铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计QC成果[详细]

1、铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究 铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计 QCQC 小组小组 中铁第一勘察设中铁第一勘察设 XXXX 公司公司 二二 O O 一六年三月一六年三月 西安西安 20_年度全国工程建设 优秀 QC 小组成果材料 目目 录录 一、小组概况一、小组概况.1 二、工程概况二、工程概况.1 三、选题理由三、选题理由.3 四、设定目标四、设定目标.3 五、提出各种方案并确定最佳方案五、提出各种方案并确定最佳方案.5 六、制定对策六、制定对策.15 七、实施对策七、实施对策.16 八、确认效果八、确认效果

2、.22 九、标准化九、标准化.23 十、今后打算十、今后打算.23 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 1 一、小组概况一、小组概况 铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计 QC 小组成立于 20_年 10 月, 共有成员 7 名,其中组员 5 名,技术顾问 2 名,小组成员平均年龄 36 岁。全 组成员均接受 TQC 教育达 48 小时以上,满足教学大纲要求,成员表如下: 表表 1 1 QCQC 小组成员表小组成员表 序号序号姓姓 名名性别性别年龄年龄文化程度文化程度职职 称称组内职务组内职务 1易成男35工学硕士高 工 组 长 2孙智峰男29工学硕士工程师 副组长 3黄小安男2

3、8工学硕士工程师 组 员 4倪燕平女43工学硕士教 高 组 员 5庄严男30工学硕士工程师 组 员 6 欧阳辉来男 40 大学本科高级工程师组 员 7雷晓峰男43大学本科教 高 技术指导 8陈应陶男49大学本科教 高 技术顾问 小组成立后,开展有记录的活动共组织了 8 次,累计时长超过 24 小时, 其中还组织了调研、研讨及讲座活动,本课题为创新型。小组成员组成和 知识结构合理,成员大多是生产一线的中坚力量,具有丰富设计经验,思维 活跃,是一支具有创新能力、勇于承担挑战的队伍。 本课题完成于 20_年 11 月课题,该成果用于设计,其设计文件通过了 专家审查,于 20_年 1 月取得成果。 二

4、、工程概况二、工程概况 祁家渡黄河大桥为 180m 铁路上承式劲性骨架混凝土拱桥,该桥主桥位 于直线上,平坡,为级单线铁路,设计行车速度 120km/h。工点位于黄河峡 谷区,桥址处地形狭窄,黄河沟谷呈典型的“V”字型,两岸的坡面陡立,基 岩裸露,陡立的岸坡顶部为黄土缓陵地貌,坡面顺直,多成狭长的黄土梁地 貌及坡顶浑圆的黄土茆地貌形态,局部发育有黄土冲沟,冲沟宽浅、坡面陡 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 2 立。 桥位位于刘家峡水电站大坝上游约 4.6 km 处,其上游约 1km 处为祁家 黄河渡口,距 XX 市 75 公里。水库东起刘家峡大坝,西至炳灵寺峡口,呈西 南-东

5、北走向,南接东乡、XX 县,北连 XX 县,湖岸线长 55 公里,水面最宽处 6 公里,水域面积达 130 多平方公里,蓄水量约 57 亿多立方米,正常水位 1735 米,海拔 2100 米。刘家峡下游的 XX 市,天然百年一遇洪峰 8080m3/sXX 市防洪安全泄量 6500m3/s。通过龙羊峡施工围堰和刘家峡水库对洪水的调 蓄,兰州最大洪峰流量控制到 5600m3/s。 图图 1 1 工程地理位置图工程地理位置图 设计中需考虑景观、排洪、通航的要求,经多方案比选,最终推荐在该 处采用主跨为 180m 劲性骨架钢筋混凝土拱。拱肋高度 37.5m,矢跨比为 1/4.8。拱中心轴线采用悬链线方

6、程,拱轴系数 m=2.8。全桥孔跨布置为 2- 24 简支箱梁+1-180 劲性骨架钢筋混凝土拱+2-24m 简支箱梁。拱顶框架两 端各采用 5x14.5m 的桥面纵梁,桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。 劲性骨架钢筋混凝土拱是沿拱圈轴线用钢管建成钢桁拱,以钢桁拱作 为承力结构,在其上悬挂模板,分环、分段、分层对称、均衡的浇筑拱圈混 凝土,最后合龙成拱。骨架采用钢管混凝土结构,自重较小,有利于实现大 节段的制作安装,快速拼接成拱后即 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 3 可作为所有后续拱箱施工的平台,实现了无支架施工大跨径混凝土拱圈。 拱圈混凝土浇筑采用分环分段的程序,先浇

7、筑的混凝土达到一定强度后参 与骨架联合承力,可以降低骨架的钢材用量与造价。劲性骨架不仅作为施 工支架,被混凝土包裹后在拱圈承受后续恒、活载时作为配筋的一部分参 与受力,实现了钢材的充分利用。跨径较大时,劲性骨架的弦杆采用钢管混 凝土结构,使骨架的刚度和承载力都得到了较大提高。 兰合线祁家渡黄河大桥 1 孔 180m 劲性骨架钢筋混凝土拱结构,是目前 国内单线铁路跨度最大的劲性骨架钢筋混凝土拱结构,设计难度大,该种结 构的尺寸拟定、结构构造设计、结构受力分析、钢筋配置等方面具有创新 设计性。 三、选题理由三、选题理由 1、劲性骨架钢筋混凝土拱结构,是目前国内单线铁路跨度最大的劲性 骨架钢筋混凝土

8、拱结构,我院尚属首次设计,缺乏设计经验。 2、劲性骨架钢筋混凝土拱结构的矢跨比、拱轴系数、立柱纵向间距 是拱桥的重要参数,对结构的受力有较大影响。需要对矢跨比、拱轴系数、 立柱纵向间距进行专项研究。 3、拱圈的结构设计与其施工方法密切相关,施工过程及运营阶段结构 的应力应变受施工工艺的影响,而施工技术发展与创新,又推动着拱桥跨径 的不断增大,所以,拱桥设计的合理性、可靠性、安全性、经济指标和施工 工期在相当程度上受拱圈施工方法的影响,需要对劲性骨架钢筋混凝土拱 结构的施工方法进行专项研究。 四、设定目标四、设定目标 ( (一一) )设定目标设定目标 1、以兰合线劲性骨架钢筋混凝土拱为工程载体,

9、针对劲性骨架钢筋混 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 4 凝土拱结构的受力特征,确定其合理的结构尺寸,充分体现劲性骨架钢筋混 凝土拱结构经济、安全、环保、景观效果好的优点。 2、掌握劲性骨架钢筋混凝土拱结构受力特征及详细的结构分析计算 方法,并完成结构设计。 该劲性骨架钢筋混凝土拱结构应能满足时速160km/h 单线“中-活载” 列车正常运营,相关技术指标应满足现行铁路桥梁设计规范要求。 表表 2 2 规范容许值规范容许值 竖向静活载作用下拱桥 1/4 跨度挠度(mm) L/800 梁体水平挠度(mm) L/4000 静活载作用下梁端转角 3 ( (二二) )目标可行性分析目

10、标可行性分析 1、1993 年,我院首次在三峡工程对外交通专用公路上完成了黄柏河特 大桥施工图设计,该桥主桥采用 1-160m 钢管混凝土拱桥；1994 年,在三峡 工程对外交通专用公路上完成了下牢溪特大桥施工图设计,该桥主桥采用 1-160m 钢管混凝土拱桥；20_年在兰渝线完成了渭河沟大桥施工图设计, 该桥主桥采用 1-115m 劲性骨架钢筋混凝土拱桥。结合以上工程成功经验, 对开展劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究有着良好的技术基础。 2、小组成员有丰富的工程设计经验和较强的分析问题、解决问题的 能力。 3、我院有多名铁路桥梁设计专家,有强大的顾问团队。 4、在上述前提条件下,小组成员通过

11、认真研究,对已建成的运行线路 及收集资料分析论证,并通过对结构建模分析,本课题组有能力完成好劲性 骨架钢筋混凝土拱结构设计,实现课题目标。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 5 五、五、提出各种方案并确定最佳方案提出各种方案并确定最佳方案 ( (一一) )桥型方案比选桥型方案比选 图图 2 2 桥型方案比选图桥型方案比选图 影响跨径的主要因素有地形、地物、地质、河流、桥面设计高程、设 计洪水位及最高通航水位等。在山岭区跨越深谷或河流时,主桥采用单跨 上承式拱的情况较多,也是较为有利的桥型方案之一。特殊地形情况下,甚 至只有主跨而无边跨,此时,上承式拱优势明显。因为不论是连续刚

12、构、矮 塔斜拉桥和 PC 主梁斜拉桥,对于正常边中跨比例的三跨布置,其主桥长度 往往大于单跨上承式拱,而显得不够合理。 在满足地形、地物、地质、河流、桥面设计高程、设计洪水位及最高 通航水位等的前提下,QC 小组分别拟定劲性骨架钢筋混凝土拱方案和连续 刚构桥方案,然后分别进行分析,找出最佳方案。 图图 3 3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案劲性骨架钢筋混凝土拱方案 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 6 图图 4 4 连续刚构桥方案连续刚构桥方案 表表 3 3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案和连续刚构方案比选汇总表劲性骨架钢筋混凝土拱方案和连续刚构方案比选汇总表 序号项目劲性骨架钢筋混凝土

13、拱方案连续刚构桥方案 1主桥结构形式 主拱圈为钢管混凝土劲性骨架外包混凝土, 拱上立柱为现浇钢筋混凝土构件 上部为预应力混凝土箱梁, 下部为双薄壁墩,高桩承台基础 2从材料性能进行比选 骨架采用钢管混凝土结构,自重小, 快速拼接后作为所有后续拱箱施工平台, 劲性骨架作为配筋的一部分参与受力, 实现了钢材的充分利用 采用预应力混凝土结构,抗裂性好, 刚度大；主跨跨度较大,桥墩较高, 桥墩及基础数量较大 3从施工场地进行比选 劲性骨架拱需现场拼装, 桥址处拼装场地较小 由于桥址处坡面较陡, 施工桩基础需设置施工便桥 及钻孔桩施工平台 4 从施工技术和 施工风险进行比选 劲性骨架拱采用缆索吊施工,

14、然后在劲性骨架上立模, 浇筑混凝土,高空作业多, 存在一定风险 主墩墩高较高且两岸岸坡倾斜, 基础条件差,施工难度较大。 5景观比较结构轻盈,视觉通透、造型美观 主桥水边设墩且枯水期承台 和桩基础外露,对景观有影响 比选结果是否 经多方面论证、比较后,劲性骨架钢筋混凝土拱方案一跨跨越水库,对 水库环境影响较小,结构轻盈,视觉通透、造型美观,与当地环境融为一体。 故推荐采用 1-180m 劲性骨架钢筋混凝土拱方案。 ( (二二) )劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造方案比选劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造方案比选 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 7 图图 5 5 劲性骨架钢筋混凝土

15、拱桥结构构造比选图劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造比选图 1、矢跨比比选 图图 6 6 矢跨比比选图矢跨比比选图 拱圈的矢跨比是拱桥立面布置的重要参数,对拱圈及拱座基础受力、 拱上立柱高度、拱圈施工、岸坡开挖工程量和主桥景观均有较大影响。较 大的矢跨比,拱圈水平推力较小,对基础及墩台设计有利,同时,拱圈的弹性 压缩、混凝土收缩徐变效应也较小,对拱圈受力较有利。缺点是因拱轴线 较长,对拱圈稳定不利；地震时弯矩、水平力大；拱脚段很陡时,施工困难； 拱上立柱较高,工程量较大。 另外,矢跨比合理与否,还需要考虑轨面高程的要求,景观要求也是矢 跨比要考虑的重要因素。 在满足结构受力的前提下,QC 小组分别

16、拟定矢跨比 1/4.8 和 1/4 方案, 然后分别进行优化分析,找出最佳矢跨比方案。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 8 表表 4 4 劲性骨架钢筋混凝土拱结构矢跨比比选汇总表劲性骨架钢筋混凝土拱结构矢跨比比选汇总表 方 案 矢跨比 1/4.8矢跨比 1/4 拱脚水平推力(kN) 4778344359 拱上立柱高度(m) 26.532.0 拱座位置位于黄河岸侧位于黄河水中 景观效果好较好 比选结果是否 从表 4 的分析结果可以看出,矢跨比 1/4.8 的景观效果好,立柱较低, 拱座位于黄河岸侧,利于施工,故将矢跨比 1/4.8 方案作为推荐方案。 2、拱轴系数比选 图图

17、7 7 拱轴系数比选图拱轴系数比选图 悬链线拱轴方程的主要参数是拱轴系数 m,拱轴系数增大,拱脚恒载弯 矩偏心减小,拱顶恒载弯矩偏心增大,过度增大拱轴系数会使拱顶下缘受拉 出现裂缝。 在满足结构受力的前提下,QC 小组分别拟定拱轴系数 m=2.8 和 3.5 方 案,然后分别进行优化分析,找出最佳拱轴系数方案。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 9 表表 5 5 劲性骨架钢筋混凝土拱结构拱轴系数比选汇总表劲性骨架钢筋混凝土拱结构拱轴系数比选汇总表 拱脚截面(恒载)1/4 处(恒载)拱顶截面(恒载) m M(KN.m)N(KN)M/NM(KN.m)N(KN)M/NM(KN.m)

18、N(KN)M/N m=2.8-42184-553700.76-1734-427260.0411628-383920.3 m=3.5-26112-555280.47-6568-430640.1515666-387540.4 从表 5 的分析结果可以看出,拱轴系数越大拱脚处 M/N 越小,而拱顶处 M/N 越大。拱脚为实体截面,且尺寸也比较大,拱脚的 M/N 可以大一点,鉴于 此尽量满足拱顶截面 M/N 小一点。且铁路桥涵设计基本规范 (TB10002.1-2005)第 5.2.2 节要求“当采用悬链线为拱轴线时,宜采用较 小的拱轴系数 m 值” 。故将拱轴系数 m=2.8 方案作为推荐方案。 3

19、、拱上立柱间距比选 图图 8 8 拱上立柱间距比选图拱上立柱间距比选图 拱上立柱的布置是上承式拱桥总体设计的一项重要内容,立柱间距小, 拱圈受力较为均匀,桥面梁跨度相应小。 在满足结构受力的前提下,QC 小组分别拟定拱上立柱间距 14.5m 和 18.0m 方案,然后分别进行优化分析,找出最佳拱上立柱间距方案。 图图 9 9 立柱间距立柱间距 14.5m14.5m 方案方案 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 10 图图 1010 立柱间距立柱间距 18.0m18.0m 方案方案 表表 6 6 立柱间距比选汇总表立柱间距比选汇总表 方 案 立柱间距 14.5m立柱间距 18m

20、拱脚弯矩(kN.m) 10722111254 桥面梁跨中弯矩(m) 1371718549 景观效果好较好 比选结果是否 从表 6 的分析结果可以看出,立柱间距 14.5m 方案对拱脚及桥面梁跨 中弯矩均有利,同时从景观考虑,立柱间距 14.5m 方案优于立柱间距 18.0m 方案,故将立柱间距 14.5m 方案作为推荐方案。 ( (三三) )劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构施工方案劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构施工方案比选比选 图图 1111 劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案比选图劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案比选图 劲性骨架钢筋混凝土拱结构应用于兰合线祁家渡黄河大桥,该处跨越 黄河,施工中需要考虑施

21、工方案可行性、合理性、安全性以及对航运的影 响。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 11 QC 小组在总体施工方案设计中主要考虑了转体施工法、悬臂施工法、 劲性骨架施工法三种施工方案,然后分别进行优化分析,找出最佳施工方案。 1、转体施工方案 将拱圈分为两个半跨,分别在两岸利用地形做简单支架预制拱箱,利用 结构本身及临时结构组成扣锚体系,张拉扣索使拱箱脱架。拱箱、平衡重、 转盘上盖及扣索组成转体体系,借助预先设置的摩擦系数很小的环形滑道, 用卷扬机或千斤顶牵引,将两岸的半跨拱箱平面转体至设计的桥轴线位置, 然后进行拱顶合龙。 图图 1212 转体施工方案转体施工方案 2、悬臂

22、施工方案 在两岸合适位置设立天线主塔,主塔上安装的主缆跨度须大于拱圈跨 径,并方便吊运和安装全部拱箱节段。主塔高度应能确保拱顶节段的安装。 拱箱节段就位后,须用扣索承力及定位,故需设置扣索索塔。较矮的扣索可 以利用两岸墩台作扣点,高出墩台的扣索,应另外布置索塔。扣塔与主塔可 以分别布置,也可以主、扣塔合一。主塔因受力较大,承受前后两侧水平力 不平衡差值,塔顶允许一定量的水平位移故塔脚设计为铰接。扣索用以调 整拱箱节段的准确位置并最后定位,扣塔的水平位移须严格控制,扣塔脚设 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 12 计为固结。在索塔与扣塔系统形成后,拼装预制节段混凝土,直到拱顶合

23、龙。 图图 1313 悬臂施工方案悬臂施工方案 3、劲性骨架施工方案 沿拱圈轴线用型钢或钢管建成钢桁拱,以钢桁拱作为承力结构,在其上 悬挂模板,分环、分段、分层对称、均衡地浇筑拱圈混凝土,最后合龙成拱。 跨径较小时,可以采用型钢做劲性骨架。当跨径较大时,则采用钢管混凝土 做劲性骨架。因此,在空钢管配合型钢形成劲性骨架钢桁拱之后,应先在钢 管内灌注混凝土,使之成为钢管混凝土劲性骨架拱,然后再浇筑拱圈混凝土。 钢管内压注混凝土后,浇筑拱圈混凝土是这一工法最关键的施工阶段,随着 混凝土的逐步施工加载,劲性骨架拱的内力与变形不断变化,当先期完成的 混凝土拱环达到一定强度,实际上能参与劲性骨架拱联合承力

24、,而这种钢- 混凝土组合结构的内力也在不断变化。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 13 图图 1414 劲性骨架施工方案劲性骨架施工方案 表表 7 7 钢桁钢桁- -槽型梁组合结构施工方案比选表槽型梁组合结构施工方案比选表 方案 项目 劲性骨架施工方案悬臂施工方案转体施工方案 优点 实用无支架施工大跨 径混凝土拱圈,实现了 钢材的充分利用。 悬拼预制节段,施工进度快。改善了施工环境 与施工条件,施工 进度快。 缺点 施工工艺复杂,存在一 定得安全风险。 悬拼预制节段过程中,存在 一定安全风险,施工时影响 桥下通航。 上下转盘的加工 制作等工艺较繁 琐,转体过程存在 一定安全

25、风险。 比选结果是否否 由于祁家渡黄河大桥桥位处地势陡峭,转体施工方案难以实施；同时 悬臂施工方案不能满足施工过程中通航要求,因此最终选用劲性骨架施工 方案作为推荐方案。 综上所述,铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计方案的确定流程如下 图: 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 14 图图 1515 最佳设计方案确定过程汇总最佳设计方案确定过程汇总图图 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 15 设计方案确定后,铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计流程图主要分 四个步骤,流程图如下: 图图 1616 结构设计流程图结构设计流程图 六、制定对策六、制定对策 表表 8 8 对

26、策表对策表 步步 骤骤 对对 策策目目 标标措措 施施执行人执行人 完成时间完成时间 及地点及地点 1 拟定劲性 骨架钢筋 混凝土拱 结构细部 构造尺寸 满足限界、构 造、受力要求, 施工方便,结 构经济。 1、确定拱肋高度及宽度、 立柱纵横向尺寸、梁部结构 高度及顶底板厚度。 2、对拟定的结构进行初步 结构分析。 易成 孙智峰 黄小安 倪燕平 庄严 雷晓峰 陈应陶 20_年 10 月 (西安) 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 16 步步 骤骤 对对 策策目目 标标措措 施施执行人执行人 完成时间完成时间 及地点及地点 2 确定劲性 骨架钢筋 混凝土拱 结构设计 参数 主要

27、确定钢及 混凝土计算参 数、钢构件计 算长度和桥面 板冲击系数。 1、 参照国内外相关桥梁设 计规范； 2、 参考国内外类似结构的 设计参数； 3、 通过有限元分析； 4、咨询桥梁专家。 易成 孙智峰 黄小安 倪燕平 庄严 雷晓峰 陈应陶 20_年 10 月 (西安) 3 对设计方 案进行有 限元分析 结构强度、应 力及变形满足 规范要求。 采用平面杆系模型(Bsas for windows)和空间有限元 模型(Midas Civil、FEA、ABAQUS)进行 了结构分析,并相互校核。 易成 孙智峰 黄小安 倪燕平 庄严 雷晓峰 陈应陶 20_年 11 月 (西安) 4 确定劲性 骨架钢筋

28、混凝土拱 结构的技 术要求 提出劲性骨架 钢筋混凝土拱 结构的总体分 析方法、施工 方案和质量控 制措施。 1、根据劲性骨架钢筋混凝 土拱结构设计研究报告总结 分析方法。 2、参照现行桥梁施工技术 指南。 3、征询业主、施工、咨询 等参建单位意见。 易成 孙智峰 黄小安 倪燕平 庄严 雷晓峰 陈应陶 20_年 11 月 (西安) 七、实施对策七、实施对策 实施一实施一: :拟定铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构细部构造尺寸。 通过收集国内外类似结构的技术资料,并了解相关工程建设信息,对收 集到的资料小组成员共同学习,消化吸收并进行创新设计,并在专家指导下 拟定铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构轮廓尺寸如下

29、: 图图 1717 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构基顶平面图铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构基顶平面图 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 17 图图 1818 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构立面图铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构立面图 确认效果:通过拱肋高度及宽度、立柱纵横向尺寸、梁部结构高度及 顶底板厚度的比选,最终得到拱肋截面宽 2.5m,拱顶截面高 3.5m,拱脚截面 高 6.0m、立柱纵向宽 1.6m,横向宽 2m、梁部采用单箱单室截面,箱梁高 1.8m,顶板宽 9.1m,底板宽 4.9m,跨中腹板厚 40cm,顶板厚 27cm,底板厚 30cm。 实施二实施二:确定相关设计参数

30、。 劲性骨架钢筋混凝土拱结构是国内较少使用的一种新型结构,钢及混 凝土计算参数、钢构件计算长度和桥面板冲击系数等相关设计参数国内现 行桥梁设计规范并未明确,需要设计者自行研究把握。 为此,小组成员大量查阅了国外结构设计规范。钢构件计算长度按有 限元屈曲稳定分析结果取值。桥面板冲击系数以仿真分析结果与按荷载影 响线计算结果相比较,取最不利值控制设计。 确认效果:通过借鉴国外规范和有限元分析,确定钢及混凝土计算参数、 钢构件计算长度(0.8*Lo)和桥面板冲击系数(1.32)。 实施三实施三:对结构进行有限元分析 在对劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计、施工、使用情况有了一定了解 并确定其轮廓尺寸后,分

31、别采用平面杆系模型(Bsas for windows)和空间 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 18 有限元模型(Midas Civil、FEA、ABAQUS)进行了分析,平面杆系模型主要 用于结构的整体受力分析及混凝土收缩徐变的分析。空间有限元模型主要 用于截面应力分布规律的研究,根据空间有限元模型的计算结果对平面杆 系模型及结构的总体应力储备进行调整。采用 MIDAS CIVIL 建立空间有限 元模型进行加载计算。计算模型如下: 图图 1919 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构有限元模型铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构有限元模型 图图 2020 中中- -活载作用下劲性骨架钢筋混

32、凝土拱结构结构变形图活载作用下劲性骨架钢筋混凝土拱结构结构变形图 分别取运营阶段拱肋跨中、1/4 截面及拱脚位置进行对比分析及截面 检算,提取模型中各结构关键点处的内力值进行检算。 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 19 劲性骨架钢筋混凝土拱结构受力呈明显的空间受力特征,设计中分别 采用平面杆系模型(Bsas for windows)和空间有限元模型(Midas Civil、 、FEA、ABAQUS)进行了分析,通过多种结构分析软件计算,主要计算 结果如下: ( (一一) )结构变形、变位结构变形、变位 1、按铁路桥涵设计基本规范5.2.5 条,拱桥的 1/4 跨度处,由列车

33、 竖向静活载所产生的上下挠度(绝对值)之和(0.014(上)+0.016(下) /115=0.2/8001/800,满足规范要求。 2、按铁路桥涵设计基本规范5.1.2 条,拱上连续梁结构由于列车 竖向静活载所引起的竖向挠度 0.069cmL/800=1.813cm,满足规范要求。 3、按铁路桥涵设计基本规范5.1.2 条,引桥简支梁结构由于列车 竖向静活载所引起的竖向挠度 0.32cmL/800=3.0cm,满足规范要求。 4、拱上连续梁结构由于列车竖向静活载所引起的梁端转角 0.00054rad0.003rad,满足规范要求。 5、拱上简支梁结构由于列车竖向静活载所引起的梁端转角 0.00

34、043rad0.003rad,满足规范要求。 6、在列车活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下连续 梁梁体的水平挠度 0.00133cmL/4000=0.363cm (L=14.5m),满足规范要求。 7、在列车活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下拱肋 的水平挠度 0.914cmL/4000=4.5cm (L=180m),满足规范要求。 ( (二二) )地震特性分析地震特性分析 采用 MIDAS 软件对空间结构进行动力特性分析,得出结构前五阶自振 周期及振型特性如下表所示。 表表 9 9 周期及振型特性周期及振型特性 振型周期(sec)振型特性 2016 年度全国工程建设优秀

35、 QC 小组成果材料 20 N0.11.516 对称横向挠曲振动 N0.21.239 反对称纵向挠曲振动 N0.31.120279 对称纵向挠曲振动 N0.41.120254 反对称纵向挠曲振动 N0.50.918 对称竖向挠曲振动 图图 2121 第一阶振形第一阶振形: :对称横向挠曲振动对称横向挠曲振动 图图 2222 第二阶振形第二阶振形: :反对称纵向挠曲振动反对称纵向挠曲振动 ( (三三) )截面检算截面检算 表表 1010 拱肋截面检算表拱肋截面检算表 纵向 截面位置 控制组合钢筋根数 钢筋应力 (Mpa) 混凝土应 力(Mpa) 裂缝备注 拱脚主+附 3032127.7130.0

36、7 大偏心受压 空实交界处 主+附 3032149.515.10.016 大偏心受压 1 号立柱处 主+附 3032125.212.70.002 大偏心受压 2 号立柱处 主+附 3032132.513.40.000 小偏心受压 3 号立柱处主力 3032116.711.70.000 小偏心受压 1/4 处 主力 1532128.7130.000 小偏心受压 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 21 4 号立柱处主力 1532118.211.90.000 小偏心受压 5 号立柱处主+附 1532168.517.20.016 大偏心受压 拱顶 主力 153215015.40.01

37、2 大偏心受压 计算结果整理后,多次向院内外专家进行咨询,确保计算成果正确。我 院陈应陶多次参与小组活动,并给与了精心指导,参与主要技术标准的制定,组 织小组成员进行技术培训,通过 QC 小组活动,小组成员的设计能力有了显 著提高,也为圆满完成设计任务奠定了基础。 确认效果:从平面杆系、空间梁-板单元模型、三维实体单元模型等有 限元分析结果可得知,均满足规范要求。 实施四实施四:确定劲性骨架钢筋混凝土拱结构的技术要求 根据劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究报告总结分析方法如下: 平面杆系有限元分析,可以比较方便的进行混凝土收缩徐变的模拟,主 要定位于结构的总体受力分析,得出对应设计规范的各项强度

38、和应力以及 抗裂等设计指标,同时进行总体竖向刚度的评价。 空间梁板单元有限元分析,考虑拱肋和桥板面的影响,主要是控制拱 顶框架的强度和应力,对结构的横向刚度进行评价,同时分析离心力、风力 等横向荷载对纵向受力的影响,并对全桥进行整体稳定分析。 三维实体单元有限元分析主要控制结构的局部应力设计、刚度设计, 如空间主应力的处理、梗胁角隅处应力的处理以及结构的竖向、横向变形,同 时为结构横向计算提供理论依据。 在查阅铁路桥涵施工技术指南、铁路施工规范以及征询施工单位、业 主、咨询单位等各方和专家意见的基础上,本 QC 小组成员认真讨论,集思 广益,提出劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案和验收的技术要求

39、,为兰合 线劲性骨架钢筋混凝土拱结构的实施提供了指导意见,达到了本实施阶段 的目标确定铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构技术要求。 确认效果:通过铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究,确定了其技 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 22 术要求(设计方法、设计参数、施工方案和验收技术要求),有效地指导了 设计和施工。 八、确认效果八、确认效果 ( (一一) )检查目标检查目标 1、确定的劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸及结构分析成果,经院 技术主管领导审查通过,在兰合线铁路工程施工图设计专家评审时,认为确 定的劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸经济、合理、美观,分析成果可 信、可靠。 2、确定的劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸及结构分析成果满足 时速160km/h 单线“中-活载”列车正常运营,相关技术指标应满足现行 铁路桥梁设计规范要求。 表表 1111 规范要求与计算结果对比表规范要求与计算结果对比表 项目规范容许值计算结果是否满足要求 L/800 竖向静活载作用下拱桥 1/4 跨度挠度 (m)0.225 0.2 满足 L/4000 梁体水平挠度(m) 0.045 0.00914 满足