某箱型拱桥结构承载性能检算分析

2015-08-07王云平唐德金赵德深

大连大学学报 2015年6期

王云平，唐德金，赵德深,2,*

（1. 大连大学辽宁省复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，辽宁大连116622；2. 大连大学辽宁省高校重点岩土与结构工程与技术研究中心，辽宁大连 116622）

某箱型拱桥结构承载性能检算分析

王云平1，唐德金1，赵德深1,2,*

随着桥梁运营时间的不断增加，桥梁将会在多种因素的影响下出现承载力下降的趋势。所以，公路桥梁承载安全分析与评定，在桥梁使用中是一个极其重要的问题。本文以一座钢筋混凝土箱型拱桥为依托背景，利用有限元分析软件MIDAS-civil建立该桥的空间有限元模型，对主拱圈进行承载能力验算。结果表明：大桥承载能力极限状态下主拱圈边箱室和中箱室控制截面弯矩及相应轴力极限承载能力能满足汽车-20级、挂车-100级荷载等级的要求。

桥梁承载力；箱型拱桥；安全分析与评定

21世纪的中国经济快速发展，交通运输朝着高速、大流量现代运输结构的方向发展。桥梁是整个运输系统的咽喉，但是随着时间的推移桥梁的承载力将会出现下降的趋势[1-2]，因此对旧桥和新桥的使用性能与质量提出了高质量的要求[3-5]。本文将按照《公路桥涵设计通用规范》[6]，采用有限元分析软件建立主跨空间有限元模型，从计算分析方面评判结构的承载力与安全性，为制定荷载试验加载提供依据[7-8]。

1 工程概况

某大桥建于十九世纪，是一座钢筋混凝土悬链线箱型拱桥。全桥总长约为500 m，桥宽组合为1.5 m(人行道)+9 m（行车道）+1.5 m(人行道)，设计荷载为汽车-20、挂车-100。设计洪水频率为 100年一遇，最高通航水位为5年一遇。桥墩为钢筋混凝土重力式桥墩，桥面铺装为水泥混凝土铺装，共设置10道钢式伸缩缝。

2 有限元模型的建立

计算采用有限元分析软件MIDAS-civil，根据设计图纸对大桥主桥进行建模，大桥主跨为钢筋混凝土悬链线箱型拱桥，主跨箱形拱结构模型如图 1～图 2所示。

模型计算假设：

a. 混凝土、钢筋为理想弹性材料，截面变形符合平截面假设；

b. 不考虑桥面铺装层对桥梁抗弯能力的提高；

c. 对于梁式腹拱结构，不考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用。

图1 大桥箱型拱有限元模型

图2 大桥箱型拱主拱圈模型

分析主跨箱拱时，将主拱圈横向按照预制装配时的箱室划分为多个箱室单元。各箱室单元横向以箱室顶底板的横向抗弯刚度和抗扭刚度换算出的虚拟横梁进行模拟，主拱圈箱室从左至右分别提取最不利荷载组合设计值，并进行的承载能力验算。

3 计算参数

(1)计算截面、配筋、混凝土标号等参数参照竣工图纸。

(2)设计荷载等级：本次计算按汽车-20级、挂车-100级进行计算，车道数量按双车道考虑。

(3)温度假定为 20℃，最高和最低有效温度选取参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中混凝土结构温热地区有效温度标准值。

(4)荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的规定：

荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载，对大桥进行强度验算时，根据可能同时出现的作用荷载，选择下列荷载组合：

组合Ⅰ：基本可变荷载（平板挂车或履带车外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种组合；

组合Ⅱ：基本可变荷载（平板挂车或履带车外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相组合；

本次计算考虑以下荷载组合：

组合Ⅰ：1.2×恒荷载+1.4×汽车

组合Ⅱ：1.1×恒荷载+1.3×汽车+1.3×0.7×温度

结构采用分项安全系数的极限状态设计时，其设计原则是：荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应的设计值。以方程式表示为：

4 计算结果

4.1 主拱圈承载能力计算结果

拱圈内力结果从有限元软件midas/civil中提取，其单位正负号规定为：拱圈下缘受拉弯矩为正，上缘受拉弯矩为负；拱圈受拉轴力为正，受压轴力为负。承载能力极限状态基本组合作用下，主拱圈内力和轴力分别见图3～图10。

4.2 极限承载力验算

承载能力极限状态下主拱圈边箱室和中箱室控制截面弯矩及相应轴力分别列于表1和表2。根据计算结果可知，目前大桥极限承载能力能满足汽车-20级、挂车-100级荷载等级的要求。

图3 组合Ⅰ作用下拱圈弯矩Mmax（kN·m）

图4 组合Ⅰ作用下拱圈弯矩Mmin（kN·m）

图5 组合Ⅰ作用下拱圈轴力Nmax（kN）

图6 组合Ⅰ作用下拱圈轴力Nmin（kN）

图7 组合Ⅱ作用下拱圈弯矩Mmax（kN·m）

图8 组合Ⅱ作用下拱圈弯矩Mmin（kN·m）

图9 组合Ⅱ作用下拱圈轴力Nmax（kN）

图10 组合Ⅱ作用下拱圈轴力Nmin（kN）

表1 大桥中拱圈承载能力极限状态验算结果

表2 大桥边拱圈承载能力极限状态验算结果

5 结论

结合该混凝土悬链线箱型拱桥结构受力特点，利用桥梁结构检算评定方法对该大桥承载能力和安全性进行评定∶

（1）该桥具有较好的刚度，满足规范要求，满足结构正常使用极限状态要求。

（2）该大桥承载能力极限状态下主拱圈边箱室和中箱室控制截面弯矩及相应轴力极限承载能力能满足汽车-20级、挂车-100级荷载等级的要求。

（3）根据检查结果及承载力计算，建议对大桥进行限重限速处理，限重吨位为20 t，限车速度为20 km/h。

[1]刘又佳, 季云峰. 常州市朝阳桥结构技术状态和承载能力评估[J]. 城市道桥与防洪, 2010(07)∶ 48-51+10.

[2]徐日昶, 艾军, 付金科, 等. 林区公路桥梁承载能力的分析与评定[J]. 东北林业大学学报, 1993(04)∶ 59-64.

[3]王技, 钟海辉. 石拱桥剩余承载能力的理论研究[J]. 公路交通技术, 2005(03)∶ 94-96+137.

[4]马建, 孙守增, 杨琦, 等. 中国桥梁工程学术研究综述·2014[J]. 中国公路学报, 2014(05)∶ 1-96.

[5]张俊. 江汉航道网桥梁评估与升级改造研究[D]. 武汉理工大学, 2003.

[6]中交公路规划设计院. 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）[M]. 人民交通出版社, 2014.

[7]陈勇鸿. 双曲拱旧桥结构承载性能检算分析[J]. 湖南交通科技, 2009(01)∶ 95-97+180.

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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

1008-2395(2015)06-0037-04

2015-06-11

王云平（1991-），男，硕士研究生，研究方向：地下工程；唐德金（1990-），男，硕士研究生，研究方向：桥梁动力荷载响应分析。

赵德深（1957-），男，教授，研究方向：矿山开采沉陷理论与控制技术。