海南省交通规划勘察设计研究院 海口市 570100
摘要：在桥梁设计中，桥墩构件一般情况下为偏心受压构件，规范中仅针对矩形截面、T型截面、工字型截面及圆形截面提供相关的截面验算公式。在实际桥梁设计过程中，由于考虑到景观要求或者其他方面的需要，桥墩截面需要设计为非规则截面，无法利用规范中的验算公式进行计算。本文通过研究规范中偏心受压构件计算公式的基础理论及结合截面计算软件的应用，总结出一种用于桥梁非规则截面验算的计算方法。
关键词：非规则截面 偏心受压 承载力验算
1引言
偏心受压构件是最常见的结构构件之一，如桥梁结构中的拱桥拱肋、桥墩等，其截面一般采用矩形形式，矩形截面柱构造简单，但其材料的利用率不如I形及T形柱[1]。桥梁下部结构在荷载作用下的偏心受压承载力验算为桥梁设计中不可或缺的内容，保证截面承载力计算结果的准确性控制着墩台截面选型及配筋的实际应用。本文选取的桥梁计算案例为国内某条旅游公路中的跨江大桥，由于桥梁设计中的景观需求，需要将主桥桥墩截面设计为非规则截面，该截面形式无法根据规范中提供的计算公式进行验算，本文选取该桥主墩在最不利荷载作用下，通过截面计算软件建立模型对该桥主墩截面进行承载力验算研究。
2计算桥梁概况
计算案例桥梁为国内某条旅游公路中的跨江大桥。桥梁主桥跨径为50+4×90+50m的悬臂现浇连续箱梁桥，桥宽为18m，桥梁中心线位于直线上。主墩横桥向宽度为5.7m，顺桥向宽度为3.0m，桥梁墩高为16m，如图1所示。桥梁计算荷载等级为公路-Ⅰ级。
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图1 桥墩构造图
3 偏心受压构件受力分析
大偏心受压构件破坏时，截面的应力分布和应变分布特点表现为，在截面靠近轴力一侧边缘处混凝土处的应力也已达到混凝土抗压强度fc。远离轴向力一侧钢筋在极限状态下已屈服，应力值等于抗拉屈服强度fy。
小偏心受压构件破坏时的基本特征为远离轴向力一侧的钢筋不会受拉屈服，靠近轴向力一侧混凝土的应力在极限状态下达到其抗压强度fc。当偏心距稍大时，远离轴向力一侧会有受拉区存在，该处的混凝土及钢筋均承受拉应力；如果偏心距很小，截面可能全部受压。
根据截面上力的平衡和力矩的平衡，及截面的几何、材料性能，在平截面假定下便可求出在不同偏心距下的截面承载力。
4 计算结果分析
本次计算选择两个截面形式，一个为规则的矩形截面，一个为景观桥主墩的非规则截面，前者用于和规范公式计算结果进行对比，后者为桥梁设计承载力验算的实际应用。
4.1 矩形截面计算分析对比
矩形截面算例[2]基本参数为：混凝土强度等级为C25，钢筋HRB335，
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（1）根据规范计算公式[3]可得出，截面在该种荷载作用下的轴力及弯矩承载能力分别为：
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其中x为混凝土破坏时的等效受压区高度；
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（2）根据截面尺寸及相关参数，在截面计算软件中建立模型，如图2所示，计算参数设置如图3所示。
以规范计算公式中得出的1624kN为初始条件输入，通过软件计算该截面的弯矩承载力为828.4kN.m，由于该弯矩值是以截面中心为轴，将该计算结果做移轴处理，使之与规范计算的弯矩作用轴（截面受拉钢筋的合力点）保持一致，则截面的弯矩承载力为：
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，与规范计算值1412 kN.m基本一致。
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图2 矩形截面模型图
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图3 软件参数设置图
（3）通过以上两个方法的计算比较可知，截面计算软件能满足偏心受压构件轴力及弯矩承载能力的验算需要，另外该方法还有另外一个优点，即可以计算得出该截面的压弯包络图即P-M曲线，将截面的验算内力值放置在包络图中便可知道承载力是否满足规范要求。
4.2 非规则截面计算应用
如果墩柱截面为非规则截面，无法使用规范公式进行验算，则采用截面分析软件计算墩柱截面的 P-M曲线，并结合墩柱内力计算的结果，判断墩柱是否满足正常使用状态下的承载力要求。本算例采用的桥墩截面计算模型如图4所示，并根据相关设计参数设置后进行 P-M分析。
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图4 非规则截面模型图
根据规范要求，对长细比lo/i>17.5的构件，需要考虑偏心受压构件的轴向力承载能力极限状态偏心距增大系数η。结合 Midas计算成果，墩底轴力及弯矩如表1所示。
表1 主桥顺桥向墩底截面内力表
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结合 Midas 内力计算结果，将墩柱轴力及弯矩与墩柱P-M对比，如图5所示。由图可知，各桥墩作用力均未超过墩身截面的承载力，满足规范要求。
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图5 顺桥向各桥墩柱截面对比图
5 结论
本文通过对比分析了矩形截面的规范公式验算和截面计算软件验算两种方法，验证了两种验算方法的一致性，并将截面计算软件验算方法应用到其他非规则截面上。可得到以下结论：
1、对于矩形截面等规则截面，规范公式验算和截面计算软件验算两种方法计算结果一致，说明了截面计算软件验算的方法可行。
2、对于非规则截面可采用截面计算软件验算方法，根据截面形状及材料等信息建模，并根据相关设计参数设置后进行 P-M分析，最后结合桥墩内力计算结果进行验算。
参考文献
[1] 顾祥林.混凝土结构基本原理 [M].上海：同济大学出版社，2004.
[2] 袁伦一，鲍卫刚.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》条文应用算例 [M].北京：人民交通出版社，2005.
[3] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范-JTG 3362-2018 [M].北京：人民交通出版社，2018.