摘要：城市在不断的发展，社会在不断的进步，在城市中，地铁、轻轨等城市轨道交通是城市公共交通的一种便捷工具，近年来在各地都得到了快速发展。轨道交通桥梁一般规模较大，上部结构多采用预制方案，美感欠佳，而造型新颖美观的Y形墩、V形墩、花瓶墩等桥墩构件可以起到提升整体景观效果的作用。
关键词：轨道交通；花瓶墩；有限元分析；应力；拉压杆模型
引言
近年来，城市发展日新月异，对城市道路的建设提出了新的要求。城市道路的建设不仅仅要满足日益增长的交通需求，对景观的要求也是越来越高。大跨径轨道交通桥梁作为城市道路的组成部分，美观也是设计者考虑的因素之一。花瓶墩因其受力明确、造型美观，在大跨径轨道交通桥梁中的应用越来越广泛。本文旨在通过具体工程实例对花瓶墩的计算分析，探讨花瓶墩计算分析的具体步骤和内容，为同类型桥墩受力的计算分析提供参考。
1工程概述
某市地铁8号线线路全长约61km，其中高架段长度约6.5km。高架标准段上部结构采用预制U形梁，下部结构采用宝石形盖梁接圆端形截面桥墩。本文示例跨径布置为（40.7+64+40.7）m，梁体采用单箱单室变高度箱形截面，支点梁高4.0m，跨中梁高2.2m，箱梁顶宽9.8m，底宽6.0m，采用挂篮悬浇法施工。下部结构采用花瓶墩，为保持全线风格统一、景观表达一致，桥墩同标准段亦采用圆端形断面。该项目花瓶墩与常规市政桥梁桥墩相比，主要有以下特点：（1）国内已建花瓶墩大多用于市政桥梁，示例花瓶墩用于轨道交通桥梁，墩顶反力大。（2）大跨径轨道交通桥梁花瓶墩多为矩形断面，示例花瓶墩采用圆端形断面，造成墩顶布筋困难。本文对该联连续梁制动墩进行花瓶部位受力分析。
2计算分析
2.1受力分析
主梁墩顶两支座之间区域出现较大面积受拉区域，桥墩最大拉应力为4．2MPa，最大拉应力出现在距离墩横横桥向外侧2．4m处，支座间墩顶其他区域最大拉应力也达到了4．0MPa左右，拉应力远远大于C40混凝土抗拉强度标准值2．4MPa，跨中距墩顶1．0m高度范围内拉应力数值均超出C40混凝土抗拉强度设计值1．65MPa，跨中距墩顶0．6m高度范围内拉应力数值均超出C40混凝土抗拉强度标准值2．4MPa;压应力最大数值为4．7MPa，远远小于混凝土抗压桥墩。
2.2正常使用极限状态裂缝验算
缀板圆弧最低点拉应力达6.42MPa，远大于C40混凝土的轴心抗拉强度设计值1.65MPa，因此，为避免缀板拉应力过大开裂影响桥梁的使用性能，缀板顶部需张拉预应力来减小或消除混凝土的拉应力。于缀板圆弧最低点25cm以下设2层预应力，层间间距为40cm，每层为2束ΦS15.2-12的钢绞线。利用迈达斯建立桥墩的梁格模型并进行计算。墩底节点全部固结，墩顶节点自由。支反力及制动力作为集中荷载施加于墩顶节点，按上述布置方式输入预应力荷载。钢绞线的抗拉强度标准值为1860MPa，张拉控制应力为1395MPa，采用一端锚固，一端张拉的方式进行预应力张拉。每个支座反力为8750kN，制动力为193.1kN。桥墩自重1803kN。
2.3波形钢腹板连续梁
波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥是用波形钢腹板替代混凝土箱梁腹板制作而成的，减轻了上部结构的自重，继而减少了预应力的用量。该结构因刚度较小，在小半径条件下受力不合理，因此不建议在立交匝道中使用。在城市立交桥的主线标准段，使用波形钢腹板预应力混凝土结构可以标准化制作波形钢腹板连续梁，加快施工速度，但缺点是会增加造价，后期养护量较大，养护费用较高。此外，在波形钢腹板连续梁中，腹板与顶底板连接处结构相对比较复杂，整体性较差，是整个结构的薄弱点，此处容易腐蚀，施工烦琐，对施工单位要求极高。
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2.4拉压杆模型计算
目前学术界一般采用应力流分布法和荷载传力路径法两种方法来构建拉压杆模型，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）是根据后者来模拟花瓶墩墩顶受力的拉压杆模型。根据规范第8.4.7条，布置双支座的独柱墩墩帽，受力类似于深梁或牛腿，可采用简化的拉压杆模型来分析墩帽部位的横向抗拉承载力：该例中，墩顶花瓶部位高h=4.0m，支座间距s=3.6m，桥墩底部横向宽度b'=3.6m，顶部宽度b=6.0m，Fd=14852.5kN，则墩顶横向拉力Td=6015kN。根据计算结果，需要布置46根直径32mm的HRB400钢筋。按规范规定拉杆中心位于墩顶以下h/9高度即0.45m处，拉杆钢筋在墩顶以下2h/9高度即0.9m内布置。可见本文示例按规范简化的撑杆-系杆模型计算结果与实体有限元数值分析结果基本一致，偏差在4%以内。因为拉压杆模型无法考虑横向拉应力的竖向分布情况，因此拉杆钢筋的布置范围、分层及每层数量需要根据该工程经验来确定。
2.5强度验算
缀板圆弧最低点拉应力达6.42MPa，远大于C40混凝土的轴心抗拉强度设计值1.65MPa，因此，为避免缀板拉应力过大开裂影响桥梁的使用性能，缀板顶部需张拉预应力来减小或消除混凝土的拉应力。于缀板圆弧最低点25cm以下设2层预应力，层间间距为40cm，每层为2束ΦS15.2-12的钢绞线。
2.6加固方法
依据设计单位推荐的加固方案，选取墩顶体外预应力钢绞线方案进行计算分析。墩顶横桥向布置8s15．2－12长钢束，钢束锚固与钢锚梁上。墩顶截面厚度方向增大35cm，宽度方向增大100cm以布置钢绞线。在增加混凝土表面设置直径25mm，间距100mm钢筋网。
2.7计算模型及主要参数
该桥制动墩墩高12.5m，其中花瓶部分高度4.0m。圆端形半径1.3m，墩身等截面段宽3.6m，横桥向花瓶部位顶宽6.0m。在墩顶设置两个140cm×140cm矩形支座垫石，横桥向支座中心距3.6m。工程上因美观需求，常在墩顶两支座间设置凹糟，但实体花瓶墩在荷载作用下，凹槽下挖处的两侧倒角很容易形成局部应力集中，因此综合考虑，该示例桥墩墩顶未设置凹槽。根据上部纵向总体计算结果，恒载作用下墩顶反力24942kN，活载作用下墩顶反力4763kN，每个支座分担反力为14852.5kN。墩身采用C45混凝土现浇施工，基础为群桩基础。
结语
本文通过对一联（40.7+64+40.7）m连续梁制动墩进行空间受力分析，对花瓶墩的墩顶受力特性有了比较全面的了解，根据墩顶应力分布得到设计荷载作用下的总拉力，并进行了配筋设计。同时采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）给出的拉压杆简化计算公式，对上述墩顶拉力进行了校核。对比结果表明，采用拉压杆模型的计算方法能满足工程精度要求，可供类似结构设计参考。花瓶墩瓶口端受力复杂，采用实体建模分析工作烦琐、计算耗时较大，因此当双支座横桥向中心距与墩身底部横桥向宽度接近时，可直接采用规范公式计算墩顶拉力，再根据类似工程经验布置拉杆钢筋。本文示例花瓶墩墩顶出现的拉应力大、分布范围广，因此对于具有上述特点的桥墩应注意控制支座间距，尽量使支座中心线位于墩身等截面范围内，可减小墩顶拉力和敞口部位承受的剪力。对于支座偏心大、花瓶瓶口曲线半径较大的结构，可采用实体有限元模型分析对拉压杆模型计算结果进行校核。
参考文献
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[3]张帅锋.花瓶式桥墩墩顶拉力计算分析[J].北方交通，2014（2）:43-45.
论文作者:蔡承龙
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第14期
论文发表时间:2019/10/29
标签：花瓶论文; 应力论文; 桥墩论文; 支座论文; 预应力论文; 腹板论文; 混凝土论文; 《建筑实践》2019年第14期论文;