花瓶墩系梁受力分析

花瓶墩系梁受力分析摘要：平潭综合实验区市政桥梁桥墩常采用双柱花瓶式，平面杆系模型难以准确计算系梁横向受力，对其结果往往偏于不安全。根据应力迹线绘制“撑杆一系杆体系”并撑简化模型，分析各参数对横向系杆力的影响，并给出一种简便的计算方法。关键词: 花瓶墩柱；双实体有限元；撑杆一系杆模型0引言花瓶桥墩由于造型优美，近些年已经被广泛运用在城市立交主线桥梁中。由于墩顶段成花瓶形，在支座反力的作用下墩顶系梁横桥向会产生较大的水平拉力，需根据计算，在系梁内配置合适数量的横向钢筋，避免系梁横向承载力的不足或裂缝的产生。1.计算钢筋用量及承载力可积分求得系梁截面内力，按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)第6.4.4、6.4.3以及8.5.3条公式进行钢筋应力、裂缝以及抗拉承载力的计算，也可假定求得的横向拉力全部由横向钢筋来承受。为了控制裂缝，可根据结构所处的环境类别和拟配置的钢筋直径，来反算钢筋控制应力，将横向拉力除以钢筋控制应力，从而求得所需的钢筋面积。钢筋的布置宜尽量布置在较大的拉应力区，即靠近系梁上缘为宜。2.撑杆-系杆体系简化计算法根据花瓶墩顶“D区”类似于“深梁”的受力特点，可以考虑采用“撑杆-系杆体系”来计算其系杆力。根据实体有限元模型计算所得的应力迹线，按照杆件中心尽量与应力迹线重合的原则绘制杆件，建立的撑杆-系杆体系。值得注意的是，此时部分撑杆与传统意义上的撑杆不同，其作用在混凝土外部，是“虚撑杆”，撑杆力的平衡是通过墩柱受弯来实现的。图1 撑杆-系杆模型图图中系杆力：Td=N/tan式中：N支座反力，KN；撑杆系杆的夹角，（）。从式中可知，双柱花瓶墩顶横向受力的计算即为系杆拉力的计算，而系杆拉力的计算也即为撑杆-系杆夹角的计算。规范第8.5.3条中有关撑杆系杆体系算法。在承台短悬臂中，其根据外排桩中心距墩台边缘距离等于墩台高度情况下，采用：“梁式”和“撑杆系杆”两种体系计算结果相近，经过试算，作了a=0.15h0的假设，从而求得的大小。上述桥墩按规范公式计算可得，=87，Td=524.1KN，与实体有限元结果差异很大，因此规范算法并不适用于双柱花瓶墩系杆力的计算，有必要探讨适合双柱花瓶墩系杆力的计算的参数a的合理取值。图2 撑杆-系杆模型参数示意图3参数分析经计算，影响值的因素很多，为了弄清系杆力的变化规律，下面结合有限元计算对系梁高度h、支座偏心距e、墩柱宽度D、墩柱高度H、系梁长度L、墩柱厚度B、系梁厚度b以及墩柱半径R等主要参数进行分析。3.1系梁高度h以某工程桥墩为例，仅变化系梁的高度，从90变化至210cm其他参数不变，计算结果见表1。该桥墩模型D140c，B140cm,=55c，L=380cm,H=800cm,R=984cm.N=104KN,a=5cm,h0=h-a.计算表明：随着系梁高度的增加，值逐渐减小，横向系杆力Td逐渐增加，但增速逐渐放缓。系梁高度增加到一定时，杆力趋近于不变。3.2支座偏心距支座偏心分别取45cm、50cm、55cm、60cm、65cm、75cm，其他参数不变，计算所得结果如表计算表明：座偏心位置与系杆力成正比，随着支座距墩柱底中心偏心距离的加大，值逐渐减小，系杆力增加显著。3.3墩柱宽度D墩柱宽度D分别取130cm、140cm、150cm、160cm、170cm，其他参数不变，计算所得结果如表3。计算表明：墩柱宽度与系杆力成反比，随着墩柱的加宽，值逐渐增大，系杆力则线性减小。3.4墩柱厚度B墩柱厚度B分别取130cm、140cm、150cm、160cm、170cm，与系梁等厚，其他参数不变，计算所得结果如表4。计算表明：墩柱厚度与系杆力成正比，随着墩柱的变厚，值逐渐减小，系杆力线性增大，但变化幅度很小。3.5墩柱高度H墩柱高度H分别取500cm、600cm、700cm、800cm、900cm、1000cm，其他参数不变，计算所得结果如表5。计算表明：墩柱高度与系杆力成正比，随着墩柱的加高，值逐渐减小，系杆力线性增大。3.6墩柱半径R墩柱半径R分别取780cm、880cm、984cm、1080cm，其他参数不变，计算所得结果如表6。计算表明：墩柱半径与系杆力成正比，随着半径的加大，值逐渐减小，系杆力线性增大，但变化的幅度不大。3.7系梁长度L系梁长度L从320cm变化至1000cm，参数不变，算所得结果如表7计。计算表明：系梁长度与系杆力成反比，随着系梁的加长，值逐渐增大，系杆力则逐渐减小，但减速逐渐放缓，在系梁长度较短时，与系杆力呈线性变化。3.8系梁厚度b以上计算都是基于系梁与墩柱等厚的前提的，实际工程中，出于景观等方面考虑，常常有系梁与墩柱不等厚的情况。为研究其规律，将系梁厚度b分别取140cm、130cm、120cm、110cm、100cm，墩柱厚B=140cm，其它参数不变。计算所得结果如表8。计算表明：系梁厚度与系杆力成正比，随着系梁厚度的减小，值逐渐增大，系杆力逐渐线性减小。4.1公式分析根据撑杆一系杆模型参数示意图（见图2），几何关系可知： tan=h0/x;x=e-(D/2-a)。另外，据表的计算结果，对于常见的系梁高度，a/0比值接近一常数。考虑到值越大系杆力越大，因此可偏安全地取a=0.4h0。代人公式（2），简化可得：Td=0.4-15/h0）N。通常可通过相关系数R来判断曲线趋势规律。一般而言，若趋势曲线是线性变化的，采用直线拟合会有大致一致的相关系数。从趋势图以及线形拟合的相关系数可以看出，支座偏心、墩柱宽、墩柱厚、墩柱高，墩柱半径、系梁厚均与系杆力成线性变化，具有较好的相关性。但值得注意的是，系梁长度仅在较短时与系杆力呈线性变化，系梁较长时，线性相关系数会急剧降低此时系梁力逐步由“深梁”为“变浅梁”，“撑杆一系杆体系”模型误差可能会加大。5.结语（）常用的双柱花瓶墩墩顶受力类似于“深梁”，系杆模型难以准确计算其系梁横向受力，结果偏于不安全，带来安全隐患，建议采用实体有限元或“撑杆一系杆体系”等其他可靠方法进行分析。（）双柱花瓶墩横向系杆力受多因素影响。一般来说，系梁刚度越大，系杆力越大，墩柱刚度越大，系杆力越小。系杆力的大小与支座偏心距、系梁高度、系梁厚度、墩柱高度、墩柱半径成正比，且为线性增加，系梁长度、与墩柱宽