钢筋混凝土拱涵的极限承载力分析

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发布时间：2021-09-12

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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SOLID 65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】U 449．84 [文献标识码]B [文章编号]1674～0610(2011)02—0068—04
Analysis on Ultim ate Capacity of Reinforced Concrete Arch Culvert
ZHANG Jun
(Hunan Liuli Expressway Construction and Development Co．Ltd，Changsha，Hunan 410329，China)
[Key words]reinforced concrete structure；arch culvert；nonlinear finite element；ultimate capacity
高速公路建设中的高填方区一般需设置拱涵。
目前的拱涵设计，拱圈和基础一般采用钢筋混凝土
结构，涵台一般为混凝土结构，护拱一般为浆砌片
石。不同跨径拱涵的断面尺寸设计，是将填土厚度
(拱顶至路基顶面距离)分成若干级，每级对应一种
尺寸。例如某设计分级为：4～10 m；10—12 m；12
— 22 m；22 m 以上，填土厚度大于22 m后不再分
级。结构设计中，应取每一级填土厚度的上限作为
填土荷载来确定断面尺寸。文献[1]将填土厚度超
过16 m地段的拱涵称为特高填方区的拱涵。对于
这类拱涵，工程中时有拱顶开裂的现象发生，有的开
裂还相当严重。
文献[1]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，建立整体分析有限元模
型，考虑填土的不同性质和不同厚度，对拱涵进行了
应力分析。文献[1]的计算表明，对于拱顶填土厚
为17 m的情况，在最不利的情况下，拱顶下缘的拉
应力已达到3．38 MPa，混凝土完全可能开裂。而该
拱涵拱顶下缘确实出现了开裂现象，最大裂缝宽度
达3．5 mm；对于填土厚度分别为22 m和30 m的情
况，在最不利的情况下，拱顶下缘的最大拉应力分别
达4．46 MPa和6．06 MPa。在如此高的应力水平
下，拱圈内的钢筋应力多大?是否会屈服?如何估
计拱涵的极限承载力?这些问题在目前高速公路建
设中存在，尚未见有关的研究报道。文献[1]采用
的是平面应变单元，进行的是线性有限元分析，因此
不能回答上述问题。
本文仍以文献[1]中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
SOLID 65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，在此基础上确定
拱涵的极限承载力。
1 工程概况
为了阅读方便，这里直接引用文献[1]中关于
拱涵的描述。该拱圈和基础为钢筋混凝土结构，拱
圈下层环向钢筋为 l6、间距为100 mil，纵向钢筋
为 12、间距为200 mm。涵台为混凝土结构，护拱
为M7．5的浆砌片石，其结构断面尺寸如图1所示。
设计上该拱涵的填土厚度为22 m以上，但在拱顶填
土厚度达到约17 m时，拱顶出现了明显的开裂现象
(裂缝最大宽度大于3．5 mm)，见图2。
2 有限元模型
本文分析软件为ANSYS。以往关于拱涵的有
限元分析表明⋯ ，在填土荷载作用下，拱顶下缘将
出现拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，拱顶
下缘即开裂。为了抵抗拉应力，近年将拱圈按钢筋