寶瓶式橋墩受力特性及鋼筋合理性布置的探討

1、1. “寶瓶”式橋墩受力特性及鋼筋合理性布置的探討陳鴻熾福州市建設(shè)局 摘要： 本文結(jié)合空間有限元計(jì)算程序MIDAS的計(jì)算結(jié)果，對(duì)某大橋的“寶瓶”式橋墩受力特征進(jìn)行分析，經(jīng)計(jì)算比較，得出在結(jié)構(gòu)上和鋼筋布置上需要對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)論，從而指導(dǎo)我們的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：“寶瓶”式橋墩，應(yīng)力，鋼筋布置1 引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形式日新月異，橋梁細(xì)部構(gòu)造的創(chuàng)新已經(jīng)成為新時(shí)代橋梁工程師探討的問(wèn)題。橋梁結(jié)構(gòu)形式變化后，其受力特性也隨之發(fā)生了很大變化?！皩毱俊笔綐蚨赵跇蛄航ㄔO(shè)中已經(jīng)得到廣泛采用，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，墩身裂縫較為普遍。結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的布置形式直接影響著墩身的承載能力和耐久性能。本

2、文以某大橋橋墩為例，對(duì)擬定結(jié)構(gòu)尺寸及配筋進(jìn)行空間分析。結(jié)合空間分析結(jié)果，對(duì)此類橋墩的結(jié)構(gòu)形式和鋼筋布置方式進(jìn)行了相應(yīng)的分析。2 概況本文以某大橋的“寶瓶”式橋墩為研究對(duì)象，分析橋墩在偏載作用下的受力特性來(lái)驗(yàn)算橋墩鋼筋布置的合理性。初擬的鋼筋布置圖見(jiàn)圖1、圖2、圖3，圖中單位均以厘米計(jì)。 圖1 鋼筋布置圖（一）圖2 鋼筋布置圖（二） 圖3 鋼筋布置圖（三）箍筋和斜筋布置在距離墩頂1.2m的范圍內(nèi)（見(jiàn)圖3），這樣使得對(duì)于高度為10.9m的“寶瓶”式橋墩，懸臂根部鋼筋布置顯得很薄弱。在相同荷載作用下，荷載作用點(diǎn)距離懸臂根部距離越大，它在懸臂根部產(chǎn)生的彎矩就越大。圖2中支座設(shè)置在距離橋墩的邊緣1.01

3、7m處，有可能導(dǎo)致墩頂混凝土產(chǎn)生裂縫和懸臂根部下緣混凝土被壓壞。為了驗(yàn)證該橋墩的鋼筋布置位置及結(jié)構(gòu)的合理性，本文采用空間有限元程序計(jì)算，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行分析優(yōu)化。3 有限元模型的建立本文采用空間有限元程序MIDAS建立模型進(jìn)行分析。以橫橋向?yàn)閤軸，順橋向?yàn)閥軸，豎直向上為z軸建立坐標(biāo)系。模型共采用8節(jié)點(diǎn)六面體的實(shí)體單元4960個(gè)，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有3個(gè)線性位移自由度。荷載考慮恒載和活載偏載的組合作用，其中活載按城市A級(jí)荷載設(shè)計(jì)。建立有限元模型見(jiàn)圖4。圖4 有限元模型圖4 分析結(jié)果在偏載作用下，計(jì)及橋墩的自重，由線彈性理論求解得到橋墩的各部位的受力特性。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6和圖7（單位均為

4、t/m2）：圖5橫橋向?qū)ΨQ中心線處橫截面正應(yīng)力xx圖6 橫橋向?qū)ΨQ中心線處橫截面剪應(yīng)力xy從應(yīng)力圖中可以得到：距離墩頂01.8m范圍內(nèi)橋墩的最大主拉應(yīng)力超過(guò)了鐵路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的C30混凝土無(wú)箍筋及斜筋時(shí)的容許主拉應(yīng)力值0.7MPa，因此在這部分高度的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)布置箍筋和斜筋來(lái)承受剪應(yīng)力。如果按照規(guī)范中的梁部分長(zhǎng)度全由混凝土承受的主拉應(yīng)力0.35 MPa來(lái)布置鋼筋，則箍筋的長(zhǎng)度還應(yīng)該向下延伸至距離頂面2.6m處。而初擬鋼筋布置（見(jiàn)圖1）中僅在距離墩頂01.2m的范圍內(nèi)布置了箍筋和斜筋，從應(yīng)力分析上看其布筋范圍達(dá)不到承載力要求。距離墩頂06.5m的范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的順橋向截面

5、內(nèi)的剪應(yīng)力在弧線中部有集中現(xiàn)象。最大主壓應(yīng)力發(fā)生在橋墩的懸臂根部，最大值為7.8 MPa，剪應(yīng)力等值線在越靠近懸臂的根部下緣越密集，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象（見(jiàn)圖6）。因此，從結(jié)構(gòu)受力的角度來(lái)考慮，可以通過(guò)加寬橋墩底部的橫向尺寸，減緩圓曲線的變化曲率來(lái)減緩應(yīng)力等值線的效果。最大的彎曲拉應(yīng)力發(fā)生在大偏載作用位置側(cè)距離橋墩中心線1.5m左右的墩頂位置，最大值為3.57Mpa。結(jié)合圖1和圖5，墩帽橫向受彎鋼筋全部布置在受拉區(qū)域，墩頂上的鋼筋為兩層，箍筋底部鋼筋正好處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交接處。頂部配筋方式主要承受拉力、彎矩和剪力，呈現(xiàn)出深梁受力特性。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可得出：箍筋的布置范圍偏小，達(dá)不到結(jié)構(gòu)受力

6、的要求；懸臂的弧部由于應(yīng)力集中壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均較大；整個(gè)弧線懸出部呈現(xiàn)“牛腿”受力特性。根據(jù)以上特點(diǎn)，擬提出解決的措施大致有以下幾種方案：1. 加高墩帽的高度，減小托盤的斜率。2. 加寬橋墩的橫向尺寸，加大曲線半徑，以減少應(yīng)力不均勻變化梯度。3. 增加豎向箍筋和斜筋的布置范圍。5 方案設(shè)計(jì)如果采用以上三種解決措施的第一種方案，該橋墩總高度為10.9m，如果繼續(xù)加高上部承臺(tái)的高度時(shí)，從美學(xué)上講不太合適，在構(gòu)造上變化太多，修改工作量大，該方案予以否定。對(duì)于方案二擬采用下面兩種方法檢算：方法一：墩底寬度為5m，曲線處半徑增加到9.789m；方法二：墩底寬度為6m，曲線處半徑增加到10.26m。方法一

7、，對(duì)橋墩下部直線段部分在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別向外側(cè)擴(kuò)大0.5m，曲線部分的半徑從原設(shè)計(jì)的7.6m加大到9.789m，其他部位結(jié)構(gòu)形式無(wú)變化。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。修改截面后，截面上的應(yīng)力等值線分布趨于均勻，豎直截面的剪應(yīng)力最大值發(fā)生在大偏載荷載作用處的截面內(nèi)，除局部承壓出現(xiàn)的峰值外，外懸弧線段最大剪應(yīng)力值下降50，最大的彎曲正應(yīng)力下降22，但受力特點(diǎn)仍與初擬墩身一致。圖7 橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面正應(yīng)力xx 圖8 橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面剪應(yīng)力xz方法二，橋墩下部直線段在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別向外側(cè)擴(kuò)大1.0m，曲線部分的半徑增加到10.26m。主要的應(yīng)力圖見(jiàn)圖9和圖10。圖9 橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面正

8、應(yīng)力xx圖10 橫橋向?qū)ΨQ中心線處截面剪應(yīng)力xz當(dāng)墩底加寬到6m后，支座中心線與墩身底部截面邊緣平齊，基本上消除了剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力等值線更加平緩，應(yīng)力分布變得十分均勻。與原設(shè)計(jì)相比較，彎曲正應(yīng)力得到降低，順橋向支座中心線所在的豎直面內(nèi)剪應(yīng)力值減小。在與以上幾個(gè)方案的比較中，結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)出深梁受力特性，但“大牛腿”的受力特性基本消失。修改設(shè)計(jì)后得到的單元的主拉應(yīng)力值比原設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果小。在大偏載荷載作用位置的縱向截面內(nèi)彎曲拉應(yīng)力范圍分布寬度增加，最大值較原設(shè)計(jì)的值小。6 計(jì)算結(jié)果分析本文通過(guò)上述三種結(jié)構(gòu)形式及布筋特點(diǎn)來(lái)分析此類“寶瓶”式橋墩的受力特性與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系。經(jīng)比較得出：增加墩底的尺寸，

9、結(jié)構(gòu)的受力得到了很好的改善，應(yīng)力等值線趨于平緩均勻。豎向壓應(yīng)力相對(duì)減小，豎向剪應(yīng)力下降。主拉應(yīng)力的大小和分布情況在三種工況下基本相同，因此箍筋和斜筋的布置范圍均需要滿布于整個(gè)弧線段范圍內(nèi)。方法一與方法二的進(jìn)行比較，當(dāng)墩底尺寸增加到5m時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值已在規(guī)范的要求范圍以內(nèi)。墩底寬度增加到6m對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布優(yōu)化已不明顯，并且從結(jié)構(gòu)的外形上講不能很好地滿足人們的審美要求，加之尺寸的增加，混凝土和鋼筋數(shù)量隨之增加，從經(jīng)濟(jì)上看也不太合理。7 結(jié)論采用空間程序來(lái)分析橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)鋼筋布置能得到較好的結(jié)果。對(duì)于“寶瓶”式橋墩，最大的彎曲拉應(yīng)力發(fā)生在墩頂。剪應(yīng)力始終在弧線中心區(qū)域

10、有集中現(xiàn)象。尺寸的變化對(duì)主拉應(yīng)力的大小和分布范圍的改變影響不大。對(duì)于支座中心位于墩底截面處的“寶瓶”式橋墩，箍筋應(yīng)在整個(gè)弧線段部分滿布，而不應(yīng)只是布置于托盤以上部位。托盤上部受力特性表現(xiàn)為深梁的受力特性；弧線段部位具有大牛腿構(gòu)造的受力特性，而且其特性隨著與支座中心線偏離墩底截面的程度而變化。the Discussion about the Characters of the “Aquarius” Type Pier under theOuter Force and the Reasonable Distribution of the Reinforcing Steel BarChen hong

11、chithe Construction Bureau of Fuzhou City Abstract: Combined with the results calculated by the finite program MIDAS, the characters of the “Aquarius” type pier of some great bridge under the outer force are analyzed in this paper. After calculating and comparing, the conclusions are gained which the structure and the distribution of the reinforcing