城市桥梁独柱式花瓶墩结构有限元分析与计算

摘要：城市桥梁建筑景观需要使许多高架桥桥墩设计成异形构件，而一般的梁单元方法只能近似分析其力学性能。以某工程非通航孔桥的异形桥墩为例，对其结构受力性能进行了分析，并利用有限元分析软件建立三维实体单元，分析了墩顶截面在恒载和组合工况作用下的三维应力分布情况。

关键词：花瓶墩；受力分析；有限元

一、引言

随着社会经济的发展，人们对桥梁建设除了追求经济实用外，还开始追求绿色环保的景观效果。若想使桥梁结构造型美观，并与周围环境相协调，墩台与桥梁上部结构一样起着举足轻重的作用。国内外造型新颖的桥梁，不少在桥墩结构上采取了新的结构型式，改变了早期城市桥梁墩台设计较多采用厚重呆板的重力式、柱林密布的桩柱式结构形式，越来越向纤细、美观的方向发展，发展出越来越多新颖造型，如Y形墩、悬臂墩、门形墩、花瓶墩、V形墩、T形墩等。花瓶桥墩由于造型优美，近些年已经被广泛运用在城市高架桥梁以及立交主线桥梁中。由于墩顶段成花瓶形，在支座反力的作用下墩顶局部横桥向会产生较大的水平拉应力，需根据计算，在墩顶一定范围内应配置合适数量的横向钢筋，避免墩顶局部横向承载力的不足或裂缝的产生。

本文以某工程非通航孔桥桥墩的设计和计算为例，重点介绍花瓶墩设计和计算思路，并对花瓶形桥墩的受力特点进行分析和探讨。

二、概况

该项目主桥为三跨自锚式悬索桥，主跨195m，两侧副孔跨85m，右侧另外考虑一单向通航孔。非通航孔桥为五跨预应力混凝土连续箱梁，靠近通航孔桥两侧各设一跨40m简支梁，见图1所示。

图 1 结构总体布置示意图

图 2结构标准横断面示意图

其中非通航孔上部结构为5x40m连续箱梁梁标准段采用单箱双室斜截面，单幅桥主梁顶宽17.5m，底宽9.8m，设置结构单向横坡2%。主梁为全桥等高度箱梁，箱梁中心线处梁高2.20m。主梁两侧各悬臂3.0m，悬臂端部厚度20cm，悬臂根部厚度56cm。顶板全联等厚，厚度为22cm，底板厚度22cm，根部加厚至40 cm。腹板为斜腹板，厚度为40cm，在预应力锚固接长处变至52cm，根部变厚至60cm。横隔梁中支点厚度为2.0m，边支点厚度1.2m。施工方法为移动支架施工。

下部结构桥墩采用花瓶形方案，外形线条在桥墩中部向上逐渐展开，流畅中蕴涵着变化，与上部箱梁的斜腹板巧妙结合在一起，视觉连续性和整体性较好。桥墩墩顶截面宽度6.3m，墩底截面宽度3.6m，顺桥向厚度2.0m。见图2、图3所示。

图 3 下部结构标准横断面示意图

三、计算条件

1.材料：墩身混凝土等级C40，承台混凝土等级C30，钢筋采用HRB335。

2.荷载：作用在固定墩墩顶的竖向力主要有上部结构的恒载与活载，水平力有汽车制动力、风荷载、温度力及偶然荷载等。

恒载：包括主梁恒载反力、墩柱自重以及考虑墩柱施工偏心0.05m；

活载：荷载等级为城市-A级，人群荷载按《城市桥梁设计荷载标准》取用。单幅桥横向按单向四车道进行加载，考虑满布汽车及人群、单侧偏载，满布时横向偏载系数1.15，单侧偏载时横向偏载系数2.0。

风载：根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004），基本风速取100年一遇V10=27.2m/s，与汽车活载组合时，按桥面高度处的风速Vz=25m/s计。

摩阻力：当活动墩墩顶支座上水平力大于静止摩阻力时，支座将产生滑移。因此，活动支座上最大水平力为静摩阻力，摩阻系数μ=0.06。

温度荷载：体系整体按升温+20°C，降温-20°C计。

波流力：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG/T D60-2004）采用。

3.荷载组合方式：见表1

四、桥墩受力分析：

根据计算分析结果，对桥墩分别进行顺桥向和横桥向的受力计算和分析，并进行荷载最不利组合。

4.1 横桥向

横向桥墩型为花瓶式，其受力较一般柱式桥墩复杂，工程中，对于支座偏心距离较大，墩柱较高的花瓶墩，墩顶一定范围内存在较大的横向力，因此在设计过程中应该引起足够重视。本文采用通用的有限元程序MidasFEA建立空间模型，共39399个四面体实体单元，如图4所示。通过有限元计算分析桥墩顶面在横桥向荷载作用下的受力特性。

4.2 顺桥向

桥墩顺桥向的计算按承载能力极限状态法进行配筋和承载力验算。计算图式取普通偏心受压构件模式，配筋采用对称配筋，控制截面取墩底截面，计算长度按照一端固定、一端铰接的方法确定。承载力验算时不论在弯矩作用平面还是垂直弯矩作用平面均需满足抗力大于作用效应组合设计值的要求。

五、计算结果分析：

5.1墩底截面验算

墩底截面横桥向受力最不利组合为横桥向组合II。截面短边配筋2排Φ32束筋@20cm，计算截面承载能力极限状态满足规范要求。正常使用极限状态短期组合裂缝宽度0.185mm。

墩底截面顺桥向受力最不利组合为顺桥向组合IV。截面长配筋2排Φ32束筋@15cm，计算截面承载能力极限状态满足规范要求。正常使用极限状态短期组合裂缝宽度0.183mm。

5.2墩顶截面验算

1.正应力

六、结语

随着经济和社会的发展进步，人们对城市建设的审美要求日渐提高，桥梁景观设计要求日显重要，桥梁结构设计理念也发生了很大的变化，设计人员开始注重结构细部设计。本文通过对独柱式花瓶墩模型建立，分析了结构在多种荷载工况组合下的受力性能，可为类似结构形式的设计研究提供有益的参考。

参考文献：

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[2]杨士金，唐虎翔.景观桥梁设计[M].上海：同济大学出版社，2003.

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[4]李新平，周晶，张勇.薄壁花瓶墩的拉力计算实用方法[J].昆明理工大学学报，2011（4）：32- 37.

作者简介：

姓名：霍楠，出生年月：1983.01，性别：男，名族：汉族，籍贯：陕西延安，学位：本科，工作单位：广州市公路勘察设计有限公司，职称：工程师，职务：设计人员，从事何项工作：从事道路、桥梁工程设计工作。