超厚卵石土條件下上承式連拱橋受力仿真分析

謝小輝

(貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州 貴陽 550004)

超厚卵石土條件下上承式連拱橋受力仿真分析

謝小輝

(貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州 貴陽 550004)

通過受力仿真計算分析可得到成橋狀態(tài)下橋梁結構強度、剛度等是否滿足規(guī)范安全要求，進而驗證該橋梁結構設計的安全性，為項目提供可靠的計算依據，同時可為類似地質條件下同類型橋梁建設提供借鑒和參考。

上承式連拱橋；高卵石土地基；仿真計算分析；強度 剛度

1 工程概況

五榕大橋為貴州省榕江縣內跨越寨蒿河的一座三跨鋼筋砼上承式連拱橋，各孔跨均為凈跨徑50 m的等截面鋼筋砼箱型拱，凈矢跨比1/5，凈矢高10 m，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數2.814，拱圈采用單箱三室截面，截面高1.35 m，截面寬10 m，各腹板厚25 cm，上、下翼緣厚20 cm。腹拱為L0=3.8 m的等截面圓弧鋼筋混凝土板拱，板厚40 cm。主拱圈采用支架現澆施工。

2 有限元模型

采用Midas civil有限元軟件對五榕大橋建立相應全橋空間有限元模型進行仿真計算分析。

成橋狀態(tài)下，全橋所受的荷載包括自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫升、溫降和混凝土收縮等。拱橋各構件均采用梁單元進行模擬，除主拱圈及基樁外，其余均采用虛擬梁單元，相應結構自重以換算為外加荷載形式施加在相應結構單元上。為較準確地模擬上承式拱橋的傳力機理，橫墻、橋面板等拱上結構采用“釋放梁端約束”設置，使拱圈上各構件對主拱圈無彎矩傳遞作用。全橋僅在各基樁底部及第三跨主拱圈右側拱腳處施加固定約束。

該橋位下地質情況較復雜，相應各墩臺處地質情況如表1所示。

表1 各墩臺處地質情況

根據相關實驗資料，相應粉質粘土夾碎石地基的壓縮模量為11 MPa，樁側阻力標準值為60 kPa；沙卵石土的壓縮模量為21 MPa，樁側阻力標準值為160 kPa；強風化礫巖相應樁側阻力標準值為200 kPa。為較精確地模擬地基對橋梁的作用，各層地基對橋梁基樁水平阻力及豎向摩擦力則通過對各基樁樁身施加點彈簧約束進行模擬，點彈簧剛度通過各層地質壓縮模量及樁側摩阻力并結合樁身尺寸計算得到。

3 仿真計算結果

3.1 主拱圈正截面抗壓承載力

主拱圈為偏心受壓構件，在進行偏心受壓驗算時，主要進行主彎矩最大、主彎矩最小、軸力最大和軸力最小四種偏心受壓驗算。相應偏心受壓承載力強度系數可通過下列公式計算獲得：

Md=Nde=Ndηe0

式中：ξ為偏心受壓承載力強度系數；Nrc為鋼筋混凝土截面的偏心抗壓承載力；Nd為主彎矩最大、主彎矩最小、軸力最大和軸力最小四種偏心受壓類型相應軸向力的組合設計值；Md為相應于軸向力的彎矩組合設計值。

通過計算，可得主拱圈結構成橋狀態(tài)下正截面抗壓承載力強度系數如圖1所示(圖1中拱圈坐標以各拱圈相應左拱腳處為坐標原點)。

由圖1計算結果可知，三跨主拱圈各截面抗壓強度系數均大于1，滿足相關規(guī)范安全要求，同時具有一定安全儲備。

圖1 主拱圈抗壓承載力

3.2 主拱圈裂縫寬度

通過計算可得各跨主拱圈主要截面裂縫寬度如圖2所示。

圖2 主拱圈裂縫寬度

由上圖計算結果可知，三跨主拱圈各截面裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足相關規(guī)范抗裂性要求。

3.3 全橋縱向剛度

由于該橋梁為三跨上承式鋼筋混凝土連拱橋，相應邊跨兩岸橋臺處所受水平推力較大，而0#橋臺和1、2#橋墩處基樁較長，且基樁處在較深的卵石土層中，相應基樁將成為柔性樁，在較大水平推力作用下，必將產生一定的水平位移，而較大的水平位移對超靜定結構的無鉸鋼筋混凝土拱橋是非常不利的。因此，現需對該橋梁在當前狀況下各跨拱圈兩拱腳相對位移進行驗算，進而確定該橋梁縱向剛度上是否滿足安全性要求。

通過計算，在標準組合作用下，可得各拱圈兩拱腳處水平位移如下表所示。

表2 主拱圈縱向剛度

根據以上計算結果可知，在標準組合荷載效應作用下，各跨主拱圈兩拱腳相對最大縱橋向位移均小于5 mm，滿足安全性要求。

4 結 語

通過采用大型有限元分析軟件Midas civil對上承式連拱橋建立相應空間有限元模型進行仿真模擬分析，對超厚卵石土地基對橋梁作用進行仿真模擬，得到的受力及變形等能滿足設計及規(guī)范要求，且相對其它一般方法能更精確的反映實際受力及變形狀態(tài)。

[1] 嚴允中，楊虎根，許偉，等.上承式混凝土拱橋建造實例及評析[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2] 姜友生.橋梁總體設計[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 王國鼎，鐘圣斌.拱橋[M].北京：人民交通出版社，2000.

2016-12-15

謝小輝(1986-)，男，江西人，工程師，主要從事橋梁結構設計。

U442.53

：A

：1008-3383(2017)06-0152-01