花瓶墩的計算分析及工程應用

周振東，代 戈，葛 琪

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京100096；2.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

隨著我國社會經(jīng)濟水平的發(fā)展，對橋梁景觀的要求越來越高，造型美觀的墩柱越來越多地應用于各種橋梁中，特別是城市高架橋?；ㄆ慷胀庑蚊烙^，目前在市政橋梁中得到廣泛應用，但由于其墩帽呈現(xiàn)頂寬底窄（沿圓弧線過渡）、支座作用邊緣線越過底寬等特點，受力比較復雜，不再滿足梁式結構平截面假定，加之現(xiàn)有對花瓶墩柱的研究分析非常少，故有必要對其進行精細化有限元分析。

本文通過對柱式花瓶墩的梁單元和實體單元的模型計算對比，和對實體花瓶墩的實體模型分析，并結合寧波繞城項目的工程應用，討論實體花瓶墩的設計計算方法和處理措施。

1 工程概況

寧波市繞城高速公路是寧波市高速公路規(guī)劃的重要部分，全長約86km。國道主干線寧波繞城公路東段全長約43.5km。主線99%路段為高架橋，還有11座互通的匝道橋，因而本項目對城市景觀要求很高。

本文根據(jù)支座間距和設置位置的不同應用了柱式花瓶墩和實體花瓶墩2種結構形式。圖1分別為柱式花瓶墩（左側）和實體花瓶墩（右側）施工現(xiàn)場照片。

圖1 花瓶墩施工現(xiàn)場照片

2 模型建立

2.1 柱式花瓶墩

根據(jù)墩高不同，分別建立橋墩模型。圖2、圖3分別為墩高為7m和10m的柱式墩模型。

模型分別采用梁單元和實體單元來考察橋墩應力。實體單元中，鋼束采用索單元模擬。

2.2 實體花瓶墩

根據(jù)經(jīng)驗，實體花瓶墩只能采用實體模型進行受力分析，建立模型如圖4所示。

圖4 Ansys實體花瓶墩實體單元模型

本次分析采用有限元程序Ansys建立花瓶墩空間模型，solid45單元模擬混凝土，考慮到為了便于對其受力集中的部位進行局部分析，在網(wǎng)格劃分時采取逐漸過渡和重點細化的分配原則［1］。

3 計算應力分析

3.1 柱式墩計算結果分析

3.1.1 墩高7m梁模型和實體單元模型計算

在墩高7m時，橫梁配置1層7根精軋螺紋鋼筋，距上緣10cm，每根鋼筋錨下張拉控制應力為706.5MPa，由梁單元計算模型中的永存預應力反算實體單元模型中的索張拉力［2］。墩高7m梁單元與實體單元橫梁上緣最不利應力計算結果如圖5所示。

圖5 短期荷載效應組合上緣應力（MPa）

橫梁與立柱的結合部應力由實體計算得到，如圖6～圖8所示。

圖6 短期荷載效應組合橫向正應力（MPa）

從圖5可以看出，橫梁在7根預應力作用下，上緣短期荷載效應組合下最大拉應力梁單元模型計算結果為1.2MPa拉應力，和實體單元模型計算結果較為接近，且小于1.7MPa的拉應力限值，滿足要求。在實體單元分析墩梁結合處時，在預應力錨固位置，正應力和主應力較大；而在由橫梁過渡到立柱段，最大主拉應力為0.8MPa，小于1.2MPa，滿足要求。主應力圖顯示在錨固區(qū)位置主拉應力方向和水平方向成45℃斜角，宜配置適量斜筋。

3.1.2 墩高10m梁模型和實體單元模型計算

墩高10m時，上橫梁配置1層7根精軋螺紋鋼筋，上層距上緣10cm，每根鋼筋錨下張拉控制應力為706.5MPa，由梁單元計算模型中的永存預應力反算實體單元模型中的索張拉力。墩高10m梁單元與實體單元橫梁上緣最不利應力計算結果如圖9～11所示。

從圖9可以看出，橫梁在7根預應力作用下，上緣短期荷載效應組合下最大拉應力梁單元模型計算結果為0.57MPa拉應力，小于實體單元模型計算結果且小于1.68MPa的拉應力限值，滿足要求。在實體單元分析墩梁結合處時，在預應力錨固位置，正應力和主應力均較大；而在由橫梁過渡到立柱段，最大主拉應力為0.7MPa，小于1.2MPa，滿足要求。從主應力方向圖上看，在錨固區(qū)后位置主拉應力方向和水平方向成45℃左右斜角，宜配置適量斜筋。

3.2 實體花瓶墩計算結果分析

花瓶墩在設計時遇到的問題是：墩頂是否設置弧形凹槽。按美觀要求和施工難易程度分別建立3種模型：不設凹槽、直線凹槽和弧形凹槽。

3種模型的驗算組合采用支座反力取4 200kN，支座墊石的尺寸為50cm×50cm。

從圖12可以看出，3種模型的主拉應力都是比較集中地分布在距離墩中心2m范圍內，其它部位的主拉應力基本不超過1.5MPa。

通過對實體花瓶墩墩頭的主拉應力進行局部分析比較，如圖13所示：隨著凹槽處中心點下切高度的增大，在給定的荷載作用下，下凹最低點的主拉應力從4.4MPa增大到7.0MPa，增幅比較大，而主拉應力方向基本是不變的，都是沿橋橫向分布。

不設凹槽的計算模型中，除了墩頂橫向拉應力較大外，基本不出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。而隨著凹槽處中心點高度的降低，分支的內邊緣的最大主拉應力出現(xiàn)點漸漸下移，集中受拉段高度有增大的趨勢。

基于上述分析，從受力角度來講不設凹槽最為理想，但考慮到美觀的因素，選取挖有直線凹槽的方案為最終設計方案。但考慮在挖直線凹槽的時候，受拉區(qū)主要集中在挖槽處，最大主拉應力為4.5MPa，針對在兩側倒角處容易形成應力集中的現(xiàn)象，設計中通過墩頂鋪設鋼筋網(wǎng)片和挖槽作圓弧倒角處理的方法來改善局部受力。

4 結論及建議

通過以上分析，可以得出以下結論：

1）在計算柱式花瓶墩墩頂系梁受力時，采用桿系模型和實體模型計算的拉應力值相近，并滿足精度要求。因而在計算墩頂系梁配筋時，可采用桿系模型計算；

2）實體花瓶墩在荷載作用下，若設墩頂凹槽，則下挖處的兩側倒角很容易形成局部應力集中，應該局部加強，考慮可將連接處以圓弧過渡，并在這個位置布置鋼筋網(wǎng)片；

3）對于相同支座間距的柱式花瓶墩和實體花瓶墩的選取，當支座間距＞5.4m時，從鋼筋和砼的工程量角度前者較后者少10%～20%，結構受力均能滿足設計要求，施工難易性也差別不大，因而建議當支座間距＞5.4m時首選柱式花瓶墩，從美觀角度當支座間距＜5.4m時宜首選實體花瓶墩；

4）本文計算所采用的花瓶墩均為弧線曲度較小，偏心較小的橋墩，但對于大偏心花瓶墩還需要對圓弧曲線段斜截面的抗剪抗彎進行相應研究。

［1］葛占釗，胡國海，張耀元，等.橋梁柱式蓋梁內力分析的有限元方法［J］.公路，2008（1）：79－82.

［2］鄭楷柱.花瓶墩的拉壓桿模型設計方法研究［J］.中國建材科技，2011（3）：39－41.

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