采用MIDAS Civil軟件對大跨拱式管橋的結構設計

王 鵬，雷 盼，程明偉，萬 寧

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

某工程倒虹管總長L=512 m(含進、出口段)，設計流量為28.00 m3/s，加大流量為30.34 m3/s。倒虹管采用2根直徑2.9 m管道過水，均采用地埋式壓力鋼管。倒虹管跨越洪家渡庫區，跨河段采用上承式混凝土拱跨越，跨河布置為13.5 m簡支梁+108 m鋼筋混凝土拱+13.5 m簡支梁，具體布置如圖1所示。

圖1 管橋縱斷面布置圖(單位：mm)

2 管橋的結構設計與計算

2.1 結構設計

主拱為懸鏈線無鉸拱，凈跨108 m，矢高27 m，矢跨比1/4，拱軸系數1.756。主拱采用鋼拱架現澆工藝施工，拱箱為C50混凝土箱型拱，拱箱寬6.5 m，高2.2 m，頂底板厚30 cm，腹板厚30 cm。拱箱內設有橫隔板，厚度為25 cm，橫隔板設置在排架下方，兩幅排架中間也設置一道橫隔板。拱上設置C30混凝土排架，排架立柱為2根，拱上排架間距為9 m，高度3.3～24 m不等，排架柱截面采用矩形等截面，截面尺寸根據高度調整，排架設有橫系梁。

為減輕主拱上部荷載，考慮鋼管有一定的縱向剛度，鋼管采用支墩直接支撐于排架墩帽上，這也是本工程設計的主要特點。鋼管兩側設有檢修通道。主拱斷面見圖2。

圖2 主拱橫斷面圖(單位：mm)

2.2 荷載組合

根據《midas Civil在橋梁結構分析中的應用》，主拱采用通用有限元程序MIDAS Civil進行總體計算[1]。模型邊界為拱腳固結，模型圖如圖3所示。拱上建筑恒載、水荷載均以集中力的形式作用于排架節點。主拱計算包括主拱施工階段與成橋階段的強度、應力、位移等驗算。

圖3 管橋拱圈三維模型

主要計算荷載參數取值：(1)恒載：主拱圈、拱上建筑等。主拱圈及拱上建筑混凝土重力密度為26 kN/m3。(2)水荷載：123 kN/m。(3)溫度荷載：設計合龍溫度10～15 ℃,計算體系整體溫升取24 ℃,體系整體溫降取21 ℃。

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)相關要求，管橋水工建筑物等級為2級，承載力安全系數K取1.2[2]。對不同工況及荷載作用考慮不同的荷載分項系數。

工況一：滿水運行工況荷載組合，取1.05×主拱及上部結構恒載+1.05×水荷載+1.2×人群荷載+1.2×溫升。

工況二：空管運行工況荷載組合，取1.05×主拱及上部結構恒載 +1.2×人群荷載+1.2×溫降+收縮徐變。

2.3 計算分析

2.3.1 持久狀況承載能力使用極限狀態驗算

根據計算，管橋主拱在計算工況下均為偏心受壓構件，構件計算長度為0.36S(S為拱軸線長度)，驗算拱腳、拱頂等截面的偏心受壓承載力是否滿足規范要求。驗算列表如表1所示。

表1 偏心受壓承載力成果表

經驗算，各工況下，拱腳、拱頂等截面的偏心受壓承載力安全系數均大于1.2，滿足規范要求。

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)[3]，需進行斜截面抗剪承載力驗算。

根據計算，各工況下主拱截面最大剪力為2548 kN，出現在工況一拱腳排架處截面。

受剪截面KV=3057 kN>0.25fcbh0=11 029 kN，受剪截面滿足規范要求。

斜截面抗剪承載能力KV=3057 kN

2.3.2 持久狀況正常使用極限狀態計算

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)，對于鋼筋混凝土構件需進行正常使用極限狀態下的裂縫寬度驗算，對于e0/h0≤0.55的偏心受壓構件可不進行裂縫計算。經驗算各工況下均滿足上述條款，按照規范不做裂縫驗算[2]。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)[3]第6.5的規定，對于預應力混凝土受彎構件，需進行正常使用極限狀態下的撓度驗算。根據MIDAS Civil計算結果可知，恒載作用下，拱頂最大位移為21 mm，水荷載作用下，拱頂最大位移為9 mm，合計30 mm

2.4.3 持久狀態應力驗算

經計算，使用階段主拱正截面無拉應力出現，上緣最大壓應力為11.4 MPa，下緣最大壓應力為9.8 MPa，均<0.5fck。

3 結 論

管橋布置合理，跨河主拱承載力滿足規范要求，充分發揮了拱橋混凝土的抗壓性能，主拱使用階段主拱正截面全斷面受壓，無拉應力出現，無受力裂縫，水荷載作用下，拱頂最大位移為9 mm，能滿足鋼管過水運行要求。該跨河主拱的設計也為類似工程提供了借鑒。

[1] 劉美蘭．Midas Civil在橋梁結構分析中的應用[M]．北京：人民交通出版社，2012.

[2] 中華人民共和國水利部．水工混凝土結構設計規范：SL 191—2008[S]．北京：中國水利水電出版社，2015.

[3] 中華人民共和國交通部．公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范:JTG/D 62—2004[S]．北京：人民交通出版社，2004.