结合新《公桥混规》对花瓶墩进行受力分析

李宁

大连市市政设计研究院 辽宁大连 116021

随着社会经济以及桥梁设计水平的不断发展，结合景观的要求，现阶段城市桥梁墩台主要采用具有造型纤细、美观、新颖等特点的Y型墩、V型墩、门式墩、花瓶墩等形式的桥墩。由于这些桥墩在某些局部部位受力复杂，增加了分析计算的难度，所以对这些异形桥墩的设计计算要采用适当的分析模型。花瓶墩墩顶受力较复杂，采用经典弹性理论不易解决，新颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》给出了基于拉压杆模型理论的简化、实用计算公式。本文将从丹东港疏港公路东进线立交桥工程实例出发,分别采用新规范拉压杆理论公式以及实体有限元理论，对花瓶墩墩顶D区进行受力计算，并将结论进行对比分析，以供桥梁设计者参考。

1 计算分析

新规范①根据混凝土受力特性不同，将混凝土结构划分为B区和D区。B区是指截面应变分布符合平截面假定的结构区域，按梁式体系的规定进行分析计算；D区，即应力扰动区，指截面应变分布不符合平截面假定的构件或力流扩散明显的区域，一般位于集中力作用点附近或几何尺寸发生突变的部位。新规范示意了混凝土梁桥中典型的应力扰动区，包括剪跨比较小的区域、跨高比较小的深梁区域、后张预应力锚固区及构造上的几何突变区域等。应力扰动区常见的设计方法包括：拉压杆模型法、实体有限元方法和基于弹性力学和力流线模型理论的解析计算方法。

1.1 拉压杆模型方法

拉压杆模型是从混凝土结构连续体抽象出的一种简化力流分析模型，由压杆、拉杆和节点组成，用以反映结构内部的传力路径。拉压杆模型只需满足平衡条件，无须受变形协调条件的限制，这使得拉压杆模型不具有唯一性。这一方面使得拉压杆模型具有较大的自由性，另一方面也使得构成拉压杆模型较复杂。能真实地反映D区内部力流的传递路径的模型是所构建的拉压杆模型最直接的标准。

1.2 实体有限元方法

实体有限元模型是应力扰动区计算的一种分析方法，通过弹性应力分析，可以显示应力扰动区的应力分布规律，若对受拉区关键截面的拉应力进行积分，所得到的拉力可用于配筋设计；若进一步考虑钢筋及混凝土材料的非线性本构关系，则可用于评估结构的抗裂性和极限承载力。本文模型采用前者，即不考虑钢筋作用，这与规范所规定的拉压杆模型计算理论更接近。

1.3 工程实例

丹东港疏港公路东进线立交桥工程中上部结构采用预应力混凝土鱼腹式连续箱梁，根据上部结构特点，综合考虑施工难易程度、经济指标等因素并结合景观要求，桥梁下部结构采用花瓶墩[1]。本文分别采用拉压杆模型法和有限元实体分析积分法对丹东港疏港公路东进线立交桥工程中的花瓶墩进行分析。设计荷载：Fd=895KN。

图1为花瓶墩主应力迹线和主应力云图。从花瓶桥墩应力流分布可以看出，新规范给出的拉压杆模型很好的契合了应力走向。

从图2应力云图可以看出在花瓶墩顶部以主拉应力为第一主应力，近似等于横桥向水平拉应力，并且在做定性分析时可不考虑桥墩的厚度按厚度方向应力均匀考虑。扩大头下部以主压应力为第一主应力。拉应力在墩顶扩头对称轴处最大，往悬臂端部和墩柱方向逐渐减小；在扩头两侧边缘均受竖向压应力，扩大头以下的墩柱均受竖向压应力。扩头的应力出现了明显非线性状态的不连续区域。因竖向压应力我们可按照传统的B区理论进行配筋计算，这里我们更关心的是花瓶墩墩顶的横向受力状况。

图1 花瓶墩应力迹线

图2 花瓶墩主应力云图

从应力流走向以及墩顶拉应力大小我们可以看出应在墩顶配置横向钢筋抵制裂缝的产生，必要时可考虑增设预应力钢筋。

表1为采用拉压杆模型法和有限元实体分析积分法对花瓶墩拉杆进行计算结果，根据两种计算结果看，拉压杆模型法计算结果相差在5%以内，拉压杆模型法计算能满足工程精度要求。

表1 花瓶墩拉杆内力

2 结语

花瓶墩扩头受力复杂，采用实体有限元模型进行受力分析比较繁琐。本文结合新《公桥混规》拉压杆模型理论对工程实例中的花瓶墩拉区进行计算，并采用实体有限元模型进行复核，通过力流轨迹判断花瓶墩的受力特征并简单引出Y型墩的受力合理性。结果表明，采用拉压杆模型的计算方法，能满足工程精度要求。