钢筋混凝土肋拱桥极限分析朱树人

　2012年10月内蒙古科技与经济Octo ber2012　第20期总第270期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.20T o tal N o.270钢筋混凝土肋拱桥极限分析

朱树人1,张　文2,贾舒阳2

(1.内蒙古集通铁路(集团)有限责任公司;2.内蒙古交通设计研究院有限责任公司,内蒙古呼和浩特　010000)

摘　要:结合某钢筋混凝土肋拱桥的极限分析实例,通过建立有限元分析模型,分析在各荷载组合作用下,拱圈的承载能力及应力分布情况,进而对该桥的承载能力进行评判,为此类桥型的设计和验算提供借鉴。

关键词:钢筋混凝土;肋拱桥;极限分析

中图分类号:U448.22 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)20—0069—02

拱桥具有跨越能力较大、耐久、养护维修费用少、外形美观等优点,同时也存在自重较大、施工困难、水平推力较大、建筑高度比梁式桥高等缺点。

与板拱桥相比,钢筋混凝土肋拱桥能较多地节省混凝土用量,减小拱体重量,相应地,桥墩、桥台的工程量也减少。同时随着恒载对拱肋内力的影响减小,活载影响相应增大,钢筋可以较好地承受拉应力,能够充分发挥建筑材料的作用,同时跨越能力也得到提升。

1　工程概况

乐山市某大桥于1997年9月组织修建,于2000年4月28日完工。桥梁总长为653.63m。桥跨布置从犍为向乐山方向:1×20m(预应力钢筋混凝土板简支梁)+3×100m(钢筋混凝土闭合箱型肋拱)+3×50m(钢筋混凝土实心矩形肋拱)+5×20m(预应力钢筋混凝土板简支梁)。桥跨结构分上下两幅,单幅桥面宽12.5m,横向布置为1.75m(人行道)+ 2.5 m(非机动车道)+ 1.0m(绿化带)+7.25m(机动车道)。设计荷载等级为:汽车-超20,挂-120,设计洪水频率1/300,地震烈度7度,按四级通航标准。桥面纵坡为1%,桥面2%人字横坡,在盖梁顶面形成。该桥单幅桥面横向布置见图1所示。

图1　单幅桥面横向布置

第三联为3×50m(钢筋混凝土实心矩形肋拱)为等截面钢筋混凝土实心矩形肋拱,拱肋宽1.0m,高1.4m。每跨拱上共8个排架,排架上纵置桥面板,桥面板跨径5.889m,每跨桥面由12块单板组成。主拱圈采用40号混凝土,拱座采用30号混凝土,桥面板、4#、5#墩身均采用20号卵石混凝土、墩帽均采用25号卵石混凝土,4#墩基础采用25号混凝土、5 #墩钻孔桩采用30号混凝土、承台采用25号混凝土。纵向钢筋采用II级钢筋。在墩上立柱桥面板处和两端设置伸缩缝。50m拱肋采用满堂支架现浇施工,其立柱及盖梁均按现浇施工。

2　计算方法及计算模型

桥跨结构分上下两幅,计算模型取单幅结构。50m跨钢筋混凝土肋拱桥模型考虑三跨50m拱连拱效应进行计算分析。单幅桥面横向宽度为1.75m (人行道)+ 2.5m(非机动车道)+2×3.5m(机动车道)+1.0m(绿化带);每跨拱上共8个排架,排架上纵置桥面板,桥面板计算跨5.89m,每跨桥面由11块单板组成,考虑8cm厚铺装参与结构受力,每块桥面板截面尺寸如图2所示。结构桩基础部分考虑5倍桩直径的长度。计算考虑桥面1.0%的纵坡。

图2　桥面单板截面尺寸(尺寸单位:cm)

验算工作采用专用平面程序“桥梁博士”进行,模型采用梁单元模拟,结构整体单元划分为468个单元。其中拱圈为162个单元(单元号为:27～188);桥面板为162个单元(单元号为:189～242,286～339,383～436);排架立柱为118个单元(单元号为: 243～285,340～382,437～468),其他为墩和桩基单元。计算按三个施工阶段进行,第1施工阶段:建立桩基、桥墩和主拱圈,施加横隔板自重,主拱为三铰拱结构;第2施工阶段:把拱圈结构转换为无铰拱,施加拱肋间系梁自重;第3施工阶段:建立立柱和桥面板,立柱系梁自重、盖梁自重;成桥后施加二期恒载、温度荷载和使用活载。施工阶段单元划分及计算模型见图3、图4、图5所示。

图3　第1施工阶段计算模型

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收稿日期:2012-08-14

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3　计算荷载参数

主要计算荷载参数为: 计算荷载等级:汽车-超20,挂-120,按2车道布置,人群荷载集度3.5kN /m 2,非机动车道2.5m 按人行道考虑。 本桥活荷载考虑按规范考虑2车道汽车荷载,人行道宽度取1.75+ 2.5m ;二期恒载取值:8.44kN /m ;整体温度效应考虑升温15℃,降温10℃。 承载能力验算荷载组合:承载能力极限状态组合I:汽车荷载+人群荷载+结构自重+二期恒载;组合II:汽车荷载+人群荷载+整体温度效应+结构自重+二期恒载;组合III:挂车荷载+结构自重+二期恒载。(组合系数按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JT J 023-85)取值)。 正常使用极限状态验算荷载组合。I :汽车荷载+人群荷载+结构自重+二期恒载;组合II :汽车荷载+人群荷载+整体温度效应+结构自重+二期恒载;组合III :挂车荷载+结构自重+二期恒载。(组合系数按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JT J 023-85)取值)。4　承载能力极限状态验算结果

在各荷载组合作用下,拱圈各节点截面轴力最大、最小和弯矩最大、最小时R/Nj 值分布见图6、图7、图8,其中Nj 为节点所需承担的轴力,R 为截面抗

力。

图6　组合I

下拱圈承载能力极限状态验算结果

从图中可以看出主拱圈的安全储备最小为1.3,均大于1,满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JT J 023-85)要求。5　正常使用极限状态验算结果5.1　应力验算结果

经计算,50m 跨主拱圈在荷载组合I 作用下拱脚最大拉应力为0.846M Pa,拉应力出现在拱脚1m 范围内;在荷载组合II 作用下拱脚最大拉应力为2.74M Pa ,拉应力出现在拱脚1m 范围内,拉应力出现在拱脚1m 范围内;在荷载组合III 作用下拱脚最大拉应力为0.467M Pa,拉应力出现在拱脚1m 范围内。

5.2　挠度验算结果

钢筋混凝土桥在计算活载作用下(不计冲击)的上部构造最大竖向挠度允许值:主拱圈为L /800=5000/800= 6.25cm 。经计算,主拱圈正负挠度的最大绝对值之和出现在第3跨1/2拱圈附近位置,正负挠度的最大绝对值之和为2.116cm,小于6.25cm,满足要求。6　结论

该桥主桥50m 跨主拱圈的承载能力满足设计荷载汽车-超20,挂-120的等级要求;鉴于该桥设计荷载水平较低,建议对该桥进行长期监测,及时发现及修复破损处,实时观察该桥挠度变化情况,以确保行车安全。

[参考文献]

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