淺談采用midas civil進(jìn)行上承式拱橋設(shè)計(jì)思路及適用方法

安 勇

(貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司)

1 工程概況

灑金谷大橋位于貴州福泉市疊翠路K0 +758.46～K0 +910.54 處，橫跨灑金谷，是該道路上的關(guān)鍵性工程，橋面至常水位約64 m，橋面高程不受洪水位影響。橋梁主孔為凈跨1～90 m 的等截面現(xiàn)澆鋼筋混凝土無鉸箱形拱，矢跨比拱軸線為等截面懸鏈線，拱軸系數(shù)m =1.756，計(jì)算跨徑L =91.129 m，計(jì)算矢高f=18.214 m，拱圈截面高度1.7 m，拱上為鋼筋混凝土柱式排架，腹孔采用12×8 m 的預(yù)制鋼筋混凝土空心板板，板高0.45 m。設(shè)計(jì)汽車荷載:城－A 級(jí);人群荷載:3.5 kPa。單幅橋?qū)?凈11 m(車行道)+2.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+5 m(人行道)，橋面全寬19.0 m，主拱圈寬15.9 m。

2 拱軸系數(shù)m 的確定

確定拱軸系數(shù)m，先統(tǒng)計(jì)出拱圈所承受的恒載大小，根據(jù)主拱圈與拱上立柱的關(guān)系離散結(jié)構(gòu)，并確定試算m 值的范圍，建立有限元分析模型。設(shè)計(jì)時(shí)，該橋m 值的試算范圍為1.543～2.240。

(1)只考慮恒載作用，拱圈各拱軸系數(shù)對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)偏心距e 值:

表1 不考慮收縮徐變下主拱圈特征點(diǎn)偏心距

(2)考慮恒載與混凝土收縮、徐變作用，拱圈各拱軸系數(shù)對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)偏心距e 值:

通常，在求拱圈最優(yōu)拱軸線時(shí)，設(shè)計(jì)只考慮自重、拱上結(jié)構(gòu)恒載(自重、二期)等，并未考慮混凝土的收縮、徐變作用。但對(duì)主拱圈而言，混凝土收縮、徐變所占比重并不小，且永久存在。所以確定拱軸系數(shù)m 值，應(yīng)考慮主拱圈混凝土的收縮、徐變效應(yīng)。

表2 考慮收縮徐變下主拱圈特征點(diǎn)偏心距

綜合對(duì)比上述兩組計(jì)算結(jié)果，可以看出當(dāng)m=1.543 時(shí)，拱腳的偏心距較大，而當(dāng)m=2.240 時(shí)，拱頂偏心距較大。而m 為1.756 與1.988 時(shí)，拱圈各點(diǎn)偏心距較為均勻，考慮到活載在拱頂為正彎矩控制，最終設(shè)計(jì)在確定拱軸系數(shù)m 時(shí)，在考慮了混凝土收縮、徐變的影響后，選定拱軸系數(shù)m=1.756。

3 計(jì)算活載增大系數(shù)(汽車荷載橫向不均勻系數(shù))

現(xiàn)行《公預(yù)規(guī)》4.3.3 條規(guī)定，拱上建筑為立柱排架式墩的板拱(包括雙曲板拱、箱形截面板拱)，應(yīng)考慮活載的橫向不均勻分布。《公圬規(guī)》5.1.3 條，拱橋應(yīng)考慮活載的橫向不均勻分布。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常給車道荷載考慮1.15(經(jīng)驗(yàn)系數(shù))的不均勻增大系數(shù)。但是隨著城市橋梁寬度越做越大，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)已不能真實(shí)反映出汽車荷載在橋梁上的不均勻分布。下面以本橋?yàn)槔谩稑蛄涸O(shè)計(jì)與計(jì)算》給出的方法求活載增大系數(shù)，并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較。

(1)主拱圈截面特性

Ix=4.962 m4，Iy=270.6 m4，It=16.88 m4，E =3.25 ×107kN/m2

按裸拱計(jì)算，把拱圈分成48 份，在跨中節(jié)點(diǎn)25 處作用一個(gè)單位力=1 kN，用橋梁博士軟件計(jì)算得拱頂撓度=2.12 ×10－6m。

(3)曲線梁的等代

圓心角:

φ0=1.521rad

曲率半徑:

(5)活載橫向不均勻系數(shù)ξ

兩車道對(duì)主拱偏心e =4.5 m，外側(cè)腹板中心距b =15.05 m 有:

根據(jù)《通規(guī)》表4.3.1－4，考慮三車道的橫向折減系數(shù)0.78 后，三車道汽車荷載系數(shù)為3.6。而若按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.15 計(jì)算，三車道的汽車荷載系數(shù)為0.78 ×(3 ×1.15)=2.69。

4 結(jié)合規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

Midas civil 的后處理并不支持單箱多室箱形受壓截面的驗(yàn)算，若需要用civil 進(jìn)行后處理驗(yàn)算，則首先要將拱圈的實(shí)際截面按照?qǐng)D1 所示單箱單室形式進(jìn)行等待處理。截面等代處理的原則為

(1)截面的腹板總厚度不變;

(2)截面的頂?shù)装搴穸炔蛔?

(3)截面的其他各項(xiàng)參數(shù)不變(詳表3)。

圖1 等代后的截面(尺寸單位:cm)

將拱圈實(shí)際截面按照?qǐng)D1 等代處理后，程序能識(shí)別并進(jìn)行后處理工作，但截面各參數(shù)與實(shí)際截面有一定的偏差，須用“截面特性值調(diào)整系數(shù)”功能予以修正，以保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確。

表3 截面特性及調(diào)整系數(shù)

將截面的各項(xiàng)特性調(diào)整系數(shù)以初始邊界條件的方式，賦予整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，能準(zhǔn)確地完成單箱多室箱形拱橋的主拱圈結(jié)構(gòu)檢算工作。本橋按照上述設(shè)計(jì)流程，已完成橋梁的設(shè)計(jì)、出圖工作，施工圖也已通過各級(jí)審查，目前該橋的施工正有序進(jìn)行。

5 結(jié) 論

由于鋼筋混凝土箱形拱橋采用箱形斷面，截面配筋基本一致，故主拱圈拱軸系數(shù)的選定，宜采用拱圈各特征點(diǎn)在恒載作用下且考慮收縮、徐變效應(yīng)作用的偏心距e 值是否均勻來確定。上承式拱橋，因通常情況下橋面板較主拱圈要寬，尤其是人行道較寬或車道數(shù)多的上承式拱橋，應(yīng)考慮汽車荷載活載橫向不均勻造成的“活載增大系數(shù)”，若直接按照經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算，則橋梁的設(shè)計(jì)活載可能偏小，橋梁結(jié)構(gòu)可能不安全。另外，靈活利用Midas civil，可以對(duì)單箱多室的箱形受壓截面進(jìn)行后處理工作，大大節(jié)省設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間，提高工作效率。

［1］公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62－2004)［S］.

［2］公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D61－2005)［S］.

［3］公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTG D60－2004)［S］.