基于Midas／Civil的钢筋砼桁架拱桥设计

基于Midas／Civil的钢筋砼桁架拱桥设计

【摘要】本文以中山市火炬开发区濠头涌人行便桥改建工程为工程背景，运用有限元软件Midas/Civil建立模型，进行施工各阶段分析及截面验算，为结构设计提供理论依据。

【关键词】Midas/Civil;桥型设计;结构分析;内力验算

1工程背景

拟建桥梁位于中山市火炬开发区濠四村下街附近，跨越濠头涌。现状既有一座1x20m上承式钢桁架人行拱桥，由于雨水的侵蚀以及年久失修，导致桥梁钢结构锈蚀严重，存在极大的安全隐患。为了满足居民的正常出行，根据建设方及地方要求，结合当地道路、排水规划，对旧桥进行拆除重建。新建相同跨径，全宽3.5m的人行便桥。

2桥型设计

基于现场地形条件，同时为了兼顾桥下小渔船的通行要求，新建桥梁拟设计与原桥型一致的上承式桁架拱桥。

根据施工工艺及后期需求，并结合建设方要求，拟定方案：拆除旧桥，在原桥位新建一座上承式钢筋砼桁架拱桥方案。形式采用一跨20m上承式钢筋砼桁架拱，矢跨比1/6.7。桥面宽3.5m，不设横坡，两侧设置不锈钢护栏。桥面板为8cm厚C35钢筋砼桥面板，桥面拉毛沟槽处理。

设计桥型具有结构造价相对较低，后期养护简单等优点;但工期较长，施工期间对居民出行影响较大，需做好施工过程中的交通组织。

图1火炬开发区濠头涌人行便桥立面图

3结构设计

3.1结构形式

上部构造主拱肋轴线采用二次抛物线，计算跨径L=19.63m，计算矢高f=2.89m，计算矢跨比D=1/6.7。拱片横桥向共2片，间距2.0m。拱肋由中部实腹段与两边等截面上下拱圈形成。桥址处地质勘探揭示表层2.7m为素填土，第二层为淤泥质土层，厚约22.5m，第三层为砂质黏性土层，厚约14.8m，以下为全风化花岗岩层、强风化花岗岩层、中风化花岗岩层。采用组合式桥台，桩基础。

3.2永久作用

（1）结构重力：一期恒载混凝土容重为26.0kN/m?，按实际断面计重量，横撑按集中荷载考虑;二期恒载包括桥面铺装层厚度取8cm，作用在人行桥栏杆上的竖向荷载为1.31kN/m，管道重量4kN/m。将桥面铺装当作二期恒载。

（2）混凝土收缩及徐变作用：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）取值。

3.3可变作用

人群荷载：根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69-95第3.1.3条：W=5*（20-B）/20=5*（20-1.6）/20=4.6KPa;（3）冲击系数：按《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004取值;（4）风荷载：按《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004取值。（5）温度：混凝土整体升温20℃、降温20℃;（6）梯度温度：桥面铺装为8cm的水泥砼铺装层，竖向日照正温差按照《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004差值计算。

4建模要点

运用Midas/Civil2012软件，对结构进行有限元分析计算。建立单片拱片、桩基有限元模型。利用土弹簧模拟桩-土之间的相互作用，以近可能真实的模拟桩基础。拱片、桩基模型如：图2、图3所示：

图2拱片模型图3下部模型

5拱片内力计算及承载能力验算

5.1支座反力

经内力分析得：Fx=340kN，Fy1=172.6kN，Fy2=34.8kN，My=58.5kN·m （clcb2），见图4。

图4支座反力

5.2跨中正截面承载能力验算

经内力分析得：跨中最大弯矩M?=108.7kN·m（clcb4），见图5。

图5跨中最大弯矩（clcb4）

计算混凝土受压区高度：由γ0Md≤fcdbx（h0-x/2），108.7×106≤16.1×250x?（550-x/2）

得：x=51.5mm，故受拉钢筋截面面积：As=fcdbx/fsd=16.1×250×51.5/330=628.2mm2

用6Φ25），故满足设计要求。

5.3跨中持久状况正常使用极限状态计算

开裂截面受拉钢筋应力σss=Ms/0.87Ash0=108.7×106/（0.87×2945×550）=77.13MPa，截面配筋率ρ=As/bh0=2945/（250×550）=0.02，特征裂缝宽度Wfk=C1C2C3σss（（30+d）/（0.28+10ρ））/Es=1×1.5×1×77.13×（（30+25）/（0.28+10×0.02））/2.0×105=0.066mm，计算裂缝宽度小于允许值0.2mm，满足规范要求。

5.4根部正截面承载能力验算

经内力分析得：跨中最大弯矩M2=58.5kN·m（clcb2），见图6。

图6根部最大弯矩（clcb2）计算混凝土受压区高度：由γ0Md≤fcdbx（h0-x/2），58.5×106≤16.1×250x?（350-x/2）

得：x=44.3mm，故受拉钢筋截面面积：As=fcdbx/fsd=16.1×250×44.3/330=540.3mm2

5.5根部持久状况正常使用极限状态计算

开裂截面受拉钢筋应力σss=Ms/0.87Ash0=58.5×106/（0.87×1473×350）=130.43MPa，截面配筋率ρ=As/bh0=1473/（250×350）=0.017，特征裂缝宽度Wfk=C1C2C3σss（（30+d）/（0.28+10ρ））/Es=1×1.5×1×130.43×（（30+25）/（0.28+10×0.017））/2.0×105=0.012mm，计算裂缝宽度小于允许值0.2mm，满足规范要求。

6桩基内力计算

6.1桩基竖向力、弯矩

经内力分析得：Fz=1081.8kN，My=-480kN·m，见图7、图8。

图7桩基竖向力图8桩基弯矩

6.2桩长计算

由《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007中5.3.3条，摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值：

经试算桩长=26m时（穿过淤泥层进入粘土层3m），钻孔灌注桩的承载力容许值[Ra]=960.943kN