基于Midas的某過河大直徑拱管設計研究

李正健，于佳 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概況

1.1 簡要介紹

本工程為D1200污水管道施工，跨度50m過河拱管，如圖1所示，拱管矢跨比1/6，壁厚22mm，兩岸支墩下部采用樁基基礎，拱管具體參數見表1。

圖1 拱管立面布置圖

1.2 荷載計算

1.2.1 拱平面內沿拱軸均布的垂直荷載q：

附屬設施自重qt=0.5kN/m

永久作用設計值q1=1.2（qs+qt）+1.27qw=23.272kN/m

可變作用設計值q2=1.4qi=3.489kN/m

基本組合值q=q1+q2=26.761kN/m

1.2.2 垂直于拱平面沿拱軸均布作用的均布荷載（風荷載）

基本風壓w0=0.35kN/m2

βs=1.0 μs=0.7 μz=1.1

風荷載設計值 P=1.4βzμsμzω0D2=0.47kN/m

1.2.3 溫度變化：△t=30℃

1.3 規程規定的公式內力計算（CECS214：2006）

1.3.1 由沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱趾處產生的內力

拱管在全跨豎向荷載作用下拱腳內力系數表 表2

1.3.2 由溫度變化在拱趾處產生的內力

拱管在溫度作用下拱腳內力系數表 表3

拱管基本參數表1

1.3.3 沿拱軸側向的水平均布風荷載作用下，在拱趾處產生的內力

拱管在側向水平荷載作用下拱腳內力系數表 表4

1.3.4 沿拱管半跨作用均布活荷載作用下，左右拱趾處內力計算

①恒載作用下內力計算：計算同全跨豎向荷載，結果如下：

拱管在恒載作用下內力值 表5

②半跨活荷載作用下內力（此時半跨水重按活載考慮，取分項系數1.4）：

拱管在半跨水重作用下拱腳內力系數表 表6

③疊加后的總內力（見表7）

1.4 Midascivil建模分析拱管內力

1.4.1 模型及荷載

拱管共分分為100個單元，建模如圖2所示。

1.4.2 由沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱趾處產生的內力

由圖3 可見，H=994.3kN；R=699.8kN；M=11.8kN·m，其中H、R略小于1.3.1公式所算結果，M與1.3.1公式所計算結果相比較小。

圖3 拱管在滿跨均布荷載作用下拱趾處內力

1.4.3 由溫度變化在拱趾處產生的內力

由圖4可見，H=157.8kN;M=870.6kN·m,略小于1.3.2公式所算結果。

圖4 拱管在溫度作用下拱趾處內力

1.4.4 沿拱軸側向的水平均布風荷載作用下，在拱趾處產生的內力

由圖5可見，V=12.6kN；M=69.5kN·m，其中水平剪力與1.3.3公式計算所得基本相同，M值小于1.3.3公式所算結果。

拱管在半跨水重作用下的總內力表7

圖5 拱管在水平均布風荷載作用拱趾處內力

圖6 拱管在半跨活載作用下拱趾處內力

1.4.5 沿拱管半跨作用均布活荷載作用下，左右拱趾處內力計算

由圖6 可見，H=681.2kN；RA=643.9kN；RB315.0kN；M=775.4kN·m,略小于1.3.4公式所算結果。

1.5 強度校核

根據規程CSCS214：2006，選擇半跨活荷載作用下右支座為不利工況，進行強度校核。

1.5.1 縱向應力σx

1.5.2 環向拉應力σ0

1.5.3 剪應力

1.5.4 折算應力

1.6 穩定性驗算

根據規程CSCS214：2006，選擇半跨活荷載作用下右支座為不利工況，進行穩定驗算。

1.6.1 計算系數

當量計算長度S0：

1.6.2 相對偏心距系數e1

1.6.3 拱管穩定性驗算應力σ0

2 結論

綜上所述，大直徑拱管的公式計算與Midascivil建模所計算結果相比為偏安全，可在拱管的設計工程中作為計算依據。筆者依據現行的國家標準，對過河拱管的結構承載能力極限狀態進行了詳細闡述，供工程設計人員參考。