钢筋混凝土拱涵的极限承载力分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第36卷，第2期公路工程Vo1．36，No．22011年4月HighwayEngineeringApr．，2011钢筋混凝土拱涵的极限承载力分析张军(湖南省浏醴高速公路建设开发有限公司，湖南长沙410329)[摘要】以某特高填方区的拱涵为对象，取拱涵和周围土体为研究对象，采用ANSYS的SOLID65单元来模拟钢筋混凝土拱圈，建立三维有限元模型，对特高填方区的拱涵进行非线性分析，考察在填土荷载下拱涵的受力全过程，特别关注混凝土开裂后钢筋的应力和屈服状况，在此基

2、础上确定拱涵的极限承载力。[关键词】钢筋混凝土结构；拱涵；非线性有限元；极限承载力【中图分类号】U449．84[文献标识码]B[文章编号]1674～0610(2011)02—0068—04AnalysisonUltimateCapacityofReinforcedConcreteArchCulvertZHANGJun(HunanLiuliExpresswayConstructionandDevelopmentCo．Ltd，Changsha，Hunan410329，China)[Keywords]

3、reinforcedconcretestructure；archculvert；nonlinearfiniteelement；ultimatecapacity高速公路建设中的高填方区一般需设置拱涵。的是平面应变单元，进行的是线性有限元分析，因此目前的拱涵设计，拱圈和基础一般采用钢筋混凝土不能回答上述问题。结构，涵台一般为混凝土结构，护拱一般为浆砌片本文仍以文献[1]中某特高填方区的拱涵为对石。不同跨径拱涵的断面尺寸设计，是将填土厚度象，取拱涵和周围土体为研究对象，采用ANSYS的(拱顶至路基顶面

4、距离)分成若干级，每级对应一种SOLID65单元来模拟钢筋混凝土拱圈，建立三维有尺寸。例如某设计分级为：4～10m；10—12m；12限元模型，对特高填方区的拱涵进行非线性分析，考—22m；22m以上，填土厚度大于22m后不再分察在填土荷载下拱涵的受力全过程，特别关注混凝级。结构设计中，应取每一级填土厚度的上限作为土开裂后钢筋的应力和屈服状况，在此基础上确定填土荷载来确定断面尺寸。文献[1]将填土厚度超拱涵的极限承载力。过16m地段的拱涵称为特高填方区的拱涵。对于1工程概况这类拱涵，工程中时有拱

5、顶开裂的现象发生，有的开裂还相当严重。为了阅读方便，这里直接引用文献[1]中关于文献[1]以某特高填方区的拱涵为对象，取拱拱涵的描述。该拱圈和基础为钢筋混凝土结构，拱涵和周围土体为研究对象，建立整体分析有限元模圈下层环向钢筋为l6、间距为100mill，纵向钢筋型，考虑填土的不同性质和不同厚度，对拱涵进行了为12、间距为200mm。涵台为混凝土结构，护拱应力分析。文献[1]的计算表明，对于拱顶填土厚为M7．5的浆砌片石，其结构断面尺寸如图1所示。为17m的情况，在最不利的情况下，拱顶下缘的拉设计

6、上该拱涵的填土厚度为22m以上，但在拱顶填应力已达到3．38MPa，混凝土完全可能开裂。而该土厚度达到约17m时，拱顶出现了明显的开裂现象拱涵拱顶下缘确实出现了开裂现象，最大裂缝宽度(裂缝最大宽度大于3．5mm)，见图2。达3．5mm；对于填土厚度分别为22m和30m的情2有限元模型况，在最不利的情况下，拱顶下缘的最大拉应力分别达4．46MPa和6．06MPa。在如此高的应力水平本文分析软件为ANSYS。以往关于拱涵的有下，拱圈内的钢筋应力多大?是否会屈服?如何估限元分析表明⋯，在填土荷载作用下

7、，拱顶下缘将计拱涵的极限承载力?这些问题在目前高速公路建出现拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，拱顶设中存在，尚未见有关的研究报道。文献[1]采用下缘即开裂。为了抵抗拉应力，近年将拱圈按钢筋【收稿日期】201I一02一10[作者简介】张军(1975一)，男，湖南常德人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。学兔兔www.xuetutu.com第2期张军：钢筋混凝土拱涵的极限承载力分析69分析，为了求得理论极限填土厚度，需进行很多次的试算，直到填土厚度达到某一值后，如果再增加少许，有限元计

8、算便不再收敛，则认为该填土厚度为理论极限填土厚度。本例中，理论极限填土厚度为26m。下面的讨论根据这一填土厚度的结果展开。图1某拱涵断面(a1整体fb)局部图2拱顶开裂照片图3有限元网格混凝土构件设计。为了考察拱圈混凝土开裂后钢筋的应力和屈服状况，拱圈采用SOLID65混凝土单3有限元结果与讨论元。SOLID65为三维实体单元，模拟钢筋混凝土结3．1拱圈裂纹发展过程描述构可以采用分离式，即对混凝土和钢筋分别划分单图4为拱圈裂纹发展过程。有限元非线性分析元，本文采用分离式策略。的荷载(本文即为填土