采用MIDAS Civil软件对大跨拱式管桥的结构设计

王 鹏，雷 盼，程明伟，万 宁

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

某工程倒虹管总长L=512 m(含进、出口段)，设计流量为28.00 m3/s，加大流量为30.34 m3/s。倒虹管采用2根直径2.9 m管道过水，均采用地埋式压力钢管。倒虹管跨越洪家渡库区，跨河段采用上承式混凝土拱跨越，跨河布置为13.5 m简支梁+108 m钢筋混凝土拱+13.5 m简支梁，具体布置如图1所示。

图1 管桥纵断面布置图(单位：mm)

2 管桥的结构设计与计算

2.1 结构设计

主拱为悬链线无铰拱，净跨108 m，矢高27 m，矢跨比1/4，拱轴系数1.756。主拱采用钢拱架现浇工艺施工，拱箱为C50混凝土箱型拱，拱箱宽6.5 m，高2.2 m，顶底板厚30 cm，腹板厚30 cm。拱箱内设有横隔板，厚度为25 cm，横隔板设置在排架下方，两幅排架中间也设置一道横隔板。拱上设置C30混凝土排架，排架立柱为2根，拱上排架间距为9 m，高度3.3～24 m不等，排架柱截面采用矩形等截面，截面尺寸根据高度调整，排架设有横系梁。

为减轻主拱上部荷载，考虑钢管有一定的纵向刚度，钢管采用支墩直接支撑于排架墩帽上，这也是本工程设计的主要特点。钢管两侧设有检修通道。主拱断面见图2。

图2 主拱横断面图(单位：mm)

2.2 荷载组合

根据《midas Civil在桥梁结构分析中的应用》，主拱采用通用有限元程序MIDAS Civil进行总体计算[1]。模型边界为拱脚固结，模型图如图3所示。拱上建筑恒载、水荷载均以集中力的形式作用于排架节点。主拱计算包括主拱施工阶段与成桥阶段的强度、应力、位移等验算。

图3 管桥拱圈三维模型

主要计算荷载参数取值：(1)恒载：主拱圈、拱上建筑等。主拱圈及拱上建筑混凝土重力密度为26 kN/m3。(2)水荷载：123 kN/m。(3)温度荷载：设计合龙温度10～15 ℃,计算体系整体温升取24 ℃,体系整体温降取21 ℃。

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)相关要求，管桥水工建筑物等级为2级，承载力安全系数K取1.2[2]。对不同工况及荷载作用考虑不同的荷载分项系数。

工况一：满水运行工况荷载组合，取1.05×主拱及上部结构恒载+1.05×水荷载+1.2×人群荷载+1.2×温升。

工况二：空管运行工况荷载组合，取1.05×主拱及上部结构恒载 +1.2×人群荷载+1.2×温降+收缩徐变。

2.3 计算分析

2.3.1 持久状况承载能力使用极限状态验算

根据计算，管桥主拱在计算工况下均为偏心受压构件，构件计算长度为0.36S(S为拱轴线长度)，验算拱脚、拱顶等截面的偏心受压承载力是否满足规范要求。验算列表如表1所示。

表1 偏心受压承载力成果表

经验算，各工况下，拱脚、拱顶等截面的偏心受压承载力安全系数均大于1.2，满足规范要求。

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)[3]，需进行斜截面抗剪承载力验算。

根据计算，各工况下主拱截面最大剪力为2548 kN，出现在工况一拱脚排架处截面。

受剪截面KV=3057 kN>0.25fcbh0=11 029 kN，受剪截面满足规范要求。

斜截面抗剪承载能力KV=3057 kN

2.3.2 持久状况正常使用极限状态计算

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)，对于钢筋混凝土构件需进行正常使用极限状态下的裂缝宽度验算，对于e0/h0≤0.55的偏心受压构件可不进行裂缝计算。经验算各工况下均满足上述条款，按照规范不做裂缝验算[2]。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)[3]第6.5的规定，对于预应力混凝土受弯构件，需进行正常使用极限状态下的挠度验算。根据MIDAS Civil计算结果可知，恒载作用下，拱顶最大位移为21 mm，水荷载作用下，拱顶最大位移为9 mm，合计30 mm

2.4.3 持久状态应力验算

经计算，使用阶段主拱正截面无拉应力出现，上缘最大压应力为11.4 MPa，下缘最大压应力为9.8 MPa，均<0.5fck。

3 结 论

管桥布置合理，跨河主拱承载力满足规范要求，充分发挥了拱桥混凝土的抗压性能，主拱使用阶段主拱正截面全断面受压，无拉应力出现，无受力裂缝，水荷载作用下，拱顶最大位移为9 mm，能满足钢管过水运行要求。该跨河主拱的设计也为类似工程提供了借鉴。

[1] 刘美兰．Midas Civil在桥梁结构分析中的应用[M]．北京：人民交通出版社，2012.

[2] 中华人民共和国水利部．水工混凝土结构设计规范：SL 191—2008[S]．北京：中国水利水电出版社，2015.

[3] 中华人民共和国交通部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG/D 62—2004[S]．北京：人民交通出版社，2004.