无帽梁双柱式桥墩墩柱受力分析

无帽梁双柱式桥墩墩柱受力分析

1与下部结构相结合的桥墩在山区公路桥梁和高速公路交叉口的曲线桥上，尤其是在采用小半径曲线时，桥梁类型的选择主要采用小于20m的钢筋混凝土或预制混凝土供水桥，其相应的低土梁双柱桥已成为最常见的桥墩类型。由于上部结构跨径较小,此类桥墩不但能够很好的满足传递上部结构荷载效应,而且节省了帽梁钢筋和混凝土材料,减小了基础顶面荷载,墩柱受力明确,施工工艺成熟,运营过程中病害较少。同时,此类桥墩与轻盈的上部结构相结合,提高了美观效果。为了使双柱式桥墩在外荷载(作用)影响下,能有效地作为一个整体工作结构,特别是在较高的双柱式桥墩墩柱之间所设置的横系梁,它的合理位置和影响因素值得分析和研讨。2关于几个问题的讨论2.1高墩柱间横系梁桥墩承受上部结构传递的荷载,并通过基础将荷载传递至地基。桥墩除了受到上部结构的荷载外,还承受流水压力、水面以上的风力以及可能出现的冰压力等,尤其是在高墩时一般需设置墩柱间横系梁,其主要有以下作用:(1)在水平荷载作用下,墩柱共同工作。(2)使基础共同沉降。(3)抵抗桩柱由于地基土冻胀作用产生反方向运动的趋势。2.2横系梁位置计算(1)横系梁设置位置对墩柱结构的内力分布具有明显的影响,横系梁距离墩顶太近,则不能将墩柱连接为一个整体;距离基础太近,则横系梁以上墩柱部分自由长度太大。假设墩柱受同一水平力作用时,墩柱高度H为10m,墩柱直径为D=1.0m,横系梁截面尺寸宽×高为0.6m×0.8m,横系梁距基础顶面为h,取不同h(0.3H~0.8H),分别进行不同横系梁位置的计算。计算简图如图1。(2)M6b为横系梁处墩柱近基础侧弯矩,M6a为横系梁处墩柱近墩顶侧弯矩,M1为桥墩底墩柱弯矩,M6c为墩柱附近系梁弯矩,下同。一般情况下,沿周边均匀配筋的圆形截面墩柱为偏心受压构件。在轴向力为定值的情况下,作用(荷载)产生的截面最大弯矩成为截面尺寸拟定和配筋率的控制因素。墩柱配筋控制弯矩应为M6a和M1中绝对值的最大者,通过表中数据可以看出对于Ⅰ~Ⅵ情况的控制弯矩分别为700kN·m,600kN·m,500kN·m,497.12kN·m,513.73kN·m,536.77kN·m,可见当横系梁距基础顶面为0.6H时,控制弯矩为497.12kN·m最小,进行结构配筋设计最合理。2.3不同横系梁尺寸的桥墩配筋设计横系梁刚度对墩柱弯矩分布有很大的影响。横系梁刚度过小,则不能明显得使墩柱在横系梁处弯矩折减;横系梁刚度过大,则墩柱在横系梁顶面和基础顶面弯矩相差太大,材料使用不经济。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中第9.6.5条规定,柱式墩台横系梁截面高度和宽度分别取0.8~1.0倍和0.6~0.8倍的墩柱直径或长边边长。以下采用不同横系梁尺寸,在相同的墩柱圆形截面(D=1.0m)的情况,得到不同的系梁刚度值。在计算分析过程中假设桥墩与横系梁为刚接且不考虑墩梁结合部的局部影响,墩柱与横系梁均满足初等梁计算理论,墩顶无帽梁。在分析计算时,与节点6、节点16、节点1和节点21会出现弯矩峰值,对于桥墩墩柱这类构件,在运营过程中,通常是处于偏心受压状态的,弯矩便成为截面配筋的主要控制指标。对不同横系梁与桥墩刚度比情况下的桥墩结构进行分析计算,得到设计控制节点1、21和控制节点6、16的弯矩值(见表3)。对于通常采用的圆形截面墩柱而言,一般采用沿截面周边均匀配筋,所以截面尺寸拟定和配筋率均取决于墩柱承受最大弯矩状态下的结构内力比,即表中的M1/M6a。通过表中数据可以看出对于Ⅰ~Ⅶ情况的控制弯矩比绝对值Abs(M1/M6a)分别为0.98,0.93,0.88,0.83,0.80,0.76,0.74,在控制弯矩比为0.98的情况下,IE/IP为0.52,此时内力分布最均匀。对于规范规定的横系梁尺寸而言,当横系梁的刚度与强度等满足规范要求的情况下,应尽量采用尺寸较小的横系梁,此时刚度愈小,横系梁处弯矩峰值与基础顶面弯矩峰值就愈接近,桥墩结构受力更加合理,材料使用愈经济。2.4墩柱参数分析对于无帽梁式双柱式桥墩,墩顶处一般采用普通板式橡胶支座。温度变化必然引起墩间横系梁的延伸或收缩,从而墩顶会出现横桥向变位的趋势,此时由于上部结构压力作用产生的摩擦力会阻碍该变位,同时假设支座与主梁之间不产生相对滑动。简化的计算模型如图2。对于上例,假设墩柱受同一水平力作用,高度H为10m,墩柱直径为D=1.0m,横系梁截面尺寸为0.6m×0.8m,横系梁位置高于基础顶面0.6H(6m),墩顶采用板式橡胶支座。分别取用不同规格的支座,在横系梁延伸(或缩短)产生单位水平力工况下进行分析计算。在Ⅰ~Ⅳ情况的控制弯矩分别为327.94kN·m,316.11kN·m,311.87kN·m,268.16kN·m,对应的支座刚度分别为5.35E6Pa,6.24E6Pa,6.60E6Pa,7.14E6Pa。支座刚度愈大,则在某一中横桥向作用下,墩柱配筋控制弯矩愈小,则结构配筋量就越经济;但是在墩柱刚度一定的情况下,支座刚度的增大是建立于支座平面尺寸的增大或支座厚度减小的基础上的,盲目的增大支座平面尺寸也是不经济的,而减小支座厚度又不能满足上部结构变形的要求。所以,结构设计时,在满足支座受力要求的情况下,尽量选择平面尺寸较大,厚度较薄的支座,使墩柱内力分布更均匀。2.5横系梁的设置此类桥墩根据规范要求采用必要的抗震措施,诸如采取设置挡块和增设抗震锚栓等措施防止落梁。《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中,对于8度地区,“高度大于7m的柱式桥墩和排架桩墩,应设置横系梁”,由于无帽梁双柱式桥墩一般只需设置一道横系梁。对于地震烈度低于8度以下地区,规范未对横系梁设置作规定。3桥墩刚度与横系梁刚度正相关考虑,可制定计算两(1)横系梁设置位置。由于此类桥墩一般设置一道横系梁,横系梁设置于距离墩底0.6倍墩柱高度处,桥墩内力分布均匀,配筋控制弯矩最小,经济合理。(2)桥墩与横系梁刚度比。当桥墩刚度一定,在满足横系梁受力要求的前提下,横系梁尺寸越小,桥墩内力分布越