近年來，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，跨越江河、海峽的大橋陸續(xù)建設(shè)。跨江、跨海大橋規(guī)模大，建設(shè)難度高，一般在鐵路和公路都有規(guī)劃的情況下多數(shù)選擇公鐵合建。公鐵合建橋引橋部分大多采用梁式結(jié)構(gòu)，與之對(duì)應(yīng)的橋墩，多數(shù)采用公鐵合建雙層橋墩。公鐵合建雙層橋墩結(jié)構(gòu)型式多樣、受力復(fù)雜，其計(jì)算方法的合理選取至關(guān)重要。文中以福平鐵路跨海橋橋墩為例，進(jìn)行有限元模擬計(jì)算分析，總結(jié)出公鐵合建橋墩計(jì)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(shè)計(jì)提供理論支撐。

福平鐵路跨海橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：上層公路按雙向6車道高速公路分幅設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)梁寬17.5 m，下層鐵路按雙線I級(jí)鐵路設(shè)計(jì)，線間距4.4 m，標(biāo)準(zhǔn)梁寬12.2 m。橋墩標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）590.png

公路橋墩選用造型優(yōu)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(shí)體段厚2m，壁厚0.8 m，縱向采用1: 30放坡。此外，通過設(shè)置圓弧形棱角，來抵抗浪潮的長期作用。

1 計(jì)算基本思路

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

(1)公路橋墩與鐵路橋墩分開單獨(dú)計(jì)算，并考慮相互作用的影響。公路墩計(jì)算時(shí)，根據(jù)計(jì)算分析來確定鐵路墩的影響；而鐵路墩計(jì)算時(shí)，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(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)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(guān)規(guī)范驗(yàn)算。

(3)鐵路橋墩計(jì)算時(shí)采用的公路傳遞下來的荷載系數(shù)取1.0，與鐵路規(guī)范相適應(yīng)。

2公路橋墩計(jì)算

2.1墩身計(jì)算分析

2.1.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS/CIVII_建立模型，計(jì)算荷載包括上部結(jié)構(gòu)荷載、汽車荷載、支座沉降、墩自重、制動(dòng)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(jù)橋梁寬度確定車道數(shù)，車道荷載取上部計(jì)算的單車道支反力標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)考慮橫向折減。制動(dòng)力計(jì)算時(shí)，將一聯(lián)的制動(dòng)力按各墩剛度分配，若活動(dòng)墩分配值大于摩阻力，取摩阻力作為制動(dòng)力，其余制動(dòng)力重新分配。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）1244.png

為了驗(yàn)證鐵路墩對(duì)公路墩計(jì)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(jié)，另一種為建立公路、鐵路墩整體模型，鐵路墩墩底固結(jié)方式。

2.1.2結(jié)果及分析

按2種邊界條件計(jì)算模型，在恒載十汽車十制動(dòng)力工況下，結(jié)果比較見表1。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）1369.png

由表1可見，2種邊界條件計(jì)算的軸力相當(dāng)，彎矩差別很小，可認(rèn)為鐵路墩對(duì)公路墩的計(jì)算沒有影響，可直接按照公路墩底固結(jié)建模計(jì)算。

墩身按照偏心受壓構(gòu)件檢算，控制截面取根部截面，截面配筋采用對(duì)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(dòng)墩橫橋向配筋按間隔雙筋直徑28 mm，間距15 cm，鋼筋應(yīng)力及裂縫見表2。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）1545.png

2.2頂部應(yīng)力分析及配筋計(jì)算

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

2.2.1 參數(shù)選取及模型建立

采用有限元程序ANSYS建立花瓶墩實(shí)體模型，實(shí)體單元solid65模擬墩身混凝土，模型共有實(shí)體單元27 348個(gè)，邊界條件按墩底固結(jié)處理。墩身材料有關(guān)基本參數(shù)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(shù)1.0×10⁵。計(jì)算荷載采用上部結(jié)構(gòu)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(biāo)系以橫橋向?yàn)?/font>x軸，順橋向?yàn)?/font>z軸，豎直向?yàn)?/font>y軸。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）1956.png

2.2.2計(jì)算結(jié)果及配筋計(jì)算

在上部結(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果見圖4～圖6。正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）2046.png 公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）2050.png 公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）2051.png

由圖4～圖6可見，距墩頂0. 76 m范圍內(nèi)出現(xiàn)較大橫向拉應(yīng)力，其數(shù)值隨距離墩頂?shù)母叨鹊脑黾佣鴾p小，最大拉應(yīng)力發(fā)生在墩頂，為3. 765 MPa，而距墩頂0.76 m以外范圍為壓應(yīng)力。此外，墩頂拉應(yīng)力具有由墩頂對(duì)稱處最大，向兩側(cè)擴(kuò)頭發(fā)展逐漸變小趨勢。

對(duì)于墩頂出現(xiàn)較大拉應(yīng)力情況，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮加強(qiáng)配筋。將圖6中實(shí)體單元應(yīng)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(jì)算配筋面積。計(jì)算公式如下。

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通過式(1)、式(2)計(jì)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(gòu)造要求，墩頂實(shí)配3排共54根直徑25 mm鋼筋。同時(shí)，考慮墩頂兩側(cè)擴(kuò)頭存在拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)中通過設(shè)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(jì)算

鐵路橋墩為雙柱門式空心墩，計(jì)算采用有限元軟件。荷載及荷載組合、合理計(jì)算模型的建立是鐵路門式空心墩計(jì)算的關(guān)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(jì)算的反力得到，荷載組合系數(shù)取1.0；②鐵路荷載，即鐵路上部結(jié)構(gòu)荷載，包括線路設(shè)備及梁重、鐵路活載、列車橫向搖擺力、制動(dòng)力／牽引力、列車承受橫向風(fēng)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。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）2647.png

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(chǔ)，疊加組合公路荷載及鐵路墩自身荷載，最終包絡(luò)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(jì)算模型

采用有限元程序建模時(shí)，帽梁和空心墩墩頂實(shí)體段簡化為剛構(gòu)的蓋梁，墩身按實(shí)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(jì)算關(guān)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(shí)體模型進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，幾種計(jì)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(diǎn)采用固結(jié)方式連接，見圖7a)。

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

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

(4)實(shí)體模型。按實(shí)際尺寸建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，計(jì)算單元采用實(shí)體單元，見圖7b）。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）3112.png

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

通過計(jì)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(shí)體模型的加載方式，用以比較各模型的計(jì)算結(jié)果。各種模型的彎矩、剪力最值見表4。

公鐵合建雙層橋墩計(jì)算分析（交通）3201.png

模型(1)，(2)，(3)與模型(4)比較，計(jì)算差值見表5。

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由表4、表5可見，模型(1)計(jì)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(dá)-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(nèi)，較其他模型更接近于模型(4)。可見，模型(3)的計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，偏安全，且建模計(jì)算簡單。