基于Midas的某过河大直径拱管设计研究

李正健，于佳 （安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概况

1.1 简要介绍

本工程为D1200污水管道施工，跨度50m过河拱管，如图1所示，拱管矢跨比1/6，壁厚22mm，两岸支墩下部采用桩基基础，拱管具体参数见表1。

图1 拱管立面布置图

1.2 荷载计算

1.2.1 拱平面内沿拱轴均布的垂直荷载q：

附属设施自重qt=0.5kN/m

永久作用设计值q1=1.2（qs+qt）+1.27qw=23.272kN/m

可变作用设计值q2=1.4qi=3.489kN/m

基本组合值q=q1+q2=26.761kN/m

1.2.2 垂直于拱平面沿拱轴均布作用的均布荷载（风荷载）

基本风压w0=0.35kN/m2

βs=1.0 μs=0.7 μz=1.1

风荷载设计值 P=1.4βzμsμzω0D2=0.47kN/m

1.2.3 温度变化：△t=30℃

1.3 规程规定的公式内力计算（CECS214：2006）

1.3.1 由沿拱轴的均布垂直荷载作用，在拱趾处产生的内力

拱管在全跨竖向荷载作用下拱脚内力系数表 表2

1.3.2 由温度变化在拱趾处产生的内力

拱管在温度作用下拱脚内力系数表 表3

拱管基本参数表1

1.3.3 沿拱轴侧向的水平均布风荷载作用下，在拱趾处产生的内力

拱管在侧向水平荷载作用下拱脚内力系数表 表4

1.3.4 沿拱管半跨作用均布活荷载作用下，左右拱趾处内力计算

①恒载作用下内力计算：计算同全跨竖向荷载，结果如下：

拱管在恒载作用下内力值 表5

②半跨活荷载作用下内力（此时半跨水重按活载考虑，取分项系数1.4）：

拱管在半跨水重作用下拱脚内力系数表 表6

③叠加后的总内力（见表7）

1.4 Midascivil建模分析拱管内力

1.4.1 模型及荷载

拱管共分分为100个单元，建模如图2所示。

1.4.2 由沿拱轴的均布垂直荷载作用，在拱趾处产生的内力

由图3 可见，H=994.3kN；R=699.8kN；M=11.8kN·m，其中H、R略小于1.3.1公式所算结果，M与1.3.1公式所计算结果相比较小。

图3 拱管在满跨均布荷载作用下拱趾处内力

1.4.3 由温度变化在拱趾处产生的内力

由图4可见，H=157.8kN;M=870.6kN·m,略小于1.3.2公式所算结果。

图4 拱管在温度作用下拱趾处内力

1.4.4 沿拱轴侧向的水平均布风荷载作用下，在拱趾处产生的内力

由图5可见，V=12.6kN；M=69.5kN·m，其中水平剪力与1.3.3公式计算所得基本相同，M值小于1.3.3公式所算结果。

拱管在半跨水重作用下的总内力表7

图5 拱管在水平均布风荷载作用拱趾处内力

图6 拱管在半跨活载作用下拱趾处内力

1.4.5 沿拱管半跨作用均布活荷载作用下，左右拱趾处内力计算

由图6 可见，H=681.2kN；RA=643.9kN；RB315.0kN；M=775.4kN·m,略小于1.3.4公式所算结果。

1.5 强度校核

根据规程CSCS214：2006，选择半跨活荷载作用下右支座为不利工况，进行强度校核。

1.5.1 纵向应力σx

1.5.2 环向拉应力σ0

1.5.3 剪应力

1.5.4 折算应力

1.6 稳定性验算

根据规程CSCS214：2006，选择半跨活荷载作用下右支座为不利工况，进行稳定验算。

1.6.1 计算系数

当量计算长度S0：

1.6.2 相对偏心距系数e1

1.6.3 拱管稳定性验算应力σ0

2 结论

综上所述，大直径拱管的公式计算与Midascivil建模所计算结果相比为偏安全，可在拱管的设计工程中作为计算依据。笔者依据现行的国家标准，对过河拱管的结构承载能力极限状态进行了详细阐述，供工程设计人员参考。