输水干渠双层复合框架桥承载能力有限元分析

郭 鹏

输水干渠双层复合框架桥承载能力有限元分析

郭 鹏

（新宾县水务局，辽宁 抚顺 113200）

结合抚顺市新宾县双层复合框架桥工程，利用有限元程序对结构进行计算分析。选取桥梁单元对结构进行整体式建模，对承载能力极限状态工况进行复核计算，提取内力计算结果，将计算结果与结构实际配筋对比分析，得到结构各部位安全状况，为输水干渠双层复合框架桥的推广提供理论指导。

复合框架桥；承载能力；有限元；复核计算

为解决资源分配和用水均衡等问题，国家大兴水利建设，通过跨流域调水，将其他地区充沛的水量利用人工渠道输到缺水的城市［1］，以实现全局水资源的重新分配，优化水资源配置，解决地区的生活及农业用水，创造巨大的经济效益。桥梁是枢纽性建筑物，在城市建设和水利工程中占据重要地位，框架桥在水利工程中作为一种新型结构［2］，具有断面形式灵巧、结构形式简单、抗震性能好，施工方便等特点。跨渠建筑物在渠道工程中占据重要地位，其结构质量直接影响工程效益的正常发挥。作为一种新型结构，框架桥利用率较高，既能作为过水通道也可以承担运输功能，具有抗变形能力强、结构整体性好等优点。

水利建筑物的地质条件都比较复杂，框架桥的结构和受力状况也很繁琐，对输水干渠双层复合框架桥承载能力的研究较少［3］，本文结合抚顺市新宾县双层复合框架桥工程，通过假定边界条件和定义计算原则，利用有限元软件进行数值建模来辅助计算［4］，对结构进行计算分析。选取桥梁单元对结构进行整体式建模，对承载能力极限状态工况进行复核计算，提取内力计算结果，将计算结果与结构实际配筋对比分析，得到结构各部位安全状况，对输水干渠双层复合框架桥的实际推广和应用具有重要意义。

1 工程地质勘查

1.1 工程背景

抚顺市新宾县复合框架桥工程采用钢筋混凝土双层框架桥跨越干渠，上部有铁路。设计采用分离式双层结构，下层结构采用分离式框架桥，上层结构为框架式格构梁结构，利用自密实混凝土对上下层间进行联接。总干渠设计流量为280m3/s，加大流量为 320m3/s，设计水位 105.6m，加大水位108.7m。渠底宽20m，该框架桥工程设计水头0.0231m， 纵向比降1∶3742。 内水一级边坡1∶2.25，二级边坡为1∶2.25，框架桥的方涵平面布置图，如图1所示。

图1 框架桥的方涵平面布置图

1.2 地层岩性

工程场区勘探深度范围内，揭露地层为第四系上更新统冲洪积层、中更新统坡洪积层和石炭系泥岩、奥陶系中统上马家沟组灰岩，岩性主要为卵石、重粉质壤土和灰岩，上部覆盖层具粘砾多层结构特征。

1.3 工况类型

框架桥工程下层结构采用分离式框架桥作为渠道过水通道，上层结构为连续框架式格构梁，过水涵洞承受的荷载主要有结构自重、上层框架自重、火车荷载及轨道自重、侧向土压力、涵洞加大水深、地震等。本文对以下两种工况进行研究，工况1为涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力+火车荷载；工况2为涵洞自重+上部框架、轨道荷载+侧向土压力+渠道加大水深+火车荷载。

2 有限元分析计算

2.1 计算方法

本次复核采用有限元软件ANSYS建模计算［5］，工程分为上下两层结构，且上下层结构为分离式，模型取下层过水断面横向三孔框架进行计算。三孔框架之间设置接触单元，上层三孔框架结构及轨道荷载折算为均布荷载施加到下层涵洞顶板顶面，侧向土压力直接施加到边孔边墙外侧。

2.2 模型建立

模型网格划分采用映射划分方式，设定每条边线的划分单元份数来控制单元大小，横截面网格尺寸控制在0.2～0.3m之间。过水涵洞横向长15.4m，划分60份，边墙高度为13.5m，划分60份。模型沿水流方向取1m宽度建立，参数按底板所处土层物理性质选取。边墙外侧受土体横向主动土压力，直接作用在边墙单元节点上。单元划分情况如图2所示。

图2 单元划分模型

3 有效配筋情况下结构承载能力验算

3.1 计算结果

从云图结果来看，各工况下结构内力分布规律基本一致，内力大小根据工况而不同。总体来看，顶底板外侧及边缝墙外侧弯矩由工况1控制，箱涵底板内侧内力由工况2控制。工况1和工况2在极限承载力极限状态内力云图，如图3、图4所示。

两种工况承载能力极限状态下中孔的各部位内力结果，见表1。

图3 工况1承载能力极限状态

图4 工况2承载能力极限状态

表1 承载能力极限状态下中孔内力表

3.2 斜截面受剪承载力验算

顶底板按受弯构件考虑时，根据现有配筋情况，顶、底板斜截面受剪承载力的验算可按下列公式进行计算。

式中，V—构件斜截面上的剪力设计值，MPa；ft—混凝土轴心抗拉强度设计值，MPa；fy—钢筋抗拉强度设计值，MPa；fyv—箍筋抗拉强度设计值，MPa。

斜截面承载力验算成果，见表2。

表2 顶板斜截面承载力验算

通过对顶板及竖墙的斜截面受剪承载力验算，可知各孔均能满足斜截面受剪承载力要求。

3.3 顶板承载力验算

根据现有配筋中的最不利少筋情况，对各孔顶、底板进行弯矩设计值的反算，采用承载力复核计算公式如下所示。

式中，M—最大弯矩设计值，N·m；K—承载力安全系数；fc—混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；b—矩形截面宽度，m；h0—截面有效高度，m；ξ—相对受压区计算高度，m，αs—截面抵抗系数。

结合数值分析计算所提供的内力，对顶、底板在现有配筋下的承载力进行了分析，具体成果，见表3。

表3 顶板承载力反算

对反算的结果进行分析可以看出，顶板承载力复核时，现有配筋情况基本不能满足承载力要求。

3.4 竖墙承载力验算

各孔竖墙按偏心受压构件进行承载力的反算，对于同样的材料、同样的截面尺寸与配筋的偏心受压构件，当轴向力的偏心距 e0不同时，将会得到不同的破坏轴向力 Nu。偏心受压构件基本计算公式如下所示。

式中，N—轴向压力设计值，N；x—混凝土受压计算高度，m；e0—轴向压力对截面重心的偏心距；η—偏心距增大系数。

左墙承载力安全区限值见表4。

表4 左墙承载力安全区限值

根据表4可知，按偏心受压构件进行结构承载力反算时，现有配筋情况边墙及缝墙外侧均不能满足承载能力要求。

4 过水方涵加固方案设计

4.1 加固方案

工程框架桥背水面无法加固边界条件，采用增大截面加固法，由于工程底板、顶板、竖墙背水面均不具备施工条件，只有在底板、顶板、竖墙迎水面通过增加截面，使构件背水面计算所需的配筋量减少，以满足背水面在目前缺筋状态下结构的承载力和限裂满足设计规范要求，根据构件各部位最不利缺筋位置和工况，确定各部位增加截面尺寸和迎水面新增钢筋数量［6-7］。

4.2 加固边界条件

过水方涵加固处理设计边界条件如下［8］：（1）过水方涵混凝土强度为38.0MPa，加固混凝土采用C40；（2）过水方涵背水面钢筋保护层，顶板和底板背水面采用10cm，竖墙背水面5.7cm，加固之后钢筋保护层，顶板、底板和竖墙迎水面均采用4.6cm；（3）过水方涵接头按照失效计算；（4）设计控制标准：采用承载能力和正常使用极限状态对截面进行验算，承载力安全系数1.35，荷载分项系数1.2，自重分项系数为1.05，结构裂缝宽度容许值为0.35mm。

4.3 过水方涵顶板加固处理方案

过水方涵单孔净高为11.7m，顶板迎水面加固空间为2.68m。顶板迎水面采用增大截面法，考虑新老混凝土结合、施工质量难易程度、质量检查、加固空间等因素综合确定增大断面加固型式，为保证顶板加固混凝土浇筑质量和新老混凝土结合易控制检查，采用增加顶撑梁形成T梁。

4.4 计算成果

结构内力采用结构安全复核计算。（1）底板加固设计：底板加厚0.25m，其厚度由1.6m增至1.85m；（2）顶板加固设计：增加顶撑梁形成T梁，腹板宽度1.5m，间距为2m，高度为0.8m；（3）缝墙加固设计：中孔和边孔的缝墙加厚0.45m，其厚度由1.4m增至 1.85m；（4）边墙加固设计：边孔边墙加厚0.5m，其厚度由1.4m增至1.9m；下层框架桥加固处理后计算成果经复核计算均可以满足承载能力计算和限裂宽度验算。

5 结语

利用有限元对该钢筋混凝土结构建模并进行安全复核计算。对其在极限承载能力状态进行内力分析，确定最不利工况下的结构所需配筋量，并与现状配筋进行对比，最后根据计算结果提出相应的加固方案：（1）根据有限元计算结果可知，箱涵底板内侧内力由工况2控制，顶底板外侧及边缝墙外侧弯矩由工况1控制。与结构现状配筋情况的对比结果表明，除各孔顶底板外侧及边孔边墙内侧配筋满足承载力要求外，其余部位均不满足，需对其进行加固处理。（2）根据现状配筋和计算结果的对比分析，并考虑工程运行现况，经过方案论证，确定增大截面法方案对过水方涵进行补强加固处理。计算结果表明：加固后该输水干渠双层复合框架桥可以满足结构承载力要求。

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TV91

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1008-1305（2017）05-0106-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.033

2017-02-11

郭 鹏（1980年—），男，高级工程师。