钢筋混凝土桥墩承载力计算方法讨论.pdf
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1、公路 交通技术2 0 1 5年 2月 第 1期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t F e b 2 0 1 5 N o 1 D O I : 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 5 0 1 0 1 2 钢筋混凝土桥墩承载力计算方法讨论 林上顺 ( 福建工程学院,福州3 5 0 1 0 8 ) 摘要: 在我国山区公路桥梁工程 中, 钢筋混凝土高桥墩较为常见。对国内外钢筋混凝土高桥墩承载力计算方法进 行分析与比较, 发现我国公路桥涵设计规范的计算方法还存在不合理之处, 且偏于不
2、安全。为此, 提 出钢筋混凝土 高桥墩承 载力计算需要进一 步研 究的内容 。 关键词: 钢筋混凝土; 桥墩; 计算长度; 承载力 文章 编号 : 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 5 8 0 4 中图分 类号 : U 4 4 8 3 4 文献标识码 : A Dis c u s s i o n o f Co mp u t i n g Me t h o d s f o r Be a r i n g Ca p a c i t y o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Br i d g e P i e r s L I N S
3、 ha n g s h u n A b s t r a c t : I n h i g h w a y b ri d g e p r o j e c t s i n m o u n t a i n o u s a r e a o f C h i n a r e i n f o r c e d c o n c r e t e h i g h b ri d g e p i e r s a r e c o mmo n Th i s p a p e r a n a l y z e s a n d c o mpa r e s c o mp u t i n g me t h o d s f o r b e
4、 a ring c a pa c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e h i g h b r i d g e pi e r s a t h o me a n d a b r o a d a n d fin d s o u t t h a t t h e c o mp u t i n g me t h o d s i n d e s i n g c o de s for Ch i n a n a t i o n a l h i g h wa y b rid g e s a n d c u l v e rts a r e i r r a t
5、i o na l a n d u ns a f e Fo r t h i s r e a s o n s ,t h e p a p e r p r o p o s e s t h e c o n e n t s t o b e f u r t h e r r e s e a r c he d i n c o mp u t a t i o n o f b e a rin g c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e h i g h b r d i g e p i e r s Ke y wor ds :r e i n f o r
6、 c e d c o n c r e t e;b rid g e p i e r ;c a l c u l a t e d l e n g t h;b e a rin g c a p a c i t y 我 国山区的地形特点为沟深 、 坡陡, 公路桥梁的 桥墩通常很高 , 且大多采用钢筋混凝土结构 。在这 些桥梁 中, 桥墩 高度达 1 0 0 m 的情况较为常见 。 在一些跨越江河 、 水库 的桥梁中, 也常 出现高度超过 1 0 0 m 的高墩 。 国内一些学者针对钢筋混凝土高桥墩 的承载力 问题已开展了一些研究。文献 3 在钢筋混凝土桥墩 试验基础上, 采用有限元通用程序 MS C M
7、A R C进行 了模拟分析, 并与试验结果进行 了比较。文献 4 以 高墩大跨径刚构桥为工程背景, 将非线性有限元分析 与模型试验相结合, 分析了混凝土与主筋 的联合作 用 , 以及箍筋对混凝土的约束作用, 得 出了非线性钢 筋混凝土本构关系对高墩承载力的影响规律。文献 5 从能量原理出发 , 推导了变截面空心薄壁桥墩稳 定临界力的计算方法 , 提出了失稳临界荷载的计算公 式。文献 6 对桥墩的2 类稳定问题进行了讨论。文 献 7 以弹性稳定理论为基础 , 采用能量法讨论 了线 弹性情况下高墩的稳定性问题。文献 8 以欧拉弹性 收稿 日期 : 2 0 1 40 7 0 8 作者简介 : 林 上
8、顺 ( 1 9 7 2一) , 男 , 福建省永泰县人 , 博士 , 高工 理论为基础 , 利用空问有限元法对薄壁特高墩预应力 混凝土连续 刚构桥 的空间稳定性进行了计 算分析。 文献 9 对桥墩的计算长度进行 了一些理论推导。 尽管 国内不少学者针对钢筋混凝土桥墩 的承载 力计算方法已开展了一些研究 , 但到 目前为止 , 有关 钢筋混凝土桥墩承载力计算方法的研究资料仍 比较 缺乏 , 特别是在试验研究方面, 很少看到将试验研究 结果与理论分析结果进行比较的相关报道。在一些 理论分析 中, 常忽 略了材料非线性 的因素 , 如文献 9 , 这显然与高桥墩 的实际受力情况有一些差异 。 对于实
9、际工程 , 采用非线性有限元法进行设计计算 , 工作量较大 , 也是不方便 的, 设计者更习惯于采用规 范的简化 计算 方 法 进行 钢 筋 混凝 土 桥墩 的设 计 计算。 1 不同规范的桥墩承载力计算方法 1 1 桥墩计算长度 轴压构件计算长度的概念源 自弹性理论 , 以两 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 l 期 林上顺: 钢筋混凝土桥墩承载力计算方法讨论 5 9 端铰接的理想轴心受压杆作 为参 考 , 通过 引入 “ 计 算长度” 的概 念来表达不 同杆端 约束 的临界荷 载。 从物理意义看 , 计算 长度是不 同杆端约束的压 杆等
10、代为两端铰接 轴心压杆 的等效 长度。从几 何意义 看, 计算长度等于杆上反弯点之间的距离, 这是由于 反弯点处的微分方程所满足的边界条件与铰接柱相 同, 而相 同的微分方程所得到的临界荷载 自然相等。 对于偏压构件 , 早在 1 9世纪后半期 , 国外一些 学者就已经指出: 在拱结构和偏压柱 中, 由于结构在 弯矩作用下变形, 故轴压力将产生附加内力或变形。 从 1 9世纪后期到 2 0世纪初 , 一些研究者开始在 弹 性假定下来研究偏压柱的强度与稳定 问题。通过假 定偏压柱 的挠 曲线为正弦 曲线 , 推导 出考 虑附加变 形的偏压柱中点处最大侧 向挠度 的计算方法 , 且还 推导 出偏压
11、柱 的失稳临界力 。 从 2 0世纪 2 O年代后期直到 4 0年代 , 奥地利维 也纳学派正式提出了考虑钢材弹塑性特征 的钢压杆 2阶效应理论 。该学派认为 , 除了偏心柱外 , 即使按 轴压柱设计 的构件 , 也可能因为荷载偶然偏 心、 构件 垂直度及构件局部缺陷等原 因, 使构件实 际上处于 偏心受压状态 , 因此应 以考虑钢材弹塑性性质 的偏 压柱 2阶效应分析理论取代弹塑性压屈理论。这一 时期 , 在德语国家中 , 还建议 以弹塑性失稳的荷载 一 挠度曲线峰值点承载力代替欧拉临界力, 并将其作 为失稳状态的标志u 。 从 2 O世纪 3 0 年代到 6 0 年代, 在2阶效应分析 方
12、面, 瑞典学者提出了偏压柱等代计算长度概念, 也 就是根据受压柱的失稳挠度曲线, 将不同杆端约束 情况下的受压柱等代为两端铰接 的标准柱形 式 , 然 后按标准柱进行 承载力 计算。这 种方法 常被称 为 “ 分离杆件法” , 或 叼一2 。 法 , 式 中: 叼为偏心增大系 数 ; 为偏压柱等代计算长度 。 因此 , 弹性稳定理论 的计 算长度 f 0与 7 一 法 中的计算长度 z。 有所差别。将 卵一 z 。 法中的计算长 度 代入偏心增大系数计算式后, 求出偏心增大系 数 卵并乘以1阶内力, 从而求出偏心受压杆的2阶 弯矩。而弹性稳定理论的计算长度 , 是某种约束 条件下且长度为 z
13、的压杆, 其临界荷载与长度为 的两端铰接轴心压杆的临界荷载相同。 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预应力混 凝土桥涵设计规范 第 5 3 1 条规定: “ 当构件两 端固定 时, 计算长度取为 0 5 l ; 当一端 固定 , 另一端 为不移动的铰时, 计算长度取为 0 7 1 ; 当一端固定, 另一端 自由时, 计算长度取为 2 0 l ; z 为构件支点 问 的长度。 ” 可见 , J T G D 6 2 -2 0 0 4是根据桥墩 的边界 条件 , 将桥墩简化为两端铰接的标准柱 , 然后按钢筋 混凝土偏压柱 的承载力计算公式 , 进行桥墩 的承载 力设计计算。
14、J T G D 6 2 -2 0 0 4中, 桥墩 的计算 长度 概念源 自 理想轴压柱的等效长度。需要指出的是 , 在实际工 程中, 这种理想轴压柱基本上是不存在的, 这是由桥 墩 端 部 约 束 的 多样 性 和 复 杂 性 决 定 的。因 此 , J T G D 6 2 -2 0 0 4中桥墩的计算长度取值并不符合实 际情况 。 与 J T G D 6 2 -2 0 0 4类似 , 美国桥梁设计规范 也是采用这种方法进行桥墩的承载力设计计算 , 但 其桥墩的计算长度取值与 J T G D 6 2 -2 0 0 4 存在较大 差异。美国桥梁设计规范用有效长度系数 k 与受 压构件侧向支撑
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