独柱花瓶墩设计方法探讨

独柱花瓶墩设计方法探讨

王一

（中交第二航务工程局有限公司设计研究院  武汉市  430000）

摘　要：独柱花瓶墩因其外形美观流畅和占地面积小的特点，在市政桥梁中得到了广泛应用。但其墩顶部位受力复杂，目前仍没有相对成熟的计算理论。本文首先探讨了独柱花瓶墩的受力特点，然后总结了花瓶墩实用设计方法，可为今后国内外类似结构的设计提供参考。

关键词：花瓶墩；拉压杆模型；D区；有限元模型

0  引言

近年来，随着我国城镇化进度的加快，车流量增加迅猛，市政桥梁承担起了缓解城市交通压力的重任。然而市政桥梁不同于公路桥梁，桥下道路错综复杂，控制因素众多，可用建筑用地面积十分有限，且对景观效果有着较高的要求。因此兼具外形美观且用地成本较低的花瓶墩在市政桥梁中得到了广泛应用。

然而花瓶墩在服役过程中，墩顶部位经常出现竖向裂缝[1-4]，究其原因花瓶墩墩顶部位受力较为复杂，分析理论相对不够完善，导致墩顶横桥向抗拉承载力不足。本文首先探讨了独柱花瓶墩的受力特点，然后总结了花瓶墩实用设计方法，可为今后国内外类似结构的设计提供参考。

1  独柱花瓶墩受力特点

由于桥梁上部结构的横桥向宽度大于墩身，且为提高桥梁的抗倾覆能力，墩顶支座间距一般设置地较大，支座中心线位于墩身直线段以外，导致墩顶出现劈裂效应，墩顶扩头外伸部位需承担一部分剪力，这便从根本上导致了独柱花瓶墩墩顶部位受力的复杂性。

传统桥梁设计方法是以截面为对象，基于平截面假定，根据结构所受外部荷载求解截面内力，然后根据相应的理论公式进行截面和配筋设计。显然花瓶墩扩头区域同时存在受拉区与受压区，应力场分布不连续，属于典型的应力扰动区（D区），这就意味着需要寻求一种新的设计理论与方法。

2  墩柱花瓶墩设计方法

2.1拉压杆模型法

拉压杆模型是钢筋混凝土结构针对应力扰动区（D区）而建立的简化受力模型，通过结构内部的力流来表征力的传递机理，其原理是将结构内部主要受压区域的混凝土看作压杆，主要受拉区域的钢筋看作拉杆，拉压杆交汇处看作节点区，形成一个类似桁架的简化结构，然后根据内外力平衡条件计算出拉杆与压杆内力，从而验算构件尺寸与配筋面积是否满足要求。

由于独柱花瓶墩墩顶受拉问题在旧版规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中并没有相关计算条文，在以往设计时墩顶抗拉钢筋设置比较薄弱，导致许多花瓶墩墩顶出现竖向裂缝，新版规范的发布实施明确了花瓶墩墩顶受拉承载力的简化计算方法，为花瓶墩计算提供了理论依据。

                            （1）                           （2）

式中：：墩顶拉杆的拉力设计值；

：基本组合下墩顶支反力设计值；

：墩顶支座间距；

：墩顶变宽段高度；

：据墩顶高度为h处的墩身横桥向宽度；

：普通钢筋抗拉强度设计值；

：拉杆钢筋面积。

王培杰[5]以6m和2.5m墩高的独柱花瓶墩为研究对象，分别采用规范公式法和有限元法计算墩顶横桥向拉力，经对比指出两种方法下6m墩高墩顶拉应力大小较为接近，而2.5m墩高规范法计算结果明显偏大，且墩高对于规范法计算的墩顶抗拉承载力有显著影响，不符合工程逻辑，建议在设计高宽比小于1的矮花瓶墩时建立有限元模型分析其受力。

2.2有限元模型法

张勇[4]基于ANSYS平台建立了实体花瓶墩有限元模型，根据模型计算结果采用应力迹线法构建了拉压杆模型，并提出了一种适用于薄壁花瓶墩的计算公式。邓勇诚[1]采用ANSYS平台分析了某桥花瓶墩墩顶开裂的原因，对基于分析结果对花瓶墩加固过程进行模拟，取得了较好的结果。丁印成[6]等通过实体有限元模型对比了深梁模型以及牛腿模型在花瓶墩中的适用性，准确阐述了花瓶墩的受力特点。谭平荣[7]等基于ANSYS平台建立了三种开槽方案的花瓶墩模型，通过分析三种方案墩顶部位的主拉应力大小，并考虑美观因素进行方案比选。综上，有限元模型法在花瓶墩受力分析、维修加固、方案比选等方面均取得了较好的效果。

3  结论及建议

拉压杆模型虽然在力学概念上清晰明了，但是面对各种形式的花瓶墩，其相关参数的取值并没有经过严格的论证，仅能作为设计指导，比如拉杆钢筋面积的确定、节点尺寸的确定、拉压杆的几何位置等，且其仅适用于弹性体，对于大变形非弹性结构具有一定的局限性。

经过长久的发展，现阶段有限元技术已相当成熟，各种大型通用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS FEA等在土木领域已经得到了广泛应用，其计算精度也得到了众多工程案例的验证，且实体有限元模型能够精确地反应花瓶墩实际受力状态和荷载传递规律。但是直接采用实体有限元模型进行设计工作量较大，建模过程相对复杂，对于技术人员要求较高，计算时间长，若事先未知结构的配筋情况，则无法考虑钢筋的作用。因此建议首先通过拉压杆理论大致确定结构的配筋情况，然后再建立实体有限元模型进行复核验算及配筋调整。

除此之外，根据独柱花瓶墩受力特点有以下建议：

（1）墩顶部位横桥向主要承受拉力作用，在设计时，顶部抗拉钢筋的保护层厚度不宜过大，以避免混凝土拉裂。

（2）墩顶支座间距的确定至关重要，较大的支座间距可以提高结构的抗倾覆性能，但与此同时也会增加花瓶墩墩顶拉杆内力，在设计时需要综合考虑。

（3）市政桥梁建设的控制因素众多，包括但不限于桥下道路相对于桥梁中心线不对称、桥墩布设与河流、地下管线或地铁线路相冲突等等，此时将花瓶墩设置横向偏心是一种简单有效的解决方案。显然偏心花瓶墩受力更为复杂，需进一步探究拉-压杆模型在偏心花瓶墩中的适用性。

（4）弹性应力配筋法概念清晰[6]，其原理是通过主拉应力在钢筋方向的分量确定钢筋需承担的总拉力，继而根据钢筋抗拉强度设计值计算出配筋面积。而根据有限元模型的计算结果则可以直观地得到结构的应力分布情况，故可以利用弹性应力配筋法结合有限元分析结果直接指导配筋设计。

参考文献

[1]邓勇诚. 花瓶薄壁墩预应力加固技术研究 [D]. 华南理工大学, 2009.

[2]王佳. 立交桥花瓶墩裂缝成因分析及优化措施 [J]. 山西建筑, 2023, 49(7): 142-145, 179.

[3]马新颖. 花瓶型桥墩在不同分析模型下的受力及开裂研究[J]. 交通科技, 2022, (3): 126-131.

[4]张勇. 拉压杆理论在薄壁花瓶墩中的应用研究 [D]. 华南理工大学, 2010.

[5]王培杰. 花瓶墩墩顶横向受拉问题研究[J]. 北方交通, 2023, (3): 18-21.

[6]丁印成,张茜茜,王彤凝. 花瓶墩墩顶受力特性分析[J]. 低温建筑技术, 2014, 36(5): 97-100.

[7]谭平荣,宋宇鹏. 实体花瓶墩的应力分析及配筋计算 [J]. 公路, 2013, (8): 132-135.