桥梁工程中花瓶墩的设计分析

摘要:由于社会经济的不断发展，城市规模的日益扩大，在很多高架桥建设中，都逐渐开始重视景观方面的需求；花瓶墩由于具有美观性而在城市高架桥建设中得到了广泛使用，不过其墩顶部位由于扩头受力较为复杂，因此在设计计算方面存在着很大的困难。基于此，本文结合实例对桥梁工程中花瓶墩的设计进行了分析。

关键词: 桥梁工程；花瓶墩；设计分析

Abstract: Many viaduct construction due to socio-economic development, the growing scale of the city, are gradually starting to focus on the needs of landscape; vase pier because of aesthetics has been widely used in urban viaduct construction, but the pier at the top bit expanding head force is more complex, and therefore there are great difficulties in the design calculations. Based on this, With examples vase pier of bridge engineering design analysis.

Keywords: Design and analysis of bridge engineering; vase pier;

　　由于社会经济的日益发展,致使人们对桥梁建设提出了更高的要求，除了注重经济实用性外,还将重点放在了以环境协调，经济以及技术合理性为基础的景观效果方面。如果想设计出更加美观的桥梁,和附近环境更加协调的桥梁,则桥梁上部以及墩台结构是否美观合理是非常关键的。现今得到广泛使用的箱梁以及T梁等这些梁式桥结构,对桥梁上部结构设计是否平淡以及单调有直接的影响，不易于进行大幅度的改变。不管是在我国还是在国际上处于不断变化中的桥梁,其实是以桥墩结构为基础，在这之上结合了多种新型结构形式构建而成的一种结构。因此城市中很多桥梁墩台设计逐渐抛弃了以往的那种结构，即重力式圬工结构,逐渐朝着纤细以及美观的趋势前进,大量造型独特的桥墩在实践工程中得到了运用，比如花瓶墩、悬臂墩、T形墩以及门形墩等。因为这些桥墩选择了梁柱结构，该种结构受力异常复杂,不易于进行计算，所以对该异形桥墩进行设计以及计算时需选择合理的分析模型, 对构架所有构件的具体变形程度以及内力进行认真验算以及配筋,确保其稳定性，强度以及刚度等与要求相符。所以，本文主要举了某一大桥的例子，在文中介绍了引桥桥墩的计算以及设计，并重点讲解了异形桥墩的具体设计以及计算过程,分析了其受力特点。

1实例概况

某大桥所处地理位置非常关键，其不仅具备了交通功能,而且也属于城市桥梁的一部分,在设计时结合了景观以及交通这两方面的需求,努力使桥型与众不同。正是因为如此，该大桥主桥选择了(+88)m长度的独塔而且是单索面的斜拉桥（天鹅型预应力混凝土）,而且南北引桥各自选择4×25m以及2×25m的截面连续箱梁（预应力混凝土）,桥梁长度合计达到了308.4m,图1 是其具体桥型布置图。

图1大桥桥型布置图

引桥上部结构选择了25m长的跨等高度连续箱梁（预应力混凝土）,左幅和又幅单独布置,关于该桥梁的单幅桥面，其宽度达到了10.25m。箱梁梁高，顶板宽度以及地板宽度分别是1.4m,10.25m以及4.45m,其每侧悬臂大约是2.5m。关于引桥的单幅横向，其具体布置是这样的:即防撞护栏0.5m合并人行道1.75m合并车行道8m , 图2是引桥断面图。

 图2引桥断面形式

2 引桥桥墩部位的结构选取

关于该大桥，其引桥单幅桥面以及箱底宽度分别是10.25m以及4.45m,整座桥都位于直线段。通常来说,只有边支点处安置了双支撑,而中支点处都设计成了独柱支撑。因为桥面在横方向上的布置不具有对称性 运营过程中汽车荷载较为偏载, 箱梁要承受较大扭矩,如果全部支点都选择双支撑, 那么扭矩就会降低很多。表1是单支撑以及双支撑各自对汽车荷载带来的扭矩。

表1 汽车荷载产生的扭矩

墩台号4#5#6#7# 8#

双支撑 支座间距(m)3.52.5 2.52.5 3.5

最大扭矩(kN.m)1947 1959195919591947

单支撑 支座间距(m)3.5-- -3.5

最大扭矩(kN.m)4139 26271373 26274139

由上表数据我们可以看出, 如果只于4#以及8#墩安置双支座,别的桥墩安置单支座,则汽车荷载带来扭矩的最大值是4139kN·m。若4#～8#墩都安置成双支座,则汽车荷载带来的箱梁扭矩最大值只有1959kN·m。

此外通过表1还能得出,在中支点处选择双支座有利于上部结构。由于引桥箱梁底板部位相对狭窄,桥墩最好不要选择双柱式,因此在设计过程中引桥桥墩采取双支撑, 而桥墩型式选择为实体墩，也可以是独柱加扩头,具体情况见图3。由于该桥墩具有这样的外形特点，所以通常也被叫做花瓶墩。在本工程中,该桥墩型式不仅与支座布置要求相符,而且和上部处的斜腹板箱梁相互协调,与美观需求相符。

图3 引桥桥墩结构图 

3 对桥墩受力情况进行的分析

结合对上部结构进行的分析以及计算结果,针对桥墩顺桥向以及横桥向的具体受力情况，分别进行计算以及分析。

3.1 顺桥向方面

对桥墩顺桥向进行的计算根据承载能力最大值法验算承载力以及实施配筋。计算图式选择常规偏心受压构件这一方式,配筋选择了对称配筋,而控制截面选择了墩身根部处的截面,至于计算长度采取一边铰接，一边固定的方式。对承载力进行验算的过程中不管是垂直弯矩作用平面还是弯矩作用平面都要与抗力在作用效应组合值之上的这一原则相符。

在对桥墩顺桥向进行计算的过程中要结合这些作用进行考虑，比如制动力，人群作用，地震力，上部处的结构恒载，温度以及汽车作用等。在此主要讲解这次计算过程中的墩顶水平力在取值时遵守的基本原则。

桥墩承受的水平力主要有下面两种：（1）直接施加给梁的水平力,主要指的是制动力，此外还包括主梁地震力,因为纵坡梁身自重顺着支座顶面带来的剪力等。在对制动力进行计算的过程中, 对一联制动力根据每墩推力具体刚度进行分配,如果分配给活动墩的值超过支座的摩阻力,那么分配给活动支座与摩阻力大小相同的制动力,剩下的制动力需要进行再次分配。由于该桥具有较低的引桥墩,其墩身高度通常在3.5m～6.4m之间,在设计过程中关于制动力分配要进行这样的简化:首先是固定墩担负100%制动力；其次是关于非固定墩，其制动力选择支座摩阻力。（2）梁长出现的改变也就是主梁由于位移或者是变形给下部造成影响进而带来的力,或由于温度改变而导致主梁出现伸长或者是缩短，梁身处的混凝土出现收缩或者是徐变，在压力下梁身处的下翼缘发生伸长等。对桥墩顺桥向进行的计算,和常规柱式桥墩大体一致。

3.2 横桥向问题

横向桥墩型选择了独柱加扩头,它的受力与普通的柱式桥墩相比，前者更为复杂, 下面主要对汽车作用偏载影响下的桥墩在横桥向上的具体受力特性进行分析。

3.2.1 关于有限元模型

本文在对桥墩在横桥向上的具体受力情况进行分析的过程中选择了现今普遍使用的有限元程序即ANSYS进行空间模型的建立。关于模型单元采取SLIOD45, 而自由网格合计总共有44243个单元。图4是选择ANSYS构件而成的有限元模型。

图4 有限元模型

3.2.2 最终分析结论

在偏载影响下,结合桥墩自重,使用线弹性理论明确桥墩每个部位的主要受力特性。图5和图6都是具体计算结果(都以N/mm2为单位)。图中x轴是横桥向，z轴是顺桥向，y轴是竖直方向。

5横桥向上的正应力σxx示意图

图6横桥向上的剪应力τxy示意图

由图5我们可以得出: 弯曲拉应力最大值出现于大偏载影响区域一侧与桥墩中心线相距大约1.0m的墩顶部位,4.80MPa是其最大值。在与墩顶相距大约0～0.7m区域内存在大拉应力,这一部位要加大配筋力度。所以在设计过程中需在墩顶部位设计三层合计30根而且是φ25的受拉钢筋。

由图6我们可以得出, 当剪应力等值线逐渐接近悬臂根处下缘位置时，其分布变得越来越密,也就是出现了应力集中情况。关于桥墩混凝土，其主拉应力最大值大约是1.32MPa，没有大于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对C30混凝土进行规定，即容许拉应力值必须控制为1.39MPa，所以桥墩只要根据构造要求对抗剪钢筋进行配置即可;主压应力最大值出现于桥墩悬臂弧部,2.14MPa是其最大值，这与规范要求是一致的。

通过以上计算结果我们能够看出:墩顶在横桥向上的拉应力相对较大,要加大配筋力度；而桥墩剪应力相对较小,只要根据构造配筋即可。

4 结语

由于桥梁建设对景观方面的要求不断提高,作为一名桥梁设计工作人员，将会碰到很多类型的桥墩型式，这不能不说是一个严峻的考验。本文关于对花瓶墩进行的计算以及设计并其具体受力特点进行的阐述以及分析,可以给该种异形桥墩的计算以及设计带来一些有价值的参考。

参考文献

[1]周焕云.城市跨线桥桥墩型式的选择和结构设计[J].交通标准化,2005,(12): 102-104.

[2]王昕.柔性墩台水平力浅析[J].东北公路,2000,23(2): 68-70.

[3]杨士金,唐虎翔.景观桥梁设计[M].上海: 同济大学出版社,2003.

[4]甄津津.客运专线铁路常用跨度桥梁桥墩设计[J].铁道标准设计,2007,(2): 32-35.