某箱型拱橋結(jié)構(gòu)承載性能檢算分析

王云平，唐德金，趙德深,2,*

（1. 大連大學(xué) 遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116622；2. 大連大學(xué) 遼寧省高校重點(diǎn)巖土與結(jié)構(gòu)工程與技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116622）

某箱型拱橋結(jié)構(gòu)承載性能檢算分析

王云平1，唐德金1，趙德深1,2,*

（1. 大連大學(xué) 遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116622；2. 大連大學(xué) 遼寧省高校重點(diǎn)巖土與結(jié)構(gòu)工程與技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116622）

隨著橋梁運(yùn)營時(shí)間的不斷增加，橋梁將會在多種因素的影響下出現(xiàn)承載力下降的趨勢。所以，公路橋梁承載安全分析與評定，在橋梁使用中是一個(gè)極其重要的問題。本文以一座鋼筋混凝土箱型拱橋?yàn)橐劳斜尘?，利用有限元分析軟件MIDAS-civil建立該橋的空間有限元模型，對主拱圈進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。結(jié)果表明：大橋承載能力極限狀態(tài)下主拱圈邊箱室和中箱室控制截面彎矩及相應(yīng)軸力極限承載能力能滿足汽車-20級、掛車-100級荷載等級的要求。

橋梁承載力；箱型拱橋；安全分析與評定

21世紀(jì)的中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通運(yùn)輸朝著高速、大流量現(xiàn)代運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。橋梁是整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的咽喉，但是隨著時(shí)間的推移橋梁的承載力將會出現(xiàn)下降的趨勢[1-2]，因此對舊橋和新橋的使用性能與質(zhì)量提出了高質(zhì)量的要求[3-5]。本文將按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[6]，采用有限元分析軟件建立主跨空間有限元模型，從計(jì)算分析方面評判結(jié)構(gòu)的承載力與安全性，為制定荷載試驗(yàn)加載提供依據(jù)[7-8]。

1 工程概況

某大橋建于十九世紀(jì)，是一座鋼筋混凝土懸鏈線箱型拱橋。全橋總長約為500 m，橋?qū)捊M合為1.5 m(人行道)+9 m（行車道）+1.5 m(人行道)，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20、掛車-100。設(shè)計(jì)洪水頻率為 100年一遇，最高通航水位為5年一遇。橋墩為鋼筋混凝土重力式橋墩，橋面鋪裝為水泥混凝土鋪裝，共設(shè)置10道鋼式伸縮縫。

2 有限元模型的建立

計(jì)算采用有限元分析軟件MIDAS-civil，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對大橋主橋進(jìn)行建模，大橋主跨為鋼筋混凝土懸鏈線箱型拱橋，主跨箱形拱結(jié)構(gòu)模型如圖 1～圖 2所示。

模型計(jì)算假設(shè)：

a. 混凝土、鋼筋為理想彈性材料，截面變形符合平截面假設(shè)；

b. 不考慮橋面鋪裝層對橋梁抗彎能力的提高；

c. 對于梁式腹拱結(jié)構(gòu)，不考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用。

圖1 大橋箱型拱有限元模型

圖2 大橋箱型拱主拱圈模型

分析主跨箱拱時(shí)，將主拱圈橫向按照預(yù)制裝配時(shí)的箱室劃分為多個(gè)箱室單元。各箱室單元橫向以箱室頂?shù)装宓臋M向抗彎剛度和抗扭剛度換算出的虛擬橫梁進(jìn)行模擬，主拱圈箱室從左至右分別提取最不利荷載組合設(shè)計(jì)值，并進(jìn)行的承載能力驗(yàn)算。

3 計(jì)算參數(shù)

(1)計(jì)算截面、配筋、混凝土標(biāo)號等參數(shù)參照竣工圖紙。

(2)設(shè)計(jì)荷載等級：本次計(jì)算按汽車-20級、掛車-100級進(jìn)行計(jì)算，車道數(shù)量按雙車道考慮。

(3)溫度假定為 20℃，最高和最低有效溫度選取參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）中混凝土結(jié)構(gòu)溫?zé)岬貐^(qū)有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的規(guī)定：

荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載，對大橋進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，根據(jù)可能同時(shí)出現(xiàn)的作用荷載，選擇下列荷載組合：

組合Ⅰ：基本可變荷載（平板掛車或履帶車外）的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種組合；

組合Ⅱ：基本可變荷載（平板掛車或履帶車外）的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種與其他可變荷載的一種或幾種相組合；

本次計(jì)算考慮以下荷載組合：

組合Ⅰ：1.2×恒荷載+1.4×汽車

組合Ⅱ：1.1×恒荷載+1.3×汽車+1.3×0.7×溫度

結(jié)構(gòu)采用分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)原則是：荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計(jì)值。以方程式表示為：

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 主拱圈承載能力計(jì)算結(jié)果

拱圈內(nèi)力結(jié)果從有限元軟件midas/civil中提取，其單位正負(fù)號規(guī)定為：拱圈下緣受拉彎矩為正，上緣受拉彎矩為負(fù)；拱圈受拉軸力為正，受壓軸力為負(fù)。承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下，主拱圈內(nèi)力和軸力分別見圖3～圖10。

4.2 極限承載力驗(yàn)算

承載能力極限狀態(tài)下主拱圈邊箱室和中箱室控制截面彎矩及相應(yīng)軸力分別列于表1和表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，目前大橋極限承載能力能滿足汽車-20級、掛車-100級荷載等級的要求。

圖3 組合Ⅰ作用下拱圈彎矩Mmax（kN·m）

圖4 組合Ⅰ作用下拱圈彎矩Mmin（kN·m）

圖5 組合Ⅰ作用下拱圈軸力Nmax（kN）

圖6 組合Ⅰ作用下拱圈軸力Nmin（kN）

圖7 組合Ⅱ作用下拱圈彎矩Mmax（kN·m）

圖8 組合Ⅱ作用下拱圈彎矩Mmin（kN·m）

圖9 組合Ⅱ作用下拱圈軸力Nmax（kN）

圖10 組合Ⅱ作用下拱圈軸力Nmin（kN）

表1 大橋中拱圈承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

表2 大橋邊拱圈承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié)論

結(jié)合該混凝土懸鏈線箱型拱橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，利用橋梁結(jié)構(gòu)檢算評定方法對該大橋承載能力和安全性進(jìn)行評定∶

（1）該橋具有較好的剛度，滿足規(guī)范要求，滿足結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)要求。

（2）該大橋承載能力極限狀態(tài)下主拱圈邊箱室和中箱室控制截面彎矩及相應(yīng)軸力極限承載能力能滿足汽車-20級、掛車-100級荷載等級的要求。

（3）根據(jù)檢查結(jié)果及承載力計(jì)算，建議對大橋進(jìn)行限重限速處理，限重噸位為20 t，限車速度為20 km/h。

[1]劉又佳, 季云峰. 常州市朝陽橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)和承載能力評估[J]. 城市道橋與防洪, 2010(07)∶ 48-51+10.

[2]徐日昶, 艾軍, 付金科, 等. 林區(qū)公路橋梁承載能力的分析與評定[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1993(04)∶ 59-64.

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[4]馬建, 孫守增, 楊琦, 等. 中國橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2014[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2014(05)∶ 1-96.

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[7]陳勇鴻. 雙曲拱舊橋結(jié)構(gòu)承載性能檢算分析[J]. 湖南交通科技, 2009(01)∶ 95-97+180.

[8]路偉亭. 雙曲拱舊橋結(jié)構(gòu)檢測與承載力檢算分析[J]. 治淮,2011(02)∶ 20-21.

The Test Analysis of the Structure Bearing Capacity of a Box Arch Bridge

WANG Yun-ping1, TANG De-jin1, ZHAO De-shen1,2,*
(1. Key Laboratory of Liaoning Province for Prediction & Control on Complicated Structure System, Dalian University, Dalian 116622,China; 2. Key Geotechnical & Structural Engineering Research Center of University in Liaoning Province, Dalian University, Dalian 116622, China)

With the increase of bridge operation time, the bearing capacity of the bridge will decline under the influence of various factors. So, bearing capacity analysis and safety assessment are a very important problem in the period of using. This paper is based on a reinforced concrete box arch bridge to establish the finite element model of the bridge by using the finite element analysis software MIDAS-civil, and checked the bearing capacity of main arch ring. The results show that the ultimate bearing capacity of bending moment and axial force of the main arch ring box section meet the requirements of load grade of car-20 and trailer-100 under the limit state of carrying capacity of bridge.

bridge bearing capacity; box arch bridge; safety analysis and assessment

U446.3

A

1008-2395(2015)06-0037-04

2015-06-11

王云平（1991-），男，碩士研究生，研究方向：地下工程；唐德金（1990-），男，碩士研究生，研究方向：橋梁動力荷載響應(yīng)分析。

趙德深（1957-），男，教授，研究方向：礦山開采沉陷理論與控制技術(shù)。