柱式墩承载能力分析研究

柱式墩承载能力分析研究

张鲲

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要:文章通过计算分析了墩身截面尺寸、截面配筋、墩柱高度等因素对柱式墩承载力的影响，并结合承载力计算分析的结果，提出了柱式墩墩身截面优化尺寸，扩展了柱式墩的使用范围。

关键词:柱式墩；承载能力；墩身优化尺寸

收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-03-25

作者简介：张鲲(1975- )，男，安徽合肥人，高级工程师，研究方向为道路桥梁工程。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.004

中图分类号：TU997

Analysis of loading-bearing capacity of the column pier

ZHANG Kun

(Anhui Communications Consulting & Design Institute Co.,Ltd, Hefei 230088, China)

Abstract:This paper analyses the factors of the pier cross-section size, cross section reinforcement, column pier height in affecting bearing capacity of the column pier. What is more, Integrating the calculation results of bearing capacity, this paper concludes the optimal dimension of the column pier and extends the range of use for column pier.

Key words: column pier; loading-bearing capacity ; the optimal dimension of pier structures

但在我国现行公路桥涵设计规范中,对柱式墩的截面尺寸均无明确规定,在相同墩高及荷载条件下,不同设计单位设计的桥墩截面尺寸存在一定的差异,往往导致设计保守且不经济。本文拟在前人研究的基础上分析墩身截面尺寸、墩身高度及截面配筋等因素对柱式墩承载力的影响,并结合墩身承载力对比结果优化墩身截面尺寸,量化不同墩高范围所适用的截面尺寸,进一步扩展柱式墩的适用范围。

1　桥墩承载能力影响因素分析

本文拟结合本院承担设计的麻柳湾至昭通高速公路桥梁设计情况计算4×30m桥跨布置情况下墩身承载能力.如图1及图2所示,4×30m桥梁单幅宽12.25m,上部结构采用5片T梁,T梁高2m;下部结构采用柱式墩。桥墩的抗压承载力分析中应该考虑的作用包括永久作用、可变作用以及偶然作用,成桥后的永久作用包括上部结构的自重、主梁上的二期恒载等;可变作用包括车辆荷载、汽车制动力、混凝土收缩及温度力、墩身的顺桥向及横桥向风荷载;偶然作用包括地震作用及船只或漂流物造成的冲击力。上述荷载的求解过程及荷载组合形式参阅文[7]。

图2桥梁下部结构示意

图1桥梁上部结构断面示意

在上部荷载大小及偏心位置一定的情况下,影响柱式墩抗压承载力的因素主要包括墩身截面尺寸、墩身高度以及墩身截面配筋率大小,下面结合4×30m桥梁模型逐一分析上述因素对墩身承载力大小的影响。

(1)墩身截面尺寸的影响。为反映墩身截面尺寸对墩身承载力的影响,在4×30m桥梁模型中设定桥梁墩高为10m,墩身截面配筋率保持在1%情况下计算墩身直径从1.5m增加到2m时墩身承载力变化情况,承载力变化情况如图3所示。

由图3中分析知,在墩身高度和墩身截面配筋一定得情况下,随着墩身截面尺寸的增加,墩身正截面抗压承载力呈线性增大,墩身截面直径每增加0.1m时,墩身抗压承载力约增大16%～20%。

(2)墩身配筋率的影响。为反映墩身抗压承载力与墩身截面配筋之间的变化联系,在4*30m桥梁模型中设定墩身直径为1.8m,墩身高度为10m,计算分析墩身配筋率从0.5%增加到1.2%时墩身抗压承载力变化情况,计算分析结果如图4所示。

由图4中分析知,在墩身截面尺寸和墩身高度一定得情况下,增大墩身截面配筋可显著提高墩身抗压承载力,墩身截面配筋每增加0.1%,墩身抗压承载力提高3%～5%.对比分析图3和图4可知,增加墩身截面尺寸和增大截面配筋均能提高墩身抗压承载力,但增加墩身截面尺寸时,墩身抗压承载力增幅更大更显著,这说明墩身截面尺寸对墩身抗压承载力的影响明显大于墩身截面配筋对墩身抗压承载力的影响。

图5　承载力随墩身高度变化情况

(3)墩身高度的影响。墩柱的高度直接决定着墩柱抗压承载力的大小,在计算墩身抗压承载力中起着至关重要的作用,为了反映墩身抗压承载力与墩身高度之间的变化联系,在4×30m桥梁模型中设定墩身直径为1.8m,墩身截面配筋为1%,计算分析墩身高度从5m增加到40m时墩身抗压承载力变化情况,计算分析结果如图5所示。

由图5中分析知,在墩身截面尺寸和墩身截面配筋一定的情况下,随着墩身高度的增加,墩身抗压承载力下降显著。随着墩身高度的增加,墩身逐渐由抗压破坏转变为失稳破坏,需要进一步进行稳定性验算。

2　桥墩截面尺寸优化设计

由于现行的公路桥涵设计规范中对柱式墩的截面尺寸均无明确规定,也无相关理论对墩身截面尺寸的经济性和截面承载能力进行论证,设计人员往往根据各自经验确定墩身截面尺寸,不同设计单位设计的桥墩截面尺寸存在一定的差异,往往导致设计保守且不经济。本文拟在对墩身抗压承载力影响因素计算分析的基础上优化墩身截面尺寸,为广大设计人员提供设计参考。

为分析不同跨径和墩高情况下的桥墩抗压承载力大小,我们结合麻柳湾至昭通高速公路桥梁设计情况建立4×20m、4×30m以及4×40m三种桥梁模型,在3种模型中均假定墩身截面配筋率为1%,然后计算不同截面尺寸和墩高情况下墩身的抗压承载力大小,为便于分析,我们定义抗压承载力安全系数为墩身抗压承载力除以墩身的竖向压力。

表1　4×20m桥梁模型中墩身抗压承载力安全系数

表1中给出了4×20m桥梁模型中上部采用T梁结构时墩高从5m增加到20m、墩身直径从1.2m增加到1.6m时墩身抗压承载力安全系数。

表2中给出了4×30m桥梁模型中上部采用T梁结构时墩高从5m增加到30m、墩身直径从1.5m增加到1.9m时墩身抗压承载力安全系数。

表2　4×30m桥梁模型中墩身抗压承载力安全系数

表3中给出了4×40m桥梁模型中上部采用T梁结构时墩高从5m增加到30m、墩身直径从1.6m增加到2.0m时墩身抗压承载力安全系数。

从表1～表3中分析可知对于不同跨径和不同墩高情况下,墩身抗压承载力安全系数大于1时的墩身截面尺寸均能满足设计要求,但为了使桥墩抗压承载力具有一定得安全储备,考虑在将墩身抗压承载力安全系数放大至2的情况下对表中计算的墩身截面尺寸进行优化,优化结果如表4所示。

当上部结构采用20m跨径T梁时:墩高H≤5m时,墩柱截面直径取为1.2m;当墩高5

当上部采用30m跨径T梁时:墩高H≤10m时,墩柱截面直径取为1.6m;当墩高10

当上部结构采用40m跨径T梁时:墩高H≤5m时,墩柱截面直径取为1.6m;当墩高5

3　结　　论

通过计算分析并得出结论如下：

(1)随着墩身截面尺寸和截面配筋率的增加,墩身抗压承载力均会增大,墩身截面直径每增加0.1m时,墩身抗压承载力约增大16%～20%左右;墩身截面配筋每增加0.1%,墩身抗压承载力提高3%～5%。

(2)在墩身截面尺寸和墩身截面配筋一定的情况下,随着墩身高度的增加,墩身抗压承载力下降显著,并逐渐转变为失稳破坏。

(3)优化了不同跨径和不同墩高情况下墩柱的合理截面尺寸,为设计人员设计类似桥墩时提供一定的参考。

[参考文献]

[1] 邵旭东, 顾安邦. 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社, 2007.

[2]王惠东. 桥梁墩台与基础工程[M]. 北京：中国铁道出版社, 2005.

[3]盛洪飞. 桥梁墩台与基础工程[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2005.

[4]彭波. 圆柱形桥墩截面设计[J]. 中国水运, 2010,(2):151-152.

[5]程翔云. 高桥墩设计计算中的两个问题[J].重庆交通学院学报, 2000,(2):6-10.

[6]JTG_D60_2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[7]JTG_D62_2004, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

(责任编辑陈化钢)