空腹式混凝土板拱桥结构力学计算及模拟分析

2022-09-14谢丹张国强惠小磊

交通世界 2022年23期

谢丹，张国强，惠小磊

（1.陕西西公院工程试验检测有限公司，陕西西安 710065；2.西安公路研究院有限公司，陕西西安 710065；3.陕西交控市政路桥集团有限公司，陕西西安 710065）

1 桥梁基本情况

校园景观拱桥是修建在校园内部的拱形桥梁，除了实现基本交通功能外，还具备彰显文化、提升景观的功能。某校园景观拱桥净跨径为40m，桥面宽度为11m，结构形式为等截面圆弧空腹式混凝土板拱桥，主拱圈厚度为0.8m，拱上立柱宽0.8m，人群荷载为3.5kN/m2，雪荷载设计年限为1/50，雪荷载标准值为0.9kN/m2，体系升温为+27℃，体系降温为-30℃，地震峰值加速度为0.2g（抗震设防烈度为Ⅷ），场地类别为Ⅱ类，反应谱特征周期为0.4s。全桥主要材料性能参数如表1所示。

表1 全桥主要材料性能表

2 力学计算及模拟

2.1 荷载工况

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的规定[1]，主要考虑表2所示的5种荷载组合。

表2 荷载组合工况

2.2 主拱圈结构验算

本次验算取主拱圈拱顶截面、3L/8处截面、L/4处截面、拱脚截面为验算截面。主拱圈为矩形板拱，拱上建筑采用墙式墩且人群荷载横向布置未超过拱圈，故计算时考虑人群荷载均布于拱圈全宽[2]。其离散模型如图1所示。

图1 离散模型图

2.2.1 主拱圈截面抗弯承载力验算

按最不利组合对拱圈截面抗弯强度进行验算，不同工况下，拱顶、3L/8、L/4位置处验算结果如图2所示。

图2 荷载效应最不利组合抗弯承载能力

2.2.2 主拱圈截面“强度-稳定”验算

受压偏心距在限值范围内的承载力按式（1）计算。受压偏心距超过限值的承载力按式（2）计算。

式（1）~式（2）中：γ0为结构重要性系数；Nd为轴向力设计值；φ为影响系数；A为构件截面面积；fcd为混凝土轴心抗压设计值；ftmd为构件受拉边层的弯曲抗拉强度设计值；e为单向偏心时，轴向力偏心距；W为弹性截面弹性抵抗矩。

根据式（1）、式（2）计算可得，不同工况下，拱顶、3L/8、L/4、拱脚位置处主拱圈截面“强度-稳定”验算结果如图3所示。

由图2、图3可知，主拱圈截面抗弯强度及“强度-稳定”验算结果均满足规范要求。

2.2.3 主拱圈抗裂验算

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[3]，钢筋混凝土构件最大裂缝宽度限值为0.20mm。主拱圈截面在最不利荷载组合（工况4）下，抗裂验算结果如图4所示。

图3 主拱圈截面“强度-稳定”验算结果

图4 主拱圈截面裂缝宽度验算结果（工况4）

由图4可知，主拱圈截面裂缝最大宽度为0.119mm，小于规范限值0.20mm，满足规范要求。

2.3 桥面板验算

桥梁构件的承载力极限状态验算结果应满足γ0S≤R，其中：S为作用效应的组合设计值；R为构件承载力设计值；γ0为桥梁结构的重要性系数[4]，本桥取1.1。最不利荷载组合（工况4）下的计算结果显示：桥面板承载力验算满足规范要求；桥面板截面裂缝最大宽度为0.108mm，小于规范限值0.20mm，满足规范要求。

拱桥应按作用短期效应组合，在一个桥跨范围内正负挠度的绝对值之和的最大值不应大于计算跨径的1/1000。由前文计算可得，一个桥跨范围内的正负挠度的绝对值之和的最大值为39.4mm，小于40mm，满足规范要求。