鋼筋混凝土花瓶墩系梁強度計算比較研究

許有勝（深圳市市政設計研究院有限公司，深圳518029）

鋼筋混凝土花瓶墩系梁強度計算比較研究

許有勝
（深圳市市政設計研究院有限公司，深圳518029）

針對現有規程中缺乏針對鋼筋混凝土花瓶墩極限承載力分析方法的現狀，以某高架橋的花瓶墩為工程背景，通過基于實體元的偏心受拉法、拉區應力面積法和拉壓桿模型等三種方法對其極限承載能力計算進行比較分析。結果表明，基于實體元的花瓶墩受力性能可以得到系梁高度方向的應力分布情況，認為墩頂系梁可以作為偏心受拉構件進行驗算。拉區應力面積法計算結果大于另兩種方法，拉壓桿模型法和基于實體元的偏心受拉法計算結果較為接近，均可用于花瓶墩的承載能力分析，拉區應力法計算結果總體偏于保守。

花瓶墩極限承載力實體元拉壓桿拉區應力

1 緒論

近年來，隨著我國經濟建設的飛速發展，交通車流量迅猛增加，城市高架橋和跨線橋日益增多，在城市橋梁建設中，不再單純地追求經濟實用，而開始追求技術經濟合理與環境協調的景觀效果，在城市高架橋和跨線橋中，橋梁的墩臺形式對橋梁的景觀起到十分重要的作用。因此，城市橋梁墩臺設計開始拋棄傳統的重力式橋墩，向纖細美觀的輕型橋墩發展，相繼出現了如Y形墩、V形墩、T形墩、懸臂墩、門架墩、花瓶墩等。特別是花瓶墩近幾年在國內被廣泛的運用[1-4]，花瓶墩在城市橋梁的應用具有如下幾個優點∶花瓶墩占地空間小，對用地日益緊張的城市是十分有利的；花瓶墩的兩個懸挑弧線具有很好的美觀效果；花瓶墩便于今后橋梁支座的更換。盡管花瓶墩具有很好的適用性，但該橋墩的受力比較復雜，增加了設計計算的難度，目前已有部分研究[4-12]，但還沒有一套針對于花瓶墩的成熟設計理論和方法，以致于在某些工程應用中出現了一些問題。本文以某城市高架橋中采用花瓶墩墩頂系梁出現裂縫為工程背景，通過大量資料的收集整理，比較分析了花瓶薄壁墩承載能力的計算方法，為其承載力計算提供依據，并為后期的維修加固提供參考。

2 工程背景

某城市高架橋橋梁上部結構采用魚腹梁，下部結構采用柱式墩及花瓶墩，見圖1，其中花瓶墩在檢查中發現墩頂系梁開裂，部分典型裂縫見圖2。

圖1 C型橋墩截面尺寸(單位：cm)

圖2 橋墩墩頂系梁開裂

3 基于實體元的受力性能分析

3.1 系梁內力計算

3.1.1 有限元模型

采用大型通用軟件ANSYS建立有限元模型，采用Solid65實體單元，墩底約束。材料強度采用C40混凝土的彈性模量，泊松比0.167，橋墩模型共41595個節點，37260個單元，見圖3。

圖3 橋墩有限元實體模型

3.1.2 系桿內力計算

1）內力計算依據

根據《水工混凝土結構設計規范》（DL-T 5057-2009）D.2[13]，當截面在配筋方向的正應力圖形接近線性分布時，可換算為內力，按規定進行配筋計算。在計算內力時是得到沿截面高度的應力分布，基本呈線性分布，然后換算為相應的內力。

2）計算過程

承載能力極限狀態組合下，沿梁高的橫橋向應力云圖如圖4所示，不同梁高的應力分布見圖5，基本符合線性分布規律，系梁處于偏心受拉狀態。取跨中截面，梁高1.2m處，沿梁高分布的應力計算圖式見圖6，計算得到按強度組合的彎矩Md=4788kN·m，軸拉力Nd=4140kN。

圖4 墩頂系梁應力分布云圖（單位：Pa）

圖5 不同梁高位置的應力分布

圖6 系梁跨中上下緣平均應力分布（MPa）

3.2 構件驗算

3.2.1 驗算截面高度

根據應力分布，系梁處于大偏心受拉狀態，計算中取最不利截面，取梁高最小的跨中截面（1.2m高度）進行驗算，系梁的尺寸和配筋見表1。

表1 系梁驗算尺寸及配筋情況一覽表

3.2.2 系梁強度及裂縫檢算

按矩形截面大偏心受拉構件驗算，并根據《橋規》6.4.3條，計算系梁裂縫寬度及鋼筋應力，C2偏安全地取值1.5，計算結果見表2。

表2 橋墩系梁檢算成果

4 拉區應力求和法和拉壓桿模型

4.1 拉區應力面積法

以受純彎作用的混凝土梁為例，其橫截面上剪應力為0，主拉應力即為受拉區截面上的拉應力。在橫向，每個條帶上拉應力近似均勻分布；在豎向，主拉應力隨高度線性變化。這種情況稱之為純彎作用下的“拉應力域”。當“拉應力域”內拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土開裂，在相應開裂區域需要配置鋼筋來承擔引起混凝土開裂的拉應力，保證構件能夠繼續承擔彎矩作用。需要說明的是受純彎作用的淺梁，由于符合平截面假定，一般總是將鋼筋布置在最外側，這種配筋方法效率最高。在承載力計算中，計算出拉應力域的拉力，并全部由受力鋼筋承擔，以驗算強度是否滿足要求。

4.2 拉壓桿模型

《橋規》[14]8.2.1條中，獨柱式墩臺蓋梁宜按拉壓桿模型進行設計（見圖7）。

圖7 獨柱式墩臺蓋梁的拉壓桿模型及頂部橫向拉力計算公式

5 計算結果比較分析

經過計算，得到結果見表3。表中內力值、截面強度均取系梁跨中截面。其中，強度驗算法一為拉區應力求和法，即通過對拉應力區應力求和，將所得的拉力全部由鋼筋承擔，推求所需鋼筋量（鋼筋應力設計值按280MPa計算）。強度驗算法二為撐桿系桿法，即根據《橋規》8.2.1條有關薄壁花瓶墩系桿拉力計算公式：Td=0.44Fd（2-b/e），近似推求系桿力，式中Fd、b、e分別為墩頂支座反力、墩底橫向寬度和支座間距。強度驗算法三為偏心受拉法。根據計算結果，得到橋墩系梁位置需要配置的受力鋼筋數量，在“1.2恒+1.4活+0.5沉降”的荷載組合作用下，拉區應力求合法得到的配筋數量為47Φ25，另兩種方法的鋼筋數量為38Φ25，且均超過實際配筋數量，說明橋墩實際配筋不足，承載力不能滿足實際要求，需要進行加固。從計算結果來看，拉區應力求和法計算結果偏大，拉壓桿模型法和基于實體元的偏心受拉法結果較為接近，總體結果更為合理，可以用于花瓶墩的受力分析和設計中，并相互驗證。

6 結論

（1）進行了基于實體元的花瓶墩受力性能和開裂原因進行分析，并對其極限承載能力計算方法進行了討論，根據實體有限元模型系梁高度方向的應力分布情況，認為墩頂系梁可以作為偏心受拉構件進行驗算。在原設計配筋情況下，橋墩系梁會出現裂縫，且強度不滿足要求。

（2）分別采用拉區應力面積法、拉壓桿模型方法和基于實體元的偏心受拉法進行花瓶墩承載能力和配筋分析。結果表明，拉區應力面積法計算結果大于另兩種方法，拉壓桿模型方法和基于實體元的偏心受拉法計算結果比較接近，總體更為合理，可用于花瓶墩的承載能力分析，拉區應力法計算結果偏于保守。

（3）計算結果表明，三種強度驗算法得到橋墩強度均不滿足設計要求，拉區應力面積法計算須配置50Φ25，其余兩種方法須配置40Φ25，實際配置33Φ25。在原設計配筋條件下，裂縫理論計算值0.328mm，與實際開裂基本符合，橋墩需要進行加固。

表3 橋墩系梁強度檢算結果比較

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