某三拱肋混凝土拱桥成桥状态静力分析.pdf

安徽建筑 2 0 1 2年第 4期 ( 总 1 8 5期 ) 三拱肋混凝土拱桥成桥状态静力分析 S t a t i c An a l y s i s o f F i n i s h e d De a d S t a t e f o r a Ar c h Br i d g e wi t h T h r e e Ar c h Ri b s 沈杰 ， 叶志诚 ， 施一春 饴 肥工业大学土木与水利工程学院 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 摘 要 ：以某三拱肋混凝土拱桥为实例 ，采用空间有限元分析程序 MI D A S ／ C I V I L建立三拱肋拱桥有限元计算模型， 分析拱肋、 系杆粱等 主要构件 的受力与 变形性 能。计算结果表 明： 拱桥各 构件 的受 力与变 形基 本关 于跨 中对称 ， 两侧 边拱肋基 本关 于 中跨拱肋 对称 ， 但是 中间 拱肋 的变形明显要 大于边拱 肋； 拱 肋、 系梁 总体 处于受压状态 ； 全桥 以 竖 向位移 为主 ， 最 大竖向位 移发 生在拱顶 ， 系梁竖向位移较 小。 关键词 ： 三拱肋拱桥； 有限元法； 静力分析 中图分类号 ： U 4 4 8 ． 2 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 7 — 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 1 2 5 — 0 2 0 前言 三拱肋系杆拱桥技术含量比二拱肋高， 受力复杂 ， 施工体 系转换多。 施工方法为满堂支架现浇系粱、 横梁及挑梁 ， 架设桥 面板， 现浇湿接头， 然后架设拱肋 ， 灌注拱肋混凝土。当拱肋混 凝土达到设计强度后， 安装并张拉吊杆， 同步张拉系梁。 系杆拱 桥具有受力合理、 用材经济、 施工方便 、 造型美观等突出优点在 我国得到迅速发展。在桥宽较大的情况下， 由于横梁的高度受 限等原因， 不得不采用 3片拱肋， 这就使得结构的纵向受力、 横 向受力以及结构的稳定性都成为十分突出的问题。 本文以某三 拱肋混凝土拱桥实例， 介绍该类桥在成桥状态的受力特点。 1 工程概况 本桥主桥结构形式为三拱肋下承式混凝土系杆拱桥， 主桥 横 向布置 为 ： 5 m( 人非共 板 ) + 1 ． 5 m( 拱 肋 ) + 1 1 ． 2 5 m( 机 动车道 ) 4 0 ．5 m( 护栏 ) + 5 m( 绿化带及拱肋 ) + 0 ． 5 m( 护栏 ) + l 1 ． 2 5 m( 机动 车道) + 1 ． 5 m( 拱肋 ) + 5 m( 人非共板) -- 4 1 ． 5 m。主桥系梁拱 ， 系梁 轴线为 R = 9 0 0 0 m 的圆凸曲线 ， 拱肋 曲线 方程为 Y = 4 f x ／ L 2 ( L - x ) 的二次抛物线， 其中计算跨径 L = 9 7 m， 矢跨比 1 ： 5 。 系梁、 拱肋均 采用整体现浇， 横桥向设置 3 片拱肋， 肋间距 1 5 ． O m。除了风撑 采用 C 4 0混凝土， 其他所有部位采用 C 5 0混凝土。该桥主桥桥 型布置图见图 1 和图 2 。 2 空间有限元计算模型 全桥 成 桥状 态静 力 分析 计 算采 用有 限元分 析 程序 MI D A S／C I V I L 。本模型中， 其坐标原点为右主跨起点处的桥面 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 - 2 9 作者简介 ： 沈杰( 1 9 8 8 一) 。 男， 江苏无锡人 ， 合肥工业 大学土木 与水利工 程学院在读硕士 ， 研 究方向 ： 桥 梁与隧道工程。 41 50 0 睦 o 0 o -I 5 Q 9 1 1 2 5 0 5 0 0 1 2 5 0 1 7 5 0 5 0 0 1 1 2 5 0 o o -5 o 0 Q I I 一 一 l l 1 5 G o I l 『 * 一 一 l 非 非 人 机 行 机 机 机 动 道 鑫 茎 动 动 车 查 车 道 道 道 l _l _ I - _ - - 丝 『 I 图 2主桥横断面图 ￡ 墩 图 3 中心 ， 沿桥纵 方向为 X轴 ， 沿高度方 向为 Z轴 。桥 面横 向为 Y 轴。 对于每个单元的局部坐标系来说， 沿单元 i —j 方向为x 、 Y 、 z轴正向。混凝土拱肋及其横撑、纵梁和横梁均采用梁单元模 拟。全桥共划分为 3 0 0个梁单元 、 6 0个只受拉桁架单元 ， 节点 总数为 2 4 8个。 边界条件 ： 以外侧中拱拱脚为基准， 分别沿桥梁纵向与横 向采取一端铰接、 一端滑动支座处理。 桥梁的恒载由程序自动加载， 桥梁所承受的活载按城市一 A级汽车荷载确定全桥对称布置， 系梁预应力采用钢束预应力 荷载来施加， 考虑预应力损失， 横梁的预应力采用梁单元预应 力荷载来施加。吊杆的施工初张力通过对杆单元的初拉力荷载 方法施加， 计算模型如图 3所示。 为了探讨该三拱肋拱桥的受力性能， 按恒载作用工况对桥 梁进行空间受力分析， 通过对中拱肋和两侧边拱肋的竖向位移 的比较， 分析三拱肋下承式拱桥的受力特点。 3 计算结果及分析 在成桥阶段 ， 对该桥进行空间受力性能计算， 得出两侧边 交 通 工 程 研 究 与 应 用 安 徽 建 筑 墨 匡 2 0 1 2年第 4期 I 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 交 通 工 程 研 究 与 应 用 曩 恒载工况下拱桥各截面竖向位移计算结果 表1 求， 有较大安全储备。 跨及中间跨的拱肋及系杆梁的跨中、 1 ／ 4跨、 l ， 8跨 、 3 ／ 8跨的竖向位移， 计算结果如 表 l 和表 2 所示 。 由表 1 可以看出， 恒载工况下 ， 边系杆变形基本对称， 系杆变形量在跨中最 大， 且中跨系杆比边跨系杆变形大； 中跨系杆最大变形量为 2 4 ． 2 m m。 拱肋的变形特 征与系杆一致， 最大变形发生在中拱肋跨中位置， 达到4 4 ． 2 mm。 钢管混凝土拱桥挠 度限值为 ： f ≤L／1 0 0 0 = 9 7 m m和≤L／8 0 0 = 1 2 1 m m。成桥变形满足规范要求。 由表 2可以发现， 拱肋和系杆受力基本关于跨中对称 ， 处于全截面受压状态。 系杆最大压应力为 1 1 ． 5 MP a ，发生在系杆 1 1 8 截面 ；拱肋最大压应力发生在拱肋 3 ／ 8 截面， 为 1 4 ． 8 MP a 。拱肋、 系杆梁各个截面全截面受压， 最大正应力满足规范要 4结语 三拱肋无风撑系杆拱具有构件受力合 理 、 用材节省 、 桥型美观等优点， 而且一般 中拱肋位于道路中央分隔带上， 不占用行 车道， 与引桥、 引道同宽， 视野开阔， 在路面 较宽的情况下具有较高的推广价值。但结 构的纵向受力 、横向受力以及结构的稳定 性都较为复杂， 在已经修建的同类桥梁中， 因对其受力特点不清楚而导致事故在国内 已经发生过多次， 所以， 在进行该类桥梁的 设计时必须予以重点关注。 参考文献 ⋯ 1 陈宝春． 钢 管混凝 土拱桥设计 与施 工[ M] ． 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 2 】 赵林强． 三拱肋下承式钢管混凝土系杆拱桥 的设计 与施工【 c 】 ． 中国钢协钢 一混凝土组合 结构协会第八次年会论文集， 2 O O 1 ． 【 3 】3 J T G D 6 0 — 2 0 0 4 ， 公路桥涵通用设计规范【 s 】 ．北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 ． 『 4 1 孙潮， 陈宝春， 张伟中， 等． 钢管混凝土系杆 拱桥 空 间效 应分 析们． 福 建工 程学 院学报 ， 2 o o 4 ( 1 ) ． ( 上 接 第 1 0 2页 ) 量轻粉质壤土。由于天然地基防渗条件差 ， 为确保地基渗流安全， 采取水平防渗与 垂直截渗相结合的防渗措施。方法如下： ①在闸底板上游 4 5 m至下游消力池防渗段换填0 ． 5～1 ． O re厚度粘性土，闸基 座落在粘性 土垫层上 。 ②结合闸基极细砂层的抗液化， 在闸底板四周及上下游翼墙下布置多头小直 径水泥土防渗墙围封。防渗墙布置在闸底板外侧 3 m处， 设计最小厚度 0 ． 2 m， 顶端 采用粘性土与上游铺盖、下游消力池进行连接。墙底伸入砂层下的弱透水层中 1 ． 5 m。 ③闸底板上游设置 2 0 m长混凝土防渗铺盖， 下游利用消力池上游端 1 6 m长防 渗。上游铺盖至下游消力池防渗段所有接缝之间均设置止水。 ④在防渗范围外的消力池底板末段布设排水孔， 将闸基上游渗水排出。 6 施工降水及边坡开挖 6 ． 1 深孔闸基坑渗流稳定分析 深孔闸建基面高程为 l 5 ． 7 4—1 9 ．2 4 m， 闸室、 消力池部位大部分为 1 6 ． 1 4 m， 上 游铺盖、 护坦部位约 1 9 ． O m， 最低点为下游防冲槽， 底高程为 1 5 ． 7 4 m， 建基面座落在 ③层的砂壤土与极细砂、 细砂上， 由于③层中的承压水位达到2 6 ．0 6 ～ 2 7 ．7 2 m， 高于 建基面， 该层地下水具有弱承压性， 为防止该层土在施工期间在渗流作用下产生 破坏， 同时为了给底部工程施工提供干地条件， 需采取降水措施将地下水位降低 至建基 面以下 0 ． 5 m。 6 ． 2降低地下水位措施 深孔闸基坑长度约 1 7 0 m， 宽度在 4 0 m左右， 根据基坑渗流稳定分析 ， 地下水 位降低高度在闸室 、 消力池处约 4 ． 5 m， 上游 铺盖、 护坦处约 2 m， 下游防冲槽处约 5 ． 5 m。 为了有效地降低地下水位 ，闸室 四周通 过 防渗墙围封 ， 闸基范围内采取明排降水， 闸 室上下游的基坑两侧平行布置 2排轻型井 点降水，井点距基坑底边线约 5 m，排距 5 0 m，每排布置 2套 ，另外在防冲墙上游 l O m和下游防冲槽的下游 3 m处各布置一 套横向降水井点， 井点管间距 1 ． 5 m。 井点管 在基坑开挖至高程 2 1 m时开始埋设 ，井点 降水时③层中的地下水坡降按 1 ／ 2 0计算 ， 则基坑两侧的井点管底高程为 1 2 ． 5 m， 横向 井点管底高程约 1 3 ． 5 m。 6 ． 3边坡开挖 实际基坑开挖边坡 h O ． 5 ～ 1 ： 0 ． 7 ， 上述边 坡在地下水位降低至 1 5 ． 6 4 m以下时基本 稳 定。 7 结论与建议 ①防渗处理方案设计合理，防渗效果 良好， 保证了基坑施工的顺利进行。 ②基坑边坡在实际运行中，大气降水 较少 ， 边坡基本稳定 ， 不影 响正常施工 。