多支座花瓶墩墩頂應力擾動區的受力分析

張國棟

(1.安徽交通職業技術學院， 安徽 合肥 230051；2.安徽省交通運輸廳建設管理處， 安徽 合肥 230088)

獨柱花瓶形橋墩造型美觀，且其結構特點具有一定的經濟適用性，因而在市政及公路橋梁上得到廣泛應用。隨著大跨度、寬幅橋梁的建設，多支座花瓶形橋墩應運而生。獨柱花瓶形橋墩墩頂在支座豎向力作用下會出現較大橫向拉力，而且常因為在小剪跨比情況下受到集中力的局部作用，基于平截面假定的淺梁理論不再適用。目前對雙支座花瓶墩墩頂受力通常采用拉壓桿模型進行分析計算，但多支座作用下墩頂局部受力更復雜。該文在空間受力分析的基礎上，對多支座作用下花瓶墩墩頂拉壓桿的受力模型進行研究。

1 工程概況

某特大橋主橋上部結構為(98+180+98) m部分斜拉橋，主梁寬度34 m，設計汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。主梁采用預應力砼單箱多室大箱梁整體斷面，主墩下部結構采用花瓶形橋墩、群樁基礎，主墩一般構造見圖1。墩頂設2.5 m高等截面段，橫橋向最大寬度17 m，墩身橫向寬度采用線性變化，在10 m交點處設置半徑30 m圓曲線，墩身與墩座連接處寬12 m；順橋向墩身等厚5 m；墩身總高度22 m。墩頂設置4個球形支座，根據空間總體受力分析，兩邊單個支座的最大支反力均為80 MN，支座平面尺寸為2.3 m×2.3 m；中間支座單個最大支反力均為100 MN，支座平面尺寸為2.5 m×2.5 m；支座橫橋向間距依次為5.5、3.0、5.5 m，距墩身邊緣1.5 m。

圖1 主墩立面一般構造(單位：m)

2 花瓶墩拉壓桿模型分析理論

雙支座花瓶形橋墩在工程上應用較廣泛，墩頂應力擾動區受力類似于深梁，對此已有較多的研究成果。其基本研究思路是基于力流的砼結構設計思想，將深梁內部的主要傳力路徑等效為相應拉壓桿模型，物理意義明確。基于拉壓桿模型的應力擾動區設計方法已寫入美國AASHTO橋梁設計規范、ACI規范及加拿大公路橋梁規范。

中國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中也有類似的雙支點“撐桿-系桿體系”計算方法，還有學者推導出雙支座獨柱式橋墩橫向拉力的理論計算公式：

Td=0.45Fd[(2s-b′)/h]

式中：Fd為墩頂的最大支座反力組合設計值；s為雙支座的中心距；b′為距墩頂高度h位置處墩身的橫向寬度；h為墩帽橫向變寬度區段的高度，當其大于墩頂部寬度b時，取h=b。

但對于多個支座作用下花瓶墩墩頂應力擾動區拉壓桿模型的確立，相關研究未給出具體方法。若采用雙支座作用下拉壓桿體系理論公式對這種情況下墩頂受力進行分析，計算參數不同的取值會使所得拉桿力產生較大偏差，導致不合理的結構配筋。

3 多支座作用下拉壓桿模型

基于應力擾動區分析的基本思路，按空間有限元分析理論，采用有限元細部分析程序MIDAS/FEA建立模型對該橋花瓶墩墩頂進行空間受力分析。以橫橋向為X軸、順橋向為Y軸、豎直方向為Z軸建立坐標系，取承臺以上為建模對象，承臺底部固結。考慮墊石對支座反力的擴散作用，將上部結構荷載按支座面積以均布面荷載的形式作用于墊石上，建模時不考慮鋼筋作用，直接分析砼產生的拉應力。有限元模型見圖2。

圖2 主墩有限元計算模型

設計2種工況進行分析，工況1為只有墩頂2個邊支座反力作用，工況2為墩頂4個支座反力均發生作用，2種工況均考慮墩身自重作用。兩工況下主拉及主壓應力見圖3、圖4。

由圖3可知：工況1下墩頂應力擾動區力流分布情況與相關文獻研究的雙支座拉壓桿模型一致，墩頂懸臂兩端的支座之間形成拉桿。

圖3 工況1下墩身主拉及主壓應力云圖(單位：MPa)

由圖4可知：工況2下墩頂應力擾動區力流分布情況與工況1存在極大差別，拉桿已不是在墩頂懸臂兩端的支座之間形成，而是在相鄰兩支座之間形成拉壓桿受力模式。

圖4 工況2下墩身主拉及主壓應力云圖(單位：MPa)

4 有限元模型驗證分析

通過與理論計算結果的對比，對上述分析結果的正確性進行驗證。工況1下墩身橫向正應力見圖5，軸對稱處沿墩身豎直方向的橫向正應力計算結果見圖6；工況2下墩身橫向正應力見圖7，軸對稱處沿墩身豎直方向的橫向正應力計算結果見圖8。

圖5 工況1下墩身橫向正應力云圖(單位：MPa)

圖6 工況1下墩頂橫向正應力計算結果

圖7 工況2下墩身橫向正應力云圖(單位：MPa)

圖8 工況2下墩頂橫向正應力計算結果

分別對兩工況下有限元模型計算所得墩頂橫向正應力進行積分，得出墩頂部分拉桿的橫橋向拉力Ty，再根據力流線模型的設計方法選取正確參數結合雙支座的理論公式計算對應工況的拉桿拉力Td，結果見表1。

表1 墩頂拉桿拉力計算結果對比

根據表1中計算結果，工況1驗證了該橋有限元模型建立的正確性，工況2表明多支座作用下花瓶形橋墩墩頂區受力趨于在相鄰兩支座之間形成拉壓桿的受力模式，而不是在花瓶墩頂懸臂兩端最外側的兩支座之間形成。

5 結語

花瓶形橋墩墩頂應力擾動區受力復雜，一般按拉壓桿模型進行計算設計。該文以實際工程項目為依托，基于應力擾動區分析的基本思路，采用空間有限元計算方法并與理論算法進行對比，分析得出多支座作用下墩頂應力擾動區的主要傳力路徑及相應拉壓桿模型，可為多集中力作用區域的內力效應分析提供方向，對多支座作用下墩頂受力分析具有指導作用。力的大小及間距對拉壓桿模型的影響還需進一步研究。