薄壁花瓶墩柱的应用研究

薄壁花瓶墩柱的应用研究薄壁花瓶墩柱的应用研究 谢宝来 摘摘 要要 本文重点讨论了花瓶式薄壁墩柱的外形设计和结构设计的一般方法 外形设计使墩柱能适合任何箱梁断面 并给出了外形的曲线方程 结构设计分 别以牛腿和深梁的计算模型进行结构设计 并编制了牛腿和深梁的计算程序 以来提高工作效率 最后用 ANSYS 大型有限元分析软件进行分析复核计算 关键词关键词 墩柱 牛腿 深梁 ANSYS 有限元 一 一 工程概况工程概况 东南半环高架桥南起津塘公路南侧 700 米 北至程林庄路北 400 米 全长 5 2km 其 中桥梁全长 5km 面积 178000 余平米 全线墩柱共 400 来个 大部分均为花瓶式薄壁 墩柱 二 二 外形设计外形设计 初步设计阶段 对墩柱艺术造型进行了优化设计 根据满足墩柱受力要求 考虑艺术 效果 方便施工等原则 优化设计出了花瓶式薄壁墩 见图 一 花瓶式薄壁墩柱的圆滑 曲线给人以美感 墩柱两侧曲线同上部箱梁的斜腹板自然衔接 浑然一体 见图 三 花瓶式薄壁墩柱效果图 图 一 为了便于表示 把 16 5 米桥宽的墩柱计为 A 型墩柱 把 13 米桥宽的墩柱计为 B 型 墩柱 每个墩柱由墩身和墩帽两部分组成 符号意义说明如下 h 墩帽高度 单位 米 L 墩帽长度 单位 米 H 墩柱总高度 单位 米 R 墩柱侧面切圆半径 单位 米 a 墩柱宽度 单位 米 b 墩柱厚度 单位 米 c 抹角宽度 单位 厘米 1 墩柱墩帽设计 墩柱墩帽设计 A 型墩柱墩帽高 3 5 米 墩帽长 6 米 B 型墩柱墩帽高 2 5 米 墩帽长 3 5 米 帽顶厚 度均为 0 15 米 侧面圆曲线与墩柱侧面相切 并经过上顶点 由此根据勾股定理 见图 二 阴影部分 导出墩帽高度 h 和墩帽长度 L 与半径 R 的关系 墩帽外形图 单位 米 图 二 2 2 2 15 0 2 Rh aL R 即 R aL h 2 15 0 4 aL A 型墩柱 h 3 5m a 3m L 6 0m 得到 R 4 4908m B 型墩柱 h 2 5m a 2m L 3 5m 得到 R 4 0567m 由上面推导结果可以看出 R 为 h L 和 a 的函数 L 减 a 为墩柱的悬臂 也可以说 R 为墩帽高 h 和墩柱悬臂 L 减 a 的函数 根据此函数 可以设计出适合任何箱梁的墩 帽 为了满足墩柱美学要求 箱梁底宽要大于或等于墩帽长度 L 当然取等于时为最佳效 果 这时 可以由箱梁断面得到墩帽长度 L 墩柱宽度 a 由桥宽决定 一般经验为桥宽的 左右 墩帽高度 h 也很好确定 一般经验大小为墩柱宽度 a 加 0 5 米 由此 决定 R 的 5 1 三个参数大小确定了 R 的值也就确定了 2 抹角设计 抹角设计 为了满足美学要求 墩柱做抹角处理 墩身抹角 c 为 30 厘米 墩帽顶抹角 c 为 5 厘米 墩帽抹角在 h 0 15 范围内 抹角 c 线性由 30 厘米变到 5 厘米 墩柱高 X 处的抹角方程为 0 X H 当 0 X H h c 30cm 当 H h X H 0 15 c cm 5 15 0 15 0 25 h XH 当 H 0 15 X H c 5cm 花瓶式薄壁墩柱外形图 单位 厘米 图 三 3 抠槽设计 抠槽设计 为了满足美学要求 墩柱做抠槽处理 槽口宽 21cm 槽底宽 15cm 槽深度为 5cm 见 图 四 口和底宽度不同 这样做主要是为了好脱模 同时保证了外形为钝角 增加了视 线范围和美感 抠槽的数量和深度同时会影响美学效果 根据放样比较 一般认为墩柱宽度 a 取整作 为抠槽数目比较合适 如 宽度 a 为 3 米时 抠 3 个槽 为 2 米时 抠两个槽 为 1 6 米 时 取整后为 1 米 抠一个槽比较合适 抠槽的深度 通过断面放样比较 认为 5cm 又能 满足视觉要求 又不会对墩柱结构产生大的影响 墩柱抠槽示意图 单位 厘米 图 四 三 三 墩身结构设计墩身结构设计 1 墩身荷载 墩身除承受上部结构自重和活载外 还承受温度力 制动力和地震力等 各墩墩顶承受的纵向水平力主要包括温度影响力和制动力 其大小受各墩的刚度 控制 当温度影响力与制动力和大于支座滑动磨阻力时 墩顶纵向水平力取滑动磨阻 力控制 即墩顶水平力 Q 温度影响力 制动力水平力 支座滑动阻力 温度影响力包括上部结构连续箱梁在升温 降温 混凝土收缩 混凝土徐变情况 下对墩身产生的影响力 计算温度影响力时考虑了基础的影响 2 计算模式 计算模式采用承载能力极限状态法 矩形截面偏心受压构件计算 四 四 用牛腿计算模型进行墩帽结构设计用牛腿计算模型进行墩帽结构设计 由于墩帽结构酷似两个连接的牛腿 结构对称 受力也对称 取墩帽的一半进行结构 计算 见图 五 1 牛腿的裂缝控制要求 0 0 5 0 5 01 h d bhf F F F tk vk hk vk 式中 Fvk 作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的竖向力值 Fhk 作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的水平拉力值 混凝土轴心抗拉强度标准值 C30 混凝土 2 10Mpa tk f tk f 裂缝控制系数 此处取 0 80 d 竖向力的作用点至下墩柱边缘的水平距离 此处取 d 0 b 墩柱厚度 h0 牛腿与下墩柱交接处的垂直截面有效高度 此处 h0 h 0 05 牛腿计算模型图示 单位 米 图 五 我们取标准 40 米跨 16 5 米桥宽 静载 20000KN 活载 3500KN A 型墩柱为例进行 结构设计 Fhk 0 d 0 和 h0 h 0 05 上式化简为 05 0 2 hbfF tkvk 2x0 80 x2 10 x103x1 5x 3 5 0 05 17388 KN 考虑到汽车偏载影响 把活载全部加到一个支座上 则 竖向力 Fvk 20000 2x1 2 3500 x1 4 16900 KN 裂缝控制满足设计要求 2 在牛腿顶面的受压面上 由竖向力 Fvk所引起的局部压应力不应超过 0 75fc fc为混凝土 轴心抗压强度设计值 此处 17 5MPa 通过 Ansys 分析 见后面内容 支座附近的主应力为 9 34Mpa 0 75fc 0 75x17 5 13 125 9 34 满足局部压应力要求 3 纵向钢筋面积计算 As y h y v f F hf dF 2 1 85 0 0 此处 当 d 0 3h0时 取 d 0 3h0 式中 As 纵向钢筋总面积 Fv 作用在牛腿顶部的竖向力设计值 Fh 作用在牛腿顶部的水平力设计值 此处 Fh 0 fy 钢筋抗拉设计强度 HRB400 钢筋取设计强度为 330Mpa As 144 4 cm2 y v f F 85 0 3 0 4 3 10 1033085 0 3500 2 20000 3 0 4 配筋率控制要求 承受竖向力所需的纵向受力钢筋的配筋率 按牛腿的有效截面计算不应小于 0 2 及 0 45ft fy ft为混凝土轴心抗拉强度设计值 1 75Mpa 也不宜大于 0 6 As 0 2 bh0 0 002x1 5x 3 5 0 15 x104 100 5 cm2 As 0 45 ft fyb h0 0 45x1 75 330 x1 5 x 3 5 0 15 x104 120 0 cm2 As 0 6 bh0 0 006x1 5x 3 5 0 15 x104 301 5 cm2 配筋率均满足要求 五 五 用深梁计算模型进行墩帽结构设计用深梁计算模型进行墩帽结构设计 1 正截面强度验算 取图 六 所示模式 假定作用于墩顶的竖向荷载通过 300cm 的传递后趋于均匀 后面 用 ANSYS 计算证明了这一假定的正确性 Nj 20000 x1 2 3500 x1 4 2 14450 KN q 20000 x1 2 3500 x1 4 3 06 9444 5 KN m Mj 14450 x1 5 9444 5x3 062 8 10620 7 KN m 按深梁进行强度验算 Ag sMj ZxRg 式中 Ag 所求钢筋面积 Mj 所求配筋截面承受的弯矩 Mj 10620 7KN m Z 内力偶臂 Z 0 64L 0 64x3 1 92m Rg 钢筋抗拉设计强度 HRB400 钢筋 Rg取 330MPa 则得 Ag 1 25x10620 7 1 92x330000 x104 209 53 cm 2 采用直径 32mm 的 HRB400 钢筋 26 根 两排 Ag 8 043x26 209 12 cm 2 深梁计算模型图示 单位 厘米 图 六 2 剪力计算 支座处剪力为 Qj 20000 2x1 2 3500 x1 4 2 8450KN 因为支座放置在墩柱下边缘上 抗剪截面面积 A 150 x350 52500m2 这样 Qj 0 02 b cRaA 0 02x0 95 1 25x17 5x52500 13965KN 满足剪力要求 上述剪力 假定混凝土和箍筋承受其容许剪力的 60 余下的 40 由斜筋承受来进行 墩帽的剪力配筋 六 用六 用 ANSYS 进行结构分析进行结构分析 考虑到墩帽特殊的形状 在采用上述简化方法计算后 又采用了 ANSYS 大型有限元 软件进行结构分析计算 对结构进行应力分布分析 为了计算方便 根据圣维南原理 将 墩帽以下 10 米区域作为计算元已经足够 计算元底面各单元节点为固节 通过计算得到各 单元内力 由于属薄壁结构 所以采用平面四边形八节点单元进行单元划分 主应力分布图 单位 Pa 图 七 如图 七 所示 支座下面和墩帽底侧主应力为 9 34Mpa 本图也可以看出 主应力在 墩帽底很快趋于平稳 水平拉应力分布图 单位 MPa 图 八 水平拉应力 x 5 94MPa 如图 八 所示 分布高度为 0 3 米 由此得到水平拉力 Fx 5 94x1 5x0 3 2 673 MN dydz x 3 0 0 5 1 0 钢筋利用安全系数取 60 即容许应力取 330 x0 6 198Mpa 则用直径 32mm 的 HRB400 钢筋根数 2 673 198x8 043x10 4 17