劉忠銀川市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（750000）

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龜韭溝拱橋承載能力計(jì)算分析

劉忠
銀川市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（750000）

摘要:在目前已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)龜韭溝拱橋的承載能力展開計(jì)算分析，為該拱橋的設(shè)計(jì)和施工提供支撐，同時(shí)也可為鋼筋混凝土拱橋的承載力計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞:交通工程；鋼筋混凝土拱橋；承載能力；計(jì)算分析

0引言

拱橋是我國的常見橋型之一,有著久遠(yuǎn)的歷史。隨著交通工程的發(fā)展，我國的拱橋數(shù)量越來越多，拱橋跨度越來越大，如四川萬縣的長(zhǎng)江大橋是世界上跨徑最大（420 m）的鋼筋混凝土拱橋[1]。鋼筋混凝土拱橋以抗壓強(qiáng)度高的混凝土材料建造，充分利用了拱橋以受壓為主的特點(diǎn)，造價(jià)低，剛度大，養(yǎng)護(hù)工作量少，在拱橋建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。而作為鋼筋混凝土拱橋理論研究的核心內(nèi)容之一，其承載力的研究一直是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。如陳定市等人采用空間有限元模型對(duì)鋼筋混凝土拱橋極限承載力的參數(shù)進(jìn)行了分析[3]；胡大琳等人對(duì)拱式拱上結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土拱橋的極限承載力進(jìn)行了分析研究[4]；鄭振飛等人應(yīng)用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論，對(duì)拱橋的承載能力極限狀態(tài)和裂縫使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究[5]。

1工程概況

龜韭溝拱橋位于龜韭溝泄洪道上,為南北走向。龜韭溝屬長(zhǎng)流水溝谷，溝長(zhǎng)20.20 km，匯水面積72.10 km2，比降1.2%，據(jù)實(shí)測(cè)表流流量均值為38 m3/s，一般沖刷深度＜3 m，現(xiàn)以過水路面通過，水深2.19 m，流速2.76 m/s,洪峰流量348 m3/s。龜韭溝拱橋的立面布置圖如圖1所示。

2設(shè)計(jì)依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

1）橋面寬度布置如下:30.0 m＝(0.5 m欄桿+3.5 m人行道)×2+22.0 m車行道

2）道路等級(jí):II級(jí)城市主干路

3）設(shè)計(jì)時(shí)速:40 km/h

4）路面等級(jí):瀝青混凝土高級(jí)路面

5）抗震設(shè)防烈度:Ⅷ度

6）橋涵荷載等級(jí):公路-Ⅰ級(jí)

7）設(shè)計(jì)年限:橋梁設(shè)計(jì)年限為100年

8）設(shè)計(jì)湖水頻率:1/100年

9）主要材料:主、腹拱圈、立柱混凝土標(biāo)號(hào)C40，橋臺(tái)、樁及搭板等混凝土均為C30，鋼筋為Ⅰ級(jí)鋼筋、Ⅱ級(jí)鋼筋。

3計(jì)算分析

3.1有限元模型

拱橋受力計(jì)算按平面梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)來分析，建立全橋模型，并考慮連拱效應(yīng)。主拱圈為無鉸拱，邊腹拱圈按單鉸拱考慮，外側(cè)拱腳為單向活動(dòng)鉸支座，只能傳遞推力不能傳遞拉力，其余腹拱圈無單鉸拱考慮。墩臺(tái)處約束按照彈性約束考慮，水平約束彈性系數(shù)取7.3×105 kN/m、豎直約束彈性系數(shù)取6.05×106 kN/m、轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈性系數(shù)取1.1×107 kN/ m，墩臺(tái)不均勻沉降以及橋臺(tái)水平位移影響由程序自動(dòng)計(jì)入計(jì)算中。收縮徐變天數(shù)取3 650 d（十年）。按照施工順序，結(jié)構(gòu)自然分塊并設(shè)置節(jié)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

3.2荷載

圖1龜韭溝拱橋立面布置圖

靜力計(jì)算荷載分永久作用和可變作用。永久作用僅考慮結(jié)構(gòu)的重力，該橋原有結(jié)構(gòu)的重力已經(jīng)由結(jié)構(gòu)承擔(dān)，橋面鋪裝等荷載在二期恒載中加入?？勺冏饔脼槠嚭奢d、汽車的沖擊力和溫度荷載。

圖2結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2.1汽車荷載及沖擊系數(shù)

汽車荷載采用公路Ⅰ級(jí)車道荷載，其中，均布荷載為qk=10.5 kN/m，集中荷載Pk=260 kN。按照規(guī)范[6]計(jì)算汽車荷載的沖擊系數(shù)。本橋汽車荷載的沖擊系數(shù)經(jīng)計(jì)算為0.15。

3.2.2荷載橫向分布系數(shù)

鋼筋混凝土板拱橋的橫向剛度較大，荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算可假定荷載均勻分布在拱圈全部寬度上。對(duì)于矩形截面拱圈，常取單位寬度進(jìn)行計(jì)算。本橋?yàn)殡p向六車道，拱圈寬度30米，荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算為0.2。

3.2.3溫度荷載

合龍溫度是橋梁年溫差變化的起點(diǎn)，決定了年溫差變化的范圍。整體升溫和降溫均能引起結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力。升溫時(shí)，拱腳產(chǎn)生正彎矩，拱頂產(chǎn)生負(fù)彎矩，而拱橋的拱腳由負(fù)彎矩控制設(shè)計(jì)，拱頂由正彎矩控制設(shè)計(jì)，因此對(duì)整體升溫引起的附加內(nèi)力可不計(jì)算。

根據(jù)該橋所處環(huán)境和合龍溫度確定結(jié)構(gòu)整體降溫幅度為30℃。設(shè)計(jì)合龍溫度為8℃，系統(tǒng)體系升溫30℃，系統(tǒng)體系降溫30℃，正溫度效應(yīng)取10℃，負(fù)溫度梯度效應(yīng)取-5℃。

3.3材料參數(shù)

主橋拱肋混凝土采用C40混凝土。縱向鋼筋采用HRB335鋼筋和箍筋采用R235鋼筋，二者均應(yīng)符合規(guī)范要求[7~8]。按照規(guī)范得到材料參數(shù)如下:

1）C40混凝土:軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.4 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.65 MPa，彈性模量為3.25×104 MPa，混凝土容重為26.0 kN/m3。

2）HRB335鋼材:抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為280 MPa，彈性模量為2.0×105 MPa。

3）R235鋼筋:抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為195 MPa，彈性模量為2.1×105 MPa。

4持久狀況承載能力極限狀態(tài)及施工階段應(yīng)力計(jì)算

公路橋涵結(jié)構(gòu)的持久狀況設(shè)計(jì)應(yīng)考慮承載能力極限狀態(tài)的要求，采用作用（或荷載）的基本組合，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，并使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力設(shè)計(jì)值大于或等于作用（或荷載）效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值。

4.1承載能力極限狀態(tài)基本組合內(nèi)力計(jì)算

持久狀況承載能力極限狀態(tài)基本組合采用下式:

式中:Sud表示承載能力極限狀態(tài)作用下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；γ0表示結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，本工程取1.1；γG表示永久作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，本工程取1.2；SGk表示永久作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，本工程永久作用效應(yīng)是指由加固拱肋、橫系梁、背板、腹拱圈及橋面系重量差等自重荷載；γQ1表示汽車荷載效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，本工程取1.4；SQ1k表示汽車荷載效應(yīng)（含汽車沖擊力、離心力）的標(biāo)準(zhǔn)值；γQ2表示溫度效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，本工程取1.4；φc表示溫度效應(yīng)的組合系數(shù),取0.8；SQ2k表示溫度荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

本工程承載能力極限狀態(tài)基本組合為:1.2×自重+1.12×溫度荷載（降溫）+1.4×汽車荷載。在進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)和截面驗(yàn)算時(shí)，采用承載能力極限狀態(tài)基本組合內(nèi)力值。為此，將承載能力極限狀態(tài)基本組合得到的拱肋控制截面內(nèi)力值列于表1。

4.2施工階段應(yīng)力計(jì)算

按照規(guī)范[6]第7.2.4條規(guī)定，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定，受壓區(qū)混凝土邊緣的壓應(yīng)力應(yīng)滿足:

同樣，按照規(guī)范[6]第7.2.5條規(guī)定，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中性軸處的主拉應(yīng)力（剪應(yīng)力）應(yīng)符合下列規(guī)定，即混凝土主拉應(yīng)力（剪應(yīng)力）應(yīng)滿足:

表1承載能力極限狀態(tài)基本組合內(nèi)力值

本橋施工時(shí)混凝土強(qiáng)度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的85%，故壓應(yīng)力允許值：

主拉應(yīng)力（剪應(yīng)力）允許值:

表2主拱圈施工階段最大應(yīng)力驗(yàn)算表(MPa)

5結(jié)論

通過計(jì)算分析可知，龜韭溝拱橋的整體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，龜韭溝拱橋的承載能力極限狀態(tài)組合以及施工階段的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。目前該橋已經(jīng)施工完成，相關(guān)檢測(cè)表明該橋受力性能良好，說明本文對(duì)龜韭溝拱橋的承載能力計(jì)算的正確性。

參考文獻(xiàn):

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