公铁合建双层桥墩计算分析（交通）

                               陈  可

               （中铁第四勘察设计院集团有限公司  武汉430063）

摘要基于公铁合建双层桥墩受力特点，结合工程实例，提出了公铁合建双层桥墩的计算思路。

通过对桥墩的有限元模拟计算分析，表明公路花瓶墩可按墩底固结边界条件处理，其顶部需配置钢筋来抵抗较大横向拉应力；铁路门式墩采用双支点模型，计算结果更接近盖梁的实际受力情况。

关键词  公铁合建双层桥墩  有限元法计算分析

    近年来，随着我国交通事业的快速发展，跨越江河、海峡的大桥陆续建设。跨江、跨海大桥规模大，建设难度高，一般在铁路和公路都有规划的情况下多数选择公铁合建。公铁合建桥引桥部分大多采用梁式结构，与之对应的桥墩，多数采用公铁合建双层桥墩。公铁合建双层桥墩结构型式多样、受力复杂，其计算方法的合理选取至关重要。文中以福平铁路跨海桥桥墩为例，进行有限元模拟计算分析，总结出公铁合建桥墩计算的思路和方法，揭示出公路墩、铁路墩的受力特性，为工程设计提供理论支撑。

    福平铁路跨海桥设计标准：上层公路按双向6车道高速公路分幅设计，标准梁宽17.5 m，下层铁路按双线I级铁路设计，线间距4.4 m，标准梁宽12.2 m。桥墩标准断面见图1。

    公路桥墩选用造型优美的分离式花瓶墩，墩顶横向尺寸7.8 m，底部5m，纵向尺寸为3 m;铁路桥墩采用两柱门式空心墩，桥墩顶帽厚2m，纵向5.4 m，空心墩上实体段厚2m，壁厚0.8 m，纵向采用1: 30放坡。此外，通过设置圆弧形棱角，来抵抗浪潮的长期作用。

1  计算基本思路

    公铁合建双层桥墩的计算与一般桥墩相比需特别注意的有：①计算规范如何选用；②计算模型如何建立；③公路、铁路桥墩相互影响如何考虑。从结构受力特点、规范适用性出发，本文计算按以下基本思路考虑：

    (1)公路桥墩与铁路桥墩分开单独计算，并考虑相互作用的影响。公路墩计算时，根据计算分析来确定铁路墩的影响；而铁路墩计算时，公路墩可完全仅作为外部荷载施加。

    (2)公路桥墩采用公路荷载及其组合，按照公路规范相关规定进行验算；铁路桥墩考虑公路传递下来的荷载及铁路荷载，按铁路荷载组合及相关规范验算。

    (3)铁路桥墩计算时采用的公路传递下来的荷载系数取1.0，与铁路规范相适应。

2公路桥墩计算

2.1墩身计算分析

2.1.1  计算模型

    采用有限元软件MIDAS/CIVII_建立模型，计算荷载包括上部结构荷载、汽车荷载、支座沉降、墩自重、制动力等。汽车荷载是通过建立虚拟梁来模拟横向加载，见图2。根据桥梁宽度确定车道数，车道荷载取上部计算的单车道支反力标准值，同时考虑横向折减。制动力计算时，将一联的制动力按各墩刚度分配，若活动墩分配值大于摩阻力，取摩阻力作为制动力，其余制动力重新分配。

    为了验证铁路墩对公路墩计算的影响，文中采用2种约束条件，一种为公路墩墩底直接固结，另一种为建立公路、铁路墩整体模型，铁路墩墩底固结方式。

2.1.2结果及分析

    按2种边界条件计算模型，在恒载十汽车十制动力工况下，结果比较见表1。

    由表1可见，2种边界条件计算的轴力相当，弯矩差别很小，可认为铁路墩对公路墩的计算没有影响，可直接按照公路墩底固结建模计算。

    墩身按照偏心受压构件检算，控制截面取根部截面，截面配筋采用对称配筋。本桥固定墩横桥向配筋按双筋直径28 mm，间距15 cm，活动墩横桥向配筋按间隔双筋直径28 mm，间距15 cm，钢筋应力及裂缝见表2。

2.2顶部应力分析及配筋计算

    公路花瓶墩顶部截面受力复杂，支座集中力的局部作用使得该区域力流受到扰动，基于平截面假定B( beam or bernoulli)区分析理论已不再适用，而应按应力扰动区D区( discontinuity ordisturbed)理论进行设计。为了更好展示顶部截面应力分布情况，文中采用有限元软件进行空间分析。

2.2.1  参数选取及模型建立

    采用有限元程序ANSYS建立花瓶墩实体模型，实体单元solid65模拟墩身混凝土，模型共有实体单元27 348个，边界条件按墩底固结处理。墩身材料有关基本参数如下：采用C45混凝土，弹性模量取33.5 GPa，密度为26 k N／m³，混凝土泊松比取0.2，线膨胀系数1.0×10⁵。计算荷载采用上部结构恒载十满布汽车荷载，以均布荷载方式作用于支座垫石上。有限元模型见图3。图中坐标系以横桥向为x轴，顺桥向为z轴，竖直向为y轴。

2.2.2计算结果及配筋计算

    在上部结构荷载作用下，考虑桥墩的自重，由线弹性理论求得桥墩各部位的横向受力特性。计算结果见图4～图6。正值表示拉应力，负值表示压应力。

由图4～图6可见，距墩顶0. 76 m范围内出现较大横向拉应力，其数值随距离墩顶的高度的增加而减小，最大拉应力发生在墩顶，为3. 765 MPa，而距墩顶0.76 m以外范围为压应力。此外，墩顶拉应力具有由墩顶对称处最大，向两侧扩头发展逐渐变小趋势。

    对于墩顶出现较大拉应力情况，设计中应考虑加强配筋。将图6中实体单元应力分段积分，就可得到墩顶拉力值。假定混凝土不承受拉力，全部拉力由钢筋承受，计算配筋面积。计算公式如下。

    通过式(1)、式(2)计算得到配筋面积15 328mm²，需配置32根直径25 mm钢筋，考虑顶部承压等构造要求，墩顶实配3排共54根直径25 mm钢筋。同时，考虑墩顶两侧扩头存在拉应力，设计中通过设置斜向450支撑钢筋，保证花瓶墩墩顶受力安全。

3铁路桥墩计算

    铁路桥墩为双柱门式空心墩，计算采用有限元软件。荷载及荷载组合、合理计算模型的建立是铁路门式空心墩计算的关键。

3.1  荷载及荷载组合

    基于上述基本思路，作用于铁路桥墩上的荷载分为3类：①公路墩荷载，通过公路墩计算的反力得到，荷载组合系数取1.0；②铁路荷载，即铁路上部结构荷载，包括线路设备及梁重、铁路活载、列车横向摇摆力、制动力／牵引力、列车承受横向风力等，文中通过铁路专用软件“桥梁工程师”组合得到；③铁路墩自身荷载。作用于铁路桥墩的荷载分类及名称见表3。

    铁路桥墩荷载组合以铁路专用软件“桥梁工程师”软件生成的铁路荷载组合为基础，叠加组合公路荷载及铁路墩自身荷载，最终包络形成“主力”、“主力十横向附加力”、“主力十纵向附加力”等铁路荷载组合，用以检算铁路桥墩。

3.2计算模型

    采用有限元程序建模时，帽梁和空心墩墩顶实体段简化为刚构的盖梁，墩身按实际尺寸处理。需要注意的是空心墩墩身横向尺寸较大，墩身与盖梁间合理的连接方式成为计算关键。本文基于有限元软件MIDAS/CIVIL建立3种杆系模型，并通过ANSYS建立实体模型进行结果验证，几种计算模型如下。

    (1)刚架杆系模型。盖梁及墩柱沿中线划分单元，盖梁与墩柱相交点采用固结方式连接，见图7a)。

    (2)单支点模型。盖梁全宽范围内建立单元，墩梁连处仅在墩柱内边缘设置支撑点，不考虑墩柱实际支撑宽度影响。

    (3)双支点模型。模型同单支点模型，考虑墩柱的实际支撑宽度影响，在墩柱两边缘设置支撑点。

    (4)实体模型。按实际尺寸建立整个结构的实体模型，计算单元采用实体单元，见图7b）。

3.3计算结果及分析

    通过计算，得到盖梁最不利弯矩、剪力组合的具体荷载工况，并以此作为实体模型的加载方式，用以比较各模型的计算结果。各种模型的弯矩、剪力最值见表4。

    模型(1)，(2)，(3)与模型(4)比较，计算差值见表5。

    由表4、表5可见，模型(1)计算的最大弯矩与模型(4)比较，误差5.1%，最小弯矩比模型(4)小10.5%；模型(2)最大弯矩与模型(4)差别较大，误差达-13. 2%，最大剪力差值-14.3%；模型(3)虽最小弯矩误差8.5%，但最大弯矩、最大剪力、最小剪力误差都在5%以内，较其他模型更接近于模型(4)。可见，模型(3)的计算结果较准确，偏安全，且建模计算简单。

4结论

    (1)公铁合建双层桥墩的公路、铁路桥墩可分开单独计算，并采用相应的规范进行检算。

    (2)公路花瓶墩可按墩底固结处理边界条件，墩身按偏心受压构件计算；花瓶墩顶部存在较大横向拉应力，设计中应予以重视，配置横向钢筋。

    (3)铁路门式墩采用双支点模型计算，其结果比较接近盖梁的受力情况，且计算建模简单。