輸水干渠雙層復(fù)合框架橋承載能力有限元分析

郭 鵬

輸水干渠雙層復(fù)合框架橋承載能力有限元分析

郭 鵬

（新賓縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113200）

結(jié)合撫順市新賓縣雙層復(fù)合框架橋工程，利用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。選取橋梁單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體式建模，對承載能力極限狀態(tài)工況進(jìn)行復(fù)核計算，提取內(nèi)力計算結(jié)果，將計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際配筋對比分析，得到結(jié)構(gòu)各部位安全狀況，為輸水干渠雙層復(fù)合框架橋的推廣提供理論指導(dǎo)。

復(fù)合框架橋；承載能力；有限元；復(fù)核計算

為解決資源分配和用水均衡等問題，國家大興水利建設(shè)，通過跨流域調(diào)水，將其他地區(qū)充沛的水量利用人工渠道輸?shù)饺彼某鞘校?］，以實現(xiàn)全局水資源的重新分配，優(yōu)化水資源配置，解決地區(qū)的生活及農(nóng)業(yè)用水，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。橋梁是樞紐性建筑物，在城市建設(shè)和水利工程中占據(jù)重要地位，框架橋在水利工程中作為一種新型結(jié)構(gòu)［2］，具有斷面形式靈巧、結(jié)構(gòu)形式簡單、抗震性能好，施工方便等特點。跨渠建筑物在渠道工程中占據(jù)重要地位，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接影響工程效益的正常發(fā)揮。作為一種新型結(jié)構(gòu)，框架橋利用率較高，既能作為過水通道也可以承擔(dān)運輸功能，具有抗變形能力強、結(jié)構(gòu)整體性好等優(yōu)點。

水利建筑物的地質(zhì)條件都比較復(fù)雜，框架橋的結(jié)構(gòu)和受力狀況也很繁瑣，對輸水干渠雙層復(fù)合框架橋承載能力的研究較少［3］，本文結(jié)合撫順市新賓縣雙層復(fù)合框架橋工程，通過假定邊界條件和定義計算原則，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值建模來輔助計算［4］，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。選取橋梁單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體式建模，對承載能力極限狀態(tài)工況進(jìn)行復(fù)核計算，提取內(nèi)力計算結(jié)果，將計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際配筋對比分析，得到結(jié)構(gòu)各部位安全狀況，對輸水干渠雙層復(fù)合框架橋的實際推廣和應(yīng)用具有重要意義。

1 工程地質(zhì)勘查

1.1 工程背景

撫順市新賓縣復(fù)合框架橋工程采用鋼筋混凝土雙層框架橋跨越干渠，上部有鐵路。設(shè)計采用分離式雙層結(jié)構(gòu)，下層結(jié)構(gòu)采用分離式框架橋，上層結(jié)構(gòu)為框架式格構(gòu)梁結(jié)構(gòu)，利用自密實混凝土對上下層間進(jìn)行聯(lián)接。總干渠設(shè)計流量為280m3/s，加大流量為 320m3/s，設(shè)計水位 105.6m，加大水位108.7m。渠底寬20m，該框架橋工程設(shè)計水頭0.0231m， 縱向比降1∶3742。 內(nèi)水一級邊坡1∶2.25，二級邊坡為1∶2.25，框架橋的方涵平面布置圖，如圖1所示。

圖1 框架橋的方涵平面布置圖

1.2 地層巖性

工程場區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、中更新統(tǒng)坡洪積層和石炭系泥巖、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組灰?guī)r，巖性主要為卵石、重粉質(zhì)壤土和灰?guī)r，上部覆蓋層具粘礫多層結(jié)構(gòu)特征。

1.3 工況類型

框架橋工程下層結(jié)構(gòu)采用分離式框架橋作為渠道過水通道，上層結(jié)構(gòu)為連續(xù)框架式格構(gòu)梁，過水涵洞承受的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、上層框架自重、火車荷載及軌道自重、側(cè)向土壓力、涵洞加大水深、地震等。本文對以下兩種工況進(jìn)行研究，工況1為涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力+火車荷載；工況2為涵洞自重+上部框架、軌道荷載+側(cè)向土壓力+渠道加大水深+火車荷載。

2 有限元分析計算

2.1 計算方法

本次復(fù)核采用有限元軟件ANSYS建模計算［5］，工程分為上下兩層結(jié)構(gòu)，且上下層結(jié)構(gòu)為分離式，模型取下層過水?dāng)嗝鏅M向三孔框架進(jìn)行計算。三孔框架之間設(shè)置接觸單元，上層三孔框架結(jié)構(gòu)及軌道荷載折算為均布荷載施加到下層涵洞頂板頂面，側(cè)向土壓力直接施加到邊孔邊墻外側(cè)。

2.2 模型建立

模型網(wǎng)格劃分采用映射劃分方式，設(shè)定每條邊線的劃分單元份數(shù)來控制單元大小，橫截面網(wǎng)格尺寸控制在0.2～0.3m之間。過水涵洞橫向長15.4m，劃分60份，邊墻高度為13.5m，劃分60份。模型沿水流方向取1m寬度建立，參數(shù)按底板所處土層物理性質(zhì)選取。邊墻外側(cè)受土體橫向主動土壓力，直接作用在邊墻單元節(jié)點上。單元劃分情況如圖2所示。

圖2 單元劃分模型

3 有效配筋情況下結(jié)構(gòu)承載能力驗算

3.1 計算結(jié)果

從云圖結(jié)果來看，各工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律基本一致，內(nèi)力大小根據(jù)工況而不同。總體來看，頂?shù)装逋鈧?cè)及邊縫墻外側(cè)彎矩由工況1控制，箱涵底板內(nèi)側(cè)內(nèi)力由工況2控制。工況1和工況2在極限承載力極限狀態(tài)內(nèi)力云圖，如圖3、圖4所示。

兩種工況承載能力極限狀態(tài)下中孔的各部位內(nèi)力結(jié)果，見表1。

圖3 工況1承載能力極限狀態(tài)

圖4 工況2承載能力極限狀態(tài)

表1 承載能力極限狀態(tài)下中孔內(nèi)力表

3.2 斜截面受剪承載力驗算

頂?shù)装灏词軓潣?gòu)件考慮時，根據(jù)現(xiàn)有配筋情況，頂、底板斜截面受剪承載力的驗算可按下列公式進(jìn)行計算。

式中，V—構(gòu)件斜截面上的剪力設(shè)計值，MPa；ft—混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，MPa；fy—鋼筋抗拉強度設(shè)計值，MPa；fyv—箍筋抗拉強度設(shè)計值，MPa。

斜截面承載力驗算成果，見表2。

表2 頂板斜截面承載力驗算

通過對頂板及豎墻的斜截面受剪承載力驗算，可知各孔均能滿足斜截面受剪承載力要求。

3.3 頂板承載力驗算

根據(jù)現(xiàn)有配筋中的最不利少筋情況，對各孔頂、底板進(jìn)行彎矩設(shè)計值的反算，采用承載力復(fù)核計算公式如下所示。

式中，M—最大彎矩設(shè)計值，N·m；K—承載力安全系數(shù)；fc—混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，MPa；b—矩形截面寬度，m；h0—截面有效高度，m；ξ—相對受壓區(qū)計算高度，m，αs—截面抵抗系數(shù)。

結(jié)合數(shù)值分析計算所提供的內(nèi)力，對頂、底板在現(xiàn)有配筋下的承載力進(jìn)行了分析，具體成果，見表3。

表3 頂板承載力反算

對反算的結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，頂板承載力復(fù)核時，現(xiàn)有配筋情況基本不能滿足承載力要求。

3.4 豎墻承載力驗算

各孔豎墻按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行承載力的反算，對于同樣的材料、同樣的截面尺寸與配筋的偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)軸向力的偏心距 e0不同時，將會得到不同的破壞軸向力 Nu。偏心受壓構(gòu)件基本計算公式如下所示。

式中，N—軸向壓力設(shè)計值，N；x—混凝土受壓計算高度，m；e0—軸向壓力對截面重心的偏心距；η—偏心距增大系數(shù)。

左墻承載力安全區(qū)限值見表4。

表4 左墻承載力安全區(qū)限值

根據(jù)表4可知，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力反算時，現(xiàn)有配筋情況邊墻及縫墻外側(cè)均不能滿足承載能力要求。

4 過水方涵加固方案設(shè)計

4.1 加固方案

工程框架橋背水面無法加固邊界條件，采用增大截面加固法，由于工程底板、頂板、豎墻背水面均不具備施工條件，只有在底板、頂板、豎墻迎水面通過增加截面，使構(gòu)件背水面計算所需的配筋量減少，以滿足背水面在目前缺筋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的承載力和限裂滿足設(shè)計規(guī)范要求，根據(jù)構(gòu)件各部位最不利缺筋位置和工況，確定各部位增加截面尺寸和迎水面新增鋼筋數(shù)量［6-7］。

4.2 加固邊界條件

過水方涵加固處理設(shè)計邊界條件如下［8］：（1）過水方涵混凝土強度為38.0MPa，加固混凝土采用C40；（2）過水方涵背水面鋼筋保護(hù)層，頂板和底板背水面采用10cm，豎墻背水面5.7cm，加固之后鋼筋保護(hù)層，頂板、底板和豎墻迎水面均采用4.6cm；（3）過水方涵接頭按照失效計算；（4）設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)：采用承載能力和正常使用極限狀態(tài)對截面進(jìn)行驗算，承載力安全系數(shù)1.35，荷載分項系數(shù)1.2，自重分項系數(shù)為1.05，結(jié)構(gòu)裂縫寬度容許值為0.35mm。

4.3 過水方涵頂板加固處理方案

過水方涵單孔凈高為11.7m，頂板迎水面加固空間為2.68m。頂板迎水面采用增大截面法，考慮新老混凝土結(jié)合、施工質(zhì)量難易程度、質(zhì)量檢查、加固空間等因素綜合確定增大斷面加固型式，為保證頂板加固混凝土澆筑質(zhì)量和新老混凝土結(jié)合易控制檢查，采用增加頂撐梁形成T梁。

4.4 計算成果

結(jié)構(gòu)內(nèi)力采用結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計算。（1）底板加固設(shè)計：底板加厚0.25m，其厚度由1.6m增至1.85m；（2）頂板加固設(shè)計：增加頂撐梁形成T梁，腹板寬度1.5m，間距為2m，高度為0.8m；（3）縫墻加固設(shè)計：中孔和邊孔的縫墻加厚0.45m，其厚度由1.4m增至 1.85m；（4）邊墻加固設(shè)計：邊孔邊墻加厚0.5m，其厚度由1.4m增至1.9m；下層框架橋加固處理后計算成果經(jīng)復(fù)核計算均可以滿足承載能力計算和限裂寬度驗算。

5 結(jié)語

利用有限元對該鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行安全復(fù)核計算。對其在極限承載能力狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)力分析，確定最不利工況下的結(jié)構(gòu)所需配筋量，并與現(xiàn)狀配筋進(jìn)行對比，最后根據(jù)計算結(jié)果提出相應(yīng)的加固方案：（1）根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，箱涵底板內(nèi)側(cè)內(nèi)力由工況2控制，頂?shù)装逋鈧?cè)及邊縫墻外側(cè)彎矩由工況1控制。與結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀配筋情況的對比結(jié)果表明，除各孔頂?shù)装逋鈧?cè)及邊孔邊墻內(nèi)側(cè)配筋滿足承載力要求外，其余部位均不滿足，需對其進(jìn)行加固處理。（2）根據(jù)現(xiàn)狀配筋和計算結(jié)果的對比分析，并考慮工程運行現(xiàn)況，經(jīng)過方案論證，確定增大截面法方案對過水方涵進(jìn)行補強加固處理。計算結(jié)果表明：加固后該輸水干渠雙層復(fù)合框架橋可以滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。

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1008-1305（2017）05-0106-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.033

2017-02-11

郭 鵬（1980年—），男，高級工程師。