花瓶式开口墩柱空间有限元分析及设计

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1、2011年6月第6期城市道桥与防洪桥梁结构95花瓶式开口墩柱空间有限元分析及设计刘俊，陈明贵。，杨敏，冯克岩(1．深圳市建筑工务署，广东深圳518031；2．天津市市政工程设计研究院，天津市300051)摘要：花瓶式开口墩柱墩帽受力较为复杂，采用传统的截面内力设计方法不再适用。通过有限元模型，考虑钢筋和混凝土开裂效应，较为真实地模拟了结构受力状态，并指导结构设计，对类似工程设计具有参考和借鉴意义。关键词：花瓶式开口墩柱；截面内力；混凝土开裂；分离式钢筋模型；整体式钢筋模型中图分类号：U443．2文献标识码：A文章编号：1009—7716(2011)06—0095—04连续箱

2、梁结构，桥面宽16．5m，箱梁结构为单箱0引言多室，按照4车道设计。花瓶式开口墩柱由于其有较好的景观效果，墩柱几何尺寸见图1，其中墩顶到墩底尺寸在城市桥梁应用较广。其墩帽呈现顶宽底窄(沿圆由700em×190em变为400em×190em，支座间弧线过渡)、支座作用边缘线越过底宽等特点，受距为400cm，支座垫块尺寸为110em×106em，墩力特点比较复杂，不再满足梁式结构平截面假定，柱在两支座之间设有100cm×80em的开口凹加之现有对花瓶墩柱的研究分析非常少，故有必槽。墩柱采用C35混凝土。要对其进行精细化有限元分析。本文拟采用以下采用ANSYS有限元程序，对上述墩

3、柱建立有分析步骤：首先，对花瓶墩柱进行有限元模型建限元模型(见图2)，混凝土采用Solid45(8节点六立，不考虑钢筋作用，分析结构在支座竖向力作用面体)单元。墩柱共划分24501个单元，46321个下空间应力分布；然后，分别用整体式和分离式模节点。型考虑钢筋和混凝土开裂效应，对墩柱进行分析计算分析表明，活载全部偏载布置在一侧支比较，从而确定整体式模型的精度满足计算精度座时，结构受力最不利。从上部结构提取支座反力要求；最后，分析整体式模型结构空问应力分布，为载重侧12298kN和非载重侧8344kN。支座并指导结构设计。反力按照支座实际大小以均布面荷载加载。计算表明，墩帽在

4、竖向支座反力作用下，拉应1未考虑钢筋作用结构空间应力分析力主要出现在墩帽开口凹槽周围和支座下方，最计算分析的墩柱取自4×30rfl预应力混凝土大主拉应力为11．64MPa，出现在凹槽底部并靠载重一侧，见图3、图4，凹槽周围的拉应力也均超收稿日期：2011-03—14作者简介：刘俊(1980一)，男，湖南娄底人，工程师，从事工程过混凝土抗拉强度设计值，需要进行配筋设计。支项目管理工作。座下方处主拉应力基本以水平横向为主，见图5，作用下，混凝土板主要为拉应力，不过最大拉应力不超过0．4MPa，对混凝土板影响很小。(3)温度作用下，结构纵向滑移力均是桥跨两端大，方向相反，中间小，

5、跨中处附近，纵向滑移力为零。参考文献【l】张晔芝．高速铁路下承式钢桁结合桥研究[J】．铁道学报，2004，26(6)：71-74．【2】王荣辉，程纬，王海龙，等．板桁组合结构计算模式与动力特性研048l2l6202428323640444852566064究[J】．铁道学报，2000，22(2)：72—76．纵向距离，m【3]林国雄．正交异性板与桁梁结合式桥梁第一系统应力及有效宽度计算[J】．桥梁建设，1978(4)：51～64．图9温度作用下竖向掀起力[4】谭莹，田启贤．板桁组合结构的受力特性及其空间分析方法【J】．温度作用下，混凝土板主要为压应力，工况2温度铁道建筑，2

6、001(8)：2—5．96桥梁结构城市道桥与防洪2011年6月第6期图3墩柱墩帽最大主应力等值线图，墩柱立面图盆式橡胶支座一釜图4墩柱墩帽最小主应力(主压应力)等值线图图1花瓶开口墩柱几何尺寸(单位：cm)图5墩柱支座下方最大主应力矢量图图2花瓶开口墩柱有限元模型在靠近凹槽处，主拉应力方向变为竖向，在凹槽角点处，主拉应力方向为45。斜角方向，在凹槽正下方，主拉应力方向变为水平横向；最大主压应力主要出现在支座正下方处以及墩柱悬臂下根部，最大主压应力均在混凝土抗压强度设计值内(见图6)。如前所述，在支座竖向荷载作用下，最大拉应力出现在两支座之间的开口凹槽底部，提取花瓶墩柱顶部开

7、口凹槽底部及以下1m处截面应力，见图7。结果显示，墩顶开口处截面应力并不完全图6开口凹槽两侧最大主应力矢量图2011年6月第6期城市道桥与防洪桥梁结构97符合平截面假定，若按照截面内力法进行设计，侧，表明整体式模型能满足计算精度要求。势必会带来计算误差，另外，对于截面取多高进行验算，若截面高度取较大(0．5m以上)，是按照深梁计算还是按照普通梁计算，这都是难以考虑的问题。图8墩帽开口凹槽内侧最大主应力矢量图图7开口凹槽底部及以下1m处最大主应力矢量图2考虑钢筋和混凝土开裂作用结构空间应力分析无论如何，花瓶墩柱的受力