcement, column pier height in affecting bearing capacity of the column pier. What is more, Integrating the calculation results of bearing capacity, this paper concludes the optimal dimension of the column pier and extends the range of use for column pier.

Key words: column pier; loading-bearing capacity ; the optimal dimension of pier structures

但在我國現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范中,對柱式墩的截面尺寸均無明確規(guī)定,在相同墩高及荷載條件下,不同設(shè)計單位設(shè)計的橋墩截面尺寸存在一定的差異,往往導(dǎo)致設(shè)計保守且不經(jīng)濟(jì)。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上分析墩身截面尺寸、墩身高度及截面配筋等因素對柱式墩承載力的影響,并結(jié)合墩身承載力對比結(jié)果優(yōu)化墩身截面尺寸,量化不同墩高范圍所適用的截面尺寸,進(jìn)一步擴(kuò)展柱式墩的適用范圍。

1　橋墩承載能力影響因素分析

本文擬結(jié)合本院承擔(dān)設(shè)計的麻柳灣至昭通高速公路橋梁設(shè)計情況計算4×30m橋跨布置情況下墩身承載能力.如圖1及圖2所示,4×30m橋梁單幅寬12.25m,上部結(jié)構(gòu)采用5片T梁,T梁高2m;下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩。橋墩的抗壓承載力分析中應(yīng)該考慮的作用包括永久作用、可變作用以及偶然作用,成橋后的永久作用包括上部結(jié)構(gòu)的自重、主梁上的二期恒載等;可變作用包括車輛荷載、汽車制動力、混凝土收縮及溫度力、墩身的順橋向及橫橋向風(fēng)荷載;偶然作用包括地震作用及船只或漂流物造成的沖擊力。上述荷載的求解過程及荷載組合形式參閱文[7]。

圖2橋梁下部結(jié)構(gòu)示意

圖1橋梁上部結(jié)構(gòu)斷面示意

在上部荷載大小及偏心位置一定的情況下,影響柱式墩抗壓承載力的因素主要包括墩身截面尺寸、墩身高度以及墩身截面配筋率大小,下面結(jié)合4×30m橋梁模型逐一分析上述因素對墩身承載力大小的影響。

(1)墩身截面尺寸的影響。為反映墩身截面尺寸對墩身承載力的影響,在4×30m橋梁模型中設(shè)定橋梁墩高為10m,墩身截面配筋率保持在1%情況下計算墩身直徑從1.5m增加到2m時墩身承載力變化情況,承載力變化情況如圖3所示。

由圖3中分析知,在墩身高度和墩身截面配筋一定得情況下,隨著墩身截面尺寸的增加,墩身正截面抗壓承載力呈線性增大,墩身截面直徑每增加0.1m時,墩身抗壓承載力約增大16%～20%。

(2)墩身配筋率的影響。為反映墩身抗壓承載力與墩身截面配筋之間的變化聯(lián)系,在4*30m橋梁模型中設(shè)定墩身直徑為1.8m,墩身高度為10m,計算分析墩身配筋率從0.5%增加到1.2%時墩身抗壓承載力變化情況,計算分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4中分析知,在墩身截面尺寸和墩身高度一定得情況下,增大墩身截面配筋可顯著提高墩身抗壓承載力,墩身截面配筋每增加0.1%,墩身抗壓承載力提高3%～5%.對比分析圖3和圖4可知,增加墩身截面尺寸和增大截面配筋均能提高墩身抗壓承載力,但增加墩身截面尺寸時,墩身抗壓承載力增幅更大更顯著,這說明墩身截面尺寸對墩身抗壓承載力的影響明顯大于墩身截面配筋對墩身抗壓承載力的影響。

圖5　承載力隨墩身高度變化情況

(3)墩身高度的影響。墩柱的高度直接決定著墩柱抗壓承載力的大小,在計算墩身抗壓承載力中起著至關(guān)重要的作用,為了反映墩身抗壓承載力與墩身高度之間的變化聯(lián)系,在4×30m橋梁模型中設(shè)定墩身直徑為1.8m,墩身截面配筋為1%,計算分析墩身高度從5m增加到40m時墩身抗壓承載力變化情況,計算分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5中分析知,在墩身截面尺寸和墩身截面配筋一定的情況下,隨著墩身高度的增加,墩身抗壓承載力下降顯著。隨著墩身高度的增加,墩身逐漸由抗壓破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)破壞,需要進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

2　橋墩截面尺寸優(yōu)化設(shè)計

由于現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計規(guī)范中對柱式墩的截面尺寸均無明確規(guī)定,也無相關(guān)理論對墩身截面尺寸的經(jīng)濟(jì)性和截面承載能力進(jìn)行論證,設(shè)計人員往往根據(jù)各自經(jīng)驗確定墩身截面尺寸,不同設(shè)計單位設(shè)計的橋墩截面尺寸存在一定的差異,往往導(dǎo)致設(shè)計保守且不經(jīng)濟(jì)。本文擬在對墩身抗壓承載力影響因素計算分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化墩身截面尺寸,為廣大設(shè)計人員提供設(shè)計參考。

為分析不同跨徑和墩高情況下的橋墩抗壓承載力大小,我們結(jié)合麻柳灣至昭通高速公路橋梁設(shè)計情況建立4×20m、4×30m以及4×40m三種橋梁模型,在3種模型中均假定墩身截面配筋率為1%,然后計算不同截面尺寸和墩高情況下墩身的抗壓承載力大小,為便于分析,我們定義抗壓承載力安全系數(shù)為墩身抗壓承載力除以墩身的豎向壓力。

表1　4×20m橋梁模型中墩身抗壓承載力安全系數(shù)

表1中給出了4×20m橋梁模型中上部采用T梁結(jié)構(gòu)時墩高從5m增加到20m、墩身直徑從1.2m增加到1.6m時墩身抗壓承載力安全系數(shù)。

表2中給出了4×30m橋梁模型中上部采用T梁結(jié)構(gòu)時墩高從5m增加到30m、墩身直徑從1.5m增加到1.9m時墩身抗壓承載力安全系數(shù)。

表2　4×30m橋梁模型中墩身抗壓承載力安全系數(shù)

表3中給出了4×40m橋梁模型中上部采用T梁結(jié)構(gòu)時墩高從5m增加到30m、墩身直徑從1.6m增加到2.0m時墩身抗壓承載力安全系數(shù)。

從表1～表3中分析可知對于不同跨徑和不同墩高情況下,墩身抗壓承載力安全系數(shù)大于1時的墩身截面尺寸均能滿足設(shè)計要求,但為了使橋墩抗壓承載力具有一定得安全儲備,考慮在將墩身抗壓承載力安全系數(shù)放大至2的情況下對表中計算的墩身截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)采用20m跨徑T梁時:墩高H≤5m時,墩柱截面直徑取為1.2m;當(dāng)墩高5

當(dāng)上部采用30m跨徑T梁時:墩高H≤10m時,墩柱截面直徑取為1.6m;當(dāng)墩高10

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)采用40m跨徑T梁時:墩高H≤5m時,墩柱截面直徑取為1.6m;當(dāng)墩高5

3　結(jié)　　論

通過計算分析并得出結(jié)論如下：

(1)隨著墩身截面尺寸和截面配筋率的增加,墩身抗壓承載力均會增大,墩身截面直徑每增加0.1m時,墩身抗壓承載力約增大16%～20%左右;墩身截面配筋每增加0.1%,墩身抗壓承載力提高3%～5%。

(2)在墩身截面尺寸和墩身截面配筋一定的情況下,隨著墩身高度的增加,墩身抗壓承載力下降顯著,并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。

(3)優(yōu)化了不同跨徑和不同墩高情況下墩柱的合理截面尺寸,為設(shè)計人員設(shè)計類似橋墩時提供一定的參考。

[參考文獻(xiàn)]

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(責(zé)任編輯陳化鋼)