公鐵合建雙層橋墩計算分析（交通）

                               陳  可

               （中鐵第四勘察設計院集團有限公司  武漢430063）

摘要基于公鐵合建雙層橋墩受力特點，結合工程實例，提出了公鐵合建雙層橋墩的計算思路。

通過對橋墩的有限元模擬計算分析，表明公路花瓶墩可按墩底固結邊界條件處理，其頂部需配置鋼筋來抵抗較大橫向拉應力；鐵路門式墩采用雙支點模型，計算結果更接近蓋梁的實際受力情況。

關鍵詞  公鐵合建雙層橋墩  有限元法計算分析

    近年來，隨著我國交通事業的快速發展，跨越江河、海峽的大橋陸續建設。跨江、跨海大橋規模大，建設難度高，一般在鐵路和公路都有規劃的情況下多數選擇公鐵合建。公鐵合建橋引橋部分大多采用梁式結構，與之對應的橋墩，多數采用公鐵合建雙層橋墩。公鐵合建雙層橋墩結構型式多樣、受力復雜，其計算方法的合理選取至關重要。文中以福平鐵路跨海橋橋墩為例，進行有限元模擬計算分析，總結出公鐵合建橋墩計算的思路和方法，揭示出公路墩、鐵路墩的受力特性，為工程設計提供理論支撐。

    福平鐵路跨海橋設計標準：上層公路按雙向6車道高速公路分幅設計，標準梁寬17.5 m，下層鐵路按雙線I級鐵路設計，線間距4.4 m，標準梁寬12.2 m。橋墩標準斷面見圖1。

    公路橋墩選用造型優美的分離式花瓶墩，墩頂橫向尺寸7.8 m，底部5m，縱向尺寸為3 m;鐵路橋墩采用兩柱門式空心墩，橋墩頂帽厚2m，縱向5.4 m，空心墩上實體段厚2m，壁厚0.8 m，縱向采用1: 30放坡。此外，通過設置圓弧形棱角，來抵抗浪潮的長期作用。

1  計算基本思路

    公鐵合建雙層橋墩的計算與一般橋墩相比需特別注意的有：①計算規范如何選用；②計算模型如何建立；③公路、鐵路橋墩相互影響如何考慮。從結構受力特點、規范適用性出發，本文計算按以下基本思路考慮：

    (1)公路橋墩與鐵路橋墩分開單獨計算，并考慮相互作用的影響。公路墩計算時，根據計算分析來確定鐵路墩的影響；而鐵路墩計算時，公路墩可完全僅作為外部荷載施加。

    (2)公路橋墩采用公路荷載及其組合，按照公路規范相關規定進行驗算；鐵路橋墩考慮公路傳遞下來的荷載及鐵路荷載，按鐵路荷載組合及相關規范驗算。

    (3)鐵路橋墩計算時采用的公路傳遞下來的荷載系數取1.0，與鐵路規范相適應。

2公路橋墩計算

2.1墩身計算分析

2.1.1  計算模型

    采用有限元軟件MIDAS/CIVII_建立模型，計算荷載包括上部結構荷載、汽車荷載、支座沉降、墩自重、制動力等。汽車荷載是通過建立虛擬梁來模擬橫向加載，見圖2。根據橋梁寬度確定車道數，車道荷載取上部計算的單車道支反力標準值，同時考慮橫向折減。制動力計算時，將一聯的制動力按各墩剛度分配，若活動墩分配值大于摩阻力，取摩阻力作為制動力，其余制動力重新分配。

    為了驗證鐵路墩對公路墩計算的影響，文中采用2種約束條件，一種為公路墩墩底直接固結，另一種為建立公路、鐵路墩整體模型，鐵路墩墩底固結方式。

2.1.2結果及分析

    按2種邊界條件計算模型，在恒載十汽車十制動力工況下，結果比較見表1。

    由表1可見，2種邊界條件計算的軸力相當，彎矩差別很小，可認為鐵路墩對公路墩的計算沒有影響，可直接按照公路墩底固結建模計算。

    墩身按照偏心受壓構件檢算，控制截面取根部截面，截面配筋采用對稱配筋。本橋固定墩橫橋向配筋按雙筋直徑28 mm，間距15 cm，活動墩橫橋向配筋按間隔雙筋直徑28 mm，間距15 cm，鋼筋應力及裂縫見表2。

2.2頂部應力分析及配筋計算

    公路花瓶墩頂部截面受力復雜，支座集中力的局部作用使得該區域力流受到擾動，基于平截面假定B( beam or bernoulli)區分析理論已不再適用，而應按應力擾動區D區( discontinuity ordisturbed)理論進行設計。為了更好展示頂部截面應力分布情況，文中采用有限元軟件進行空間分析。

2.2.1  參數選取及模型建立

    采用有限元程序ANSYS建立花瓶墩實體模型，實體單元solid65模擬墩身混凝土，模型共有實體單元27 348個，邊界條件按墩底固結處理。墩身材料有關基本參數如下：采用C45混凝土，彈性模量取33.5 GPa，密度為26 k N／m³，混凝土泊松比取0.2，線膨脹系數1.0×10⁵。計算荷載采用上部結構恒載十滿布汽車荷載，以均布荷載方式作用于支座墊石上。有限元模型見圖3。圖中坐標系以橫橋向為x軸，順橋向為z軸，豎直向為y軸。

2.2.2計算結果及配筋計算

    在上部結構荷載作用下，考慮橋墩的自重，由線彈性理論求得橋墩各部位的橫向受力特性。計算結果見圖4～圖6。正值表示拉應力，負值表示壓應力。

由圖4～圖6可見，距墩頂0. 76 m范圍內出現較大橫向拉應力，其數值隨距離墩頂的高度的增加而減小，最大拉應力發生在墩頂，為3. 765 MPa，而距墩頂0.76 m以外范圍為壓應力。此外，墩頂拉應力具有由墩頂對稱處最大，向兩側擴頭發展逐漸變小趨勢。

    對于墩頂出現較大拉應力情況，設計中應考慮加強配筋。將圖6中實體單元應力分段積分，就可得到墩頂拉力值。假定混凝土不承受拉力，全部拉力由鋼筋承受，計算配筋面積。計算公式如下。

    通過式(1)、式(2)計算得到配筋面積15 328mm²，需配置32根直徑25 mm鋼筋，考慮頂部承壓等構造要求，墩頂實配3排共54根直徑25 mm鋼筋。同時，考慮墩頂兩側擴頭存在拉應力，設計中通過設置斜向450支撐鋼筋，保證花瓶墩墩頂受力安全。

3鐵路橋墩計算

    鐵路橋墩為雙柱門式空心墩，計算采用有限元軟件。荷載及荷載組合、合理計算模型的建立是鐵路門式空心墩計算的關鍵。

3.1  荷載及荷載組合

    基于上述基本思路，作用于鐵路橋墩上的荷載分為3類：①公路墩荷載，通過公路墩計算的反力得到，荷載組合系數取1.0；②鐵路荷載，即鐵路上部結構荷載，包括線路設備及梁重、鐵路活載、列車橫向搖擺力、制動力／牽引力、列車承受橫向風力等，文中通過鐵路專用軟件“橋梁工程師”組合得到；③鐵路墩自身荷載。作用于鐵路橋墩的荷載分類及名稱見表3。

    鐵路橋墩荷載組合以鐵路專用軟件“橋梁工程師”軟件生成的鐵路荷載組合為基礎，疊加組合公路荷載及鐵路墩自身荷載，最終包絡形成“主力”、“主力十橫向附加力”、“主力十縱向附加力”等鐵路荷載組合，用以檢算鐵路橋墩。

3.2計算模型

    采用有限元程序建模時，帽梁和空心墩墩頂實體段簡化為剛構的蓋梁，墩身按實際尺寸處理。需要注意的是空心墩墩身橫向尺寸較大，墩身與蓋梁間合理的連接方式成為計算關鍵。本文基于有限元軟件MIDAS/CIVIL建立3種桿系模型，并通過ANSYS建立實體模型進行結果驗證，幾種計算模型如下。

    (1)剛架桿系模型。蓋梁及墩柱沿中線劃分單元，蓋梁與墩柱相交點采用固結方式連接，見圖7a)。

    (2)單支點模型。蓋梁全寬范圍內建立單元，墩梁連處僅在墩柱內邊緣設置支撐點，不考慮墩柱實際支撐寬度影響。

    (3)雙支點模型。模型同單支點模型，考慮墩柱的實際支撐寬度影響，在墩柱兩邊緣設置支撐點。

    (4)實體模型。按實際尺寸建立整個結構的實體模型，計算單元采用實體單元，見圖7b）。

3.3計算結果及分析

    通過計算，得到蓋梁最不利彎矩、剪力組合的具體荷載工況，并以此作為實體模型的加載方式，用以比較各模型的計算結果。各種模型的彎矩、剪力最值見表4。

    模型(1)，(2)，(3)與模型(4)比較，計算差值見表5。

    由表4、表5可見，模型(1)計算的最大彎矩與模型(4)比較，誤差5.1%，最小彎矩比模型(4)小10.5%；模型(2)最大彎矩與模型(4)差別較大，誤差達-13. 2%，最大剪力差值-14.3%；模型(3)雖最小彎矩誤差8.5%，但最大彎矩、最大剪力、最小剪力誤差都在5%以內，較其他模型更接近于模型(4)。可見，模型(3)的計算結果較準確，偏安全，且建模計算簡單。

4結論

    (1)公鐵合建雙層橋墩的公路、鐵路橋墩可分開單獨計算，并采用相應的規范進行檢算。

    (2)公路花瓶墩可按墩底固結處理邊界條件，墩身按偏心受壓構件計算；花瓶墩頂部存在較大橫向拉應力，設計中應予以重視，配置橫向鋼筋。

    (3)鐵路門式墩采用雙支點模型計算，其結果比較接近蓋梁的受力情況，且計算建模簡單。