花瓶墩系梁受力分析

1、花瓶墩系梁受力分析摘要：平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)市政橋梁橋墩常采用雙柱花瓶式，平面桿系模型難以準(zhǔn)確計(jì)算系梁橫向受力，對(duì)其結(jié)果往往偏于不安全。根據(jù)應(yīng)力跡線繪制“撐桿一系桿體系”并撐簡(jiǎn)化模型，分析各參數(shù)對(duì)橫向系桿力的影響，并給出一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。關(guān)鍵詞: 花瓶墩柱；雙實(shí)體有限元；撐桿一系桿模型0引言花瓶橋墩由于造型優(yōu)美，近些年已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在城市立交主線橋梁中。由于墩頂段成花瓶形，在支座反力的作用下墩頂系梁橫橋向會(huì)產(chǎn)生較大的水平拉力，需根據(jù)計(jì)算，在系梁內(nèi)配置合適數(shù)量的橫向鋼筋，避免系梁橫向承載力的不足或裂縫的產(chǎn)生。1.計(jì)算鋼筋用量及承載力可積分求得系梁截面內(nèi)力，按公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(

2、JTGD62-2004)第6.4.4、6.4.3以及8.5.3條公式進(jìn)行鋼筋應(yīng)力、裂縫以及抗拉承載力的計(jì)算，也可假定求得的橫向拉力全部由橫向鋼筋來承受。為了控制裂縫，可根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別和擬配置的鋼筋直徑，來反算鋼筋控制應(yīng)力，將橫向拉力除以鋼筋控制應(yīng)力，從而求得所需的鋼筋面積。鋼筋的布置宜盡量布置在較大的拉應(yīng)力區(qū)，即靠近系梁上緣為宜。2.撐桿-系桿體系簡(jiǎn)化計(jì)算法根據(jù)花瓶墩頂“D區(qū)”類似于“深梁”的受力特點(diǎn)，可以考慮采用“撐桿-系桿體系”來計(jì)算其系桿力。根據(jù)實(shí)體有限元模型計(jì)算所得的應(yīng)力跡線，按照桿件中心盡量與應(yīng)力跡線重合的原則繪制桿件，建立的撐桿-系桿體系。值得注意的是，此時(shí)部分撐桿與傳統(tǒng)意

3、義上的撐桿不同，其作用在混凝土外部，是“虛撐桿”，撐桿力的平衡是通過墩柱受彎來實(shí)現(xiàn)的。圖1 撐桿-系桿模型圖圖中系桿力：Td=N/tan式中：N支座反力，KN；撐桿系桿的夾角，（°）。從式中可知，雙柱花瓶墩頂橫向受力的計(jì)算即為系桿拉力的計(jì)算，而系桿拉力的計(jì)算也即為撐桿-系桿夾角的計(jì)算。規(guī)范第8.5.3條中有關(guān)撐桿系桿體系算法。在承臺(tái)短懸臂中，其根據(jù)外排樁中心距墩臺(tái)邊緣距離等于墩臺(tái)高度情況下，采用：“梁式”和“撐桿系桿”兩種體系計(jì)算結(jié)果相近，經(jīng)過試算，作了a=0.15h0的假設(shè)，從而求得的大小。上述橋墩按規(guī)范公式計(jì)算可得，=87°，Td=524.1KN，與實(shí)體有限元結(jié)果差異很

4、大，因此規(guī)范算法并不適用于雙柱花瓶墩系桿力的計(jì)算，有必要探討適合雙柱花瓶墩系桿力的計(jì)算的參數(shù)a的合理取值。圖2 撐桿-系桿模型參數(shù)示意圖3參數(shù)分析經(jīng)計(jì)算，影響值的因素很多，為了弄清系桿力的變化規(guī)律，下面結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)系梁高度h、支座偏心距e、墩柱寬度D、墩柱高度H、系梁長(zhǎng)度L、墩柱厚度B、系梁厚度b以及墩柱半徑R等主要參數(shù)進(jìn)行分析。3.1系梁高度h以某工程橋墩為例，僅變化系梁的高度，從90變化至210cm其他參數(shù)不變，計(jì)算結(jié)果見表1。該橋墩模型D140c，B140cm,=55c，L=380cm,H=800cm,R=984cm.N=104KN,a=5cm,h0=h-a.計(jì)算表明：隨著系梁高度的

5、增加，值逐漸減小，橫向系桿力Td逐漸增加，但增速逐漸放緩。系梁高度增加到一定時(shí)，桿力趨近于不變。3.2支座偏心距支座偏心分別取45cm、50cm、55cm、60cm、65cm、75cm，其他參數(shù)不變，計(jì)算所得結(jié)果如表計(jì)算表明：座偏心位置與系桿力成正比，隨著支座距墩柱底中心偏心距離的加大，值逐漸減小，系桿力增加顯著。3.3墩柱寬度D墩柱寬度D分別取130cm、140cm、150cm、160cm、170cm，其他參數(shù)不變，計(jì)算所得結(jié)果如表3。計(jì)算表明：墩柱寬度與系桿力成反比，隨著墩柱的加寬，值逐漸增大，系桿力則線性減小。3.4墩柱厚度B墩柱厚度B分別取130cm、140cm、150cm、160cm

6、、170cm，與系梁等厚，其他參數(shù)不變，計(jì)算所得結(jié)果如表4。計(jì)算表明：墩柱厚度與系桿力成正比，隨著墩柱的變厚，值逐漸減小，系桿力線性增大，但變化幅度很小。3.5墩柱高度H墩柱高度H分別取500cm、600cm、700cm、800cm、900cm、1000cm，其他參數(shù)不變，計(jì)算所得結(jié)果如表5。計(jì)算表明：墩柱高度與系桿力成正比，隨著墩柱的加高，值逐漸減小，系桿力線性增大。3.6墩柱半徑R墩柱半徑R分別取780cm、880cm、984cm、1080cm，其他參數(shù)不變，計(jì)算所得結(jié)果如表6。計(jì)算表明：墩柱半徑與系桿力成正比，隨著半徑的加大，值逐漸減小，系桿力線性增大，但變化的幅度不大。3.7系梁長(zhǎng)度L

7、系梁長(zhǎng)度L從320cm變化至1000cm，參數(shù)不變，算所得結(jié)果如表7計(jì)。計(jì)算表明：系梁長(zhǎng)度與系桿力成反比，隨著系梁的加長(zhǎng)，值逐漸增大，系桿力則逐漸減小，但減速逐漸放緩，在系梁長(zhǎng)度較短時(shí)，與系桿力呈線性變化。3.8系梁厚度b以上計(jì)算都是基于系梁與墩柱等厚的前提的，實(shí)際工程中，出于景觀等方面考慮，常常有系梁與墩柱不等厚的情況。為研究其規(guī)律，將系梁厚度b分別取140cm、130cm、120cm、110cm、100cm，墩柱厚B=140cm，其它參數(shù)不變。計(jì)算所得結(jié)果如表8。計(jì)算表明：系梁厚度與系桿力成正比，隨著系梁厚度的減小，值逐漸增大，系桿力逐漸線性減小。4.1公式分析根據(jù)撐桿一系桿模型參數(shù)示意圖

8、（見圖2），幾何關(guān)系可知： tan=h0/x;x=e-(D/2-a)。另外，據(jù)表的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于常見的系梁高度，a/0比值接近一常數(shù)。考慮到值越大系桿力越大，因此可偏安全地取a=0.4h0。代人公式（2），簡(jiǎn)化可得：Td=0.4-15/h0）N。通?？赏ㄟ^相關(guān)系數(shù)R來判斷曲線趨勢(shì)規(guī)律。一般而言，若趨勢(shì)曲線是線性變化的，采用直線擬合會(huì)有大致一致的相關(guān)系數(shù)。從趨勢(shì)圖以及線形擬合的相關(guān)系數(shù)可以看出，支座偏心、墩柱寬、墩柱厚、墩柱高，墩柱半徑、系梁厚均與系桿力成線性變化，具有較好的相關(guān)性。但值得注意的是，系梁長(zhǎng)度僅在較短時(shí)與系桿力呈線性變化，系梁較長(zhǎng)時(shí)，線性相關(guān)系數(shù)會(huì)急劇降低此時(shí)系梁力逐步由“深梁”為“變淺梁”，“撐桿一系桿體系”模型誤差可能會(huì)加大。5.結(jié)語（）常用的雙柱花瓶墩墩頂受力類似于“深梁”，系桿模型難以準(zhǔn)確計(jì)算其系梁橫向受力，結(jié)果偏于不安全，帶來安全隱患，建議采用實(shí)體有限元或“撐桿一系桿體系”等其他可靠方法進(jìn)行分析。（）雙柱花瓶墩橫向系桿力受多因素影響。一般來說，系梁剛度越大，系桿力越大，墩柱剛度越大，系桿力越小。系桿力的大小與支座偏心距、系梁高度、系梁厚度、墩柱高度、墩柱半徑成正比，且為線性增加，系梁長(zhǎng)度、與墩柱寬