论文隧道仰拱栈桥设计与计算

1、PAGE PAGE 10 般隧道仰拱栈桥皑设计与计算郭小华盎（中铁隧道集哎团三处有限公班司，广东深圳叭 5180把51）柏摘 要蔼：为提高结构拔的耐久性，改霸善受力状态，拜仰拱超前、一斑次性全幅施工瓣，已经成为隧白道施工的基本懊要求。为此，隘自行设计制造班成本低、易制般造、移动快捷叭、轻便的片式伴移动仰拱栈桥背在隧道施工现碍场愈来愈普及背本文通过对耙20型钢制奥造6m长的片矮式仰拱栈桥进笆行数值结构模哎拟计算，对其坝在隧道无轨运笆输条件下最大艾动载作用下的叭强度及刚度进蔼行校核，介绍巴了该类仰拱栈白桥在装碴车辆胺通过时的动态熬响应及安全度奥，对同类隧道扮简易片式仰拱绊栈桥的结构强盎度计算有一定

2、阿的借鉴意义。澳关键词盎：仰拱栈桥；坝数值模拟计算胺；荷载；内力1概述鞍铁路隧道施把工规范规定哎：“仰拱施作扒应优先选择各傲段一次成形，阿避免分部灌筑隘”，对于底板哎为软岩大变形隘或者有其他地唉质灾害地段，扒这一条则显得昂非常必要。应埃该说，全幅仰阿拱施工，将会蔼成为铁路隧道瓣施工的一个趋摆势，是根治隧哎道运营病害的昂关键柏3背。白隧道内实行仰芭拱超前衬砌施啊工，并紧跟开鞍挖掌子面，实皑现隧道底部的吧快速封闭，有按利于稳定掌子敖面。而仰拱超笆前的关键在于半解决仰拱施工吧与开挖运输作摆业面的干扰，凹这样，就必须坝引进仰拱栈桥背来解决运输干颁扰问题。鞍仰拱栈桥顾名耙思义，是指在芭隧道施工中架阿设在

3、仰拱上方瓣的临时便桥(艾又称抗干扰平摆台)，主要作疤用是保证仰拱凹施工时，其它摆工序作业仍可哎有序进行（主背要是大型自卸邦汽车可自由通邦过全幅仰拱施哀工段）。目前白国内隧道施工叭中使自制的仰隘拱栈桥已是一懊相成熟的经验背，且大多是跨百度小、载重轻爸、结构形式简柏单的片式仰拱艾栈桥。该栈桥岸结构合理、 百移动方便，把跋掘进、初期支班护与衬砌施工肮流水线连成一皑体，实现掘进袄初期支护与靶二次衬砌等多靶个施工工序的百平行流水作业澳。解决了仰拱翱施工对开挖掘袄进、初期支护碍和二次衬砌等白多个工序施工拌的干扰拜1板。唉据查阅，有关柏文献（包括参按考文献1稗4）均懊是利用静力学唉知识对隧道中败常用的片式仰

4、拜拱栈桥进行简罢单的结构计算疤，重点介绍仰靶拱栈桥的加工摆，仰拱的施工捌工艺要要点。案本文的创新点百是:利用经典罢的ANSYS吧计算程序，将扒常用的仰拱栈稗桥进行数值化碍建模，同时分啊析隧道常规无败轨运输条件下颁的最不利荷载瓣，计算数字化袄仰拱栈桥在最伴不利动载条件澳下结构强度及哎刚度的大小，奥能否满足隧道巴常规无轨运输拌安全要求，并矮判定仰拱栈桥坝的安全度。颁2.仰拱栈桥唉结构组成扒4爸本文模拟计算艾对象采用较为白常见的20把工字钢制作仰扒拱栈桥，其主熬要承载由2根肮工字钢并排双罢面焊接成1组拌单片梁，共4熬组组成一单片八仰拱栈桥，栈伴桥表面用5m百m厚钢板或盎22螺纹钢进佰行横向连结。敖各

5、组工字钢之懊间间距约10罢cm，每组工半字钢（双根）袄宽约0.1*盎2=0.2m邦，共4组工字氨钢（双根）组唉成宽约1.1靶m宽的单片仰哎拱栈桥，组成坝的仰拱栈桥长坝约8m。 该哀仰拱栈桥结构把组成如图1所笆示。办图1 仰伴拱栈桥结构示哀意图(单位：笆mm)唉3.隧道常用跋片式仰拱栈桥扮承载分析八（1）隧道仰蔼拱施工时上方奥通行车辆罢2邦目前对于长度拔小于3km的岸隧道施工中常凹采用大型运输懊车辆进行无轨百运输，但仰拱碍并不通行衬砌盎施工车辆。故碍通过栈桥的主稗要机械可能为败斯太尔25T办自卸汽车、Z扮L50C装载敖机、东风自卸稗汽车、北方奔矮驰自卸汽车、熬PC220挖懊掘机等，其自白重、宽度

6、等列凹于表1：班表1 仰拱肮栈桥上方通行挨主要机械参数翱表叭序号巴设备名称班空载重量懊重载重量挨行走宽度懊轮胎宽度翱轮距净宽哀1俺斯太尔奥12T捌25T白2795mm拌645mm傲1505mm俺2靶PC220熬21.7T白21.7T暗2880mm邦500mm颁1880mm班3氨ZLC50艾22.77T邦22.77T胺2950mm靶645mm坝1560mm坝4搬东风败5T瓣15T敖2500mm瓣550mm盎1400mm斑通过表1可知岸，本计算应以百运碴时通过的按斯太尔自卸汽半车作为仰拱栈俺桥的验算荷载安。但为了安全阿，计算以30背T的公路大型斑自缷汽车为验肮算荷载。且计爸算时仰拱栈桥罢只承载一辆

7、3拜00KN的汽八车。300K百N汽车技术参埃数如表2所示肮。败表2 30瓣0KN汽车技氨术参数表案总重澳前轴重爸后轴重哎轴距敖轮距熬前轮着地宽度蔼及长度澳后轮着地宽度班及长度霸外形尺寸伴KN奥KN绊KN吧m爸m肮m澳m碍m胺300叭60柏2*120熬4+1.4霸1.8拜0.3*0.澳2佰0.6*0.扳2芭8*2.5班（2）设计每跋片梁宽度及工瓣字钢数量艾据表2中所列盎斯太尔轮胎宽熬度(0.60捌m)，并考虑唉斯太尔自卸汽案车行走宽度（蔼0.4m搬）哎，故设计仰拱皑栈桥单片宽度哎为1.0m。坝双片仰拱栈桥翱中心距离为1肮.8m（30艾0KN自卸汽矮车的轮距1.颁8m），则仰傲拱栈桥的外缘佰宽度

8、2.8m碍，内缘宽度为鞍0.8m。颁施工常用的工跋字钢有I20摆、I22a 颁I25a I阿28a ，上袄述各型工字钢安参数如表4所吧示。哎表4 各型翱工字钢参数傲工字钢型号爸I20疤I22a盎I25a邦I28a瓣单位重量(k哀g/m)碍27.9白33坝38.1拌43.4啊惯性距(cm扒4颁)拜2370吧3400板5023.5哎4矮7114.1坝4拜截面模量(c昂m笆3绊)唉237懊309耙401.88瓣508.15斑腿宽（mm）俺100案110笆116袄122傲高度 (mm伴)稗200皑220跋250澳280般设计仰拱栈桥摆拟采用8根般20工字钢作霸为主要承载结澳构，仰拱栈桥胺设计为双片，伴

9、8根工字钢组把成一片仰拱栈敖桥，每片仰拱拌栈桥承载汽车澳一侧轮胎施给翱的重量。胺假设隧道仰拱颁一次施工长度拌为6m，确定爸仰拱栈桥的长澳度为8m，沿霸隧道轴线方向艾仰拱栈桥与仰版拱槽搭接长度跋为1.0m。白（3）仰拱栈霸桥上通过荷载岸分析及确定巴6摆由于所设计的埃仰拱栈桥长达班8m，300熬KN自卸汽车吧前中排轮轮心捌距为4.0m碍，中后排轮轮霸心间距为1.白4m。隧道内跋大型汽车运输啊速度一般在1澳5km/h左巴右，即300奥KN自卸汽车背在仰拱栈桥上翱的行走速度约敖是4.0m/办s。胺300KN自胺卸汽车前轴承按载约6T，前芭排轮单侧轮胎拌承载约3T；拔后轴重约24罢T，由两个间罢距1.4

10、m的岸中后排轮承载鞍，即每排轮胎搬承载约12T稗。每排有中有笆4只轮胎，则半中后排每只轮伴胎承载约3T胺。又根据表2氨知单只车轮接版地时长约0.笆2m，其与长耙约6m的仰拱爸栈桥相比，其懊可视为集中荷扒载。跋设计的仰拱栈拌桥是由双根斑20型钢并成颁一片组合梁并班间距0.1m扮放置4片组合捌梁组合而成，板即宽约0.6班m的中后排单扒侧轮（2只）吧会作用于2片霸组合梁（0.矮2+0.1+斑0.2+0.叭1=0.6m扳）上，则单只盎轮胎（宽约0阿.3m）将始俺终是作用于一稗片组合梁上（般宽约0.2m暗），故单只轮哎胎的接地面积八为0.20*碍0.20=0邦.04m2。叭单轮接地压3叭0000/0氨.

11、04=75啊0000Pa扳。盎对于单根2安0型钢而言，敖其顶面宽约0稗.1m，即当坝300KN汽皑车通过时，单罢根型钢将承载傲单只轮胎施于败其约7500盎00*0.1霸*0.2=1埃5000N的傲荷载。一根型绊钢同时有三个笆轮胎作用其上捌，接地长度一傲共达到0.6败m。即在单根肮型钢上承载有百三个长度约0袄.2m的15盎000N的集把中荷载，相距般分别为前中轮艾心距为4m，氨中后轮心距为扒1.4m。隘由于拟所采用哀的仰拱栈桥较跋长（跨径达到敖6m爸）艾,需要计算仰佰拱栈桥在移动昂荷载作用下其隘应力响应，而靶不能仅仅进行埃静力分析。般4 仰拱栈哀桥最不利受力癌状态下结构强吧度计算摆5皑（1）计算

12、模拌型及简化条件扳将300KN把移动荷载通过般仰拱栈桥时的昂动力响应问题罢简化为：三集澳中荷载（15蔼000N）同癌时作用于一简敖支梁上，该简背支梁一侧固定傲铰支；一侧为叭可动铰支，即翱其可在水平方拔向移动。三集袄中荷载的移动伴速度4.0m吧/s，间距分挨别为4.0 笆m、1.4m艾。因为工字钢板钢梁的质量与哎其上荷载相比拌较小，本计算案中可对之忽略阿不计。霸300KN自哀缷汽车轮胎宽罢约0.6m，绊在通过仰拱栈霸桥时，应该只皑是中间总宽约翱0.7m的2袄组单梁（每组拔双根）为主要扒承载梁，左右碍侧的二组单梁柏基本上处于空般载状态。即单艾片仰拱梁的有凹效工作宽度为安0.4m(2搬组单片组合梁伴

13、)，但由于横爸向连结钢板的伴作用，该空载按的二组单片组案合梁亦会分担澳一部分荷载。柏即需要考虑栈懊桥荷载横向分捌布系数，亦就百是说作用在单邦根型钢上的荷败载会比上述计吧算结果（15盎000N）要白小一些。考虑百到本仰拱栈桥啊中横向连结钢办板的横向联结拜刚度不是很强霸，即轮压荷载柏主要是由中间斑2 根单片组阿合梁承载。但佰为了增大安全绊系数，仍假设懊中间2片组合伴梁承载约10盎0%的轮压，爸进行仰拱栈桥佰强度或刚度验暗算时主要以中拔间2根单片组案合梁所受内力按为主，其承载靶单只轮压约为扒15000N半。靶拟采用ANS疤YS程序中的摆Beam18胺8（空间）的斑模型对仰拱栈按桥进行强度或搬刚度检算

14、。奥确定的计算模澳型如图2所示扮。断面为2板0型钢，弹性敖模量为210搬GPa，泊松佰比为0.3，艾密度为780扒0Kg/m3坝。边界条件为按一侧固定铰支胺，另一侧为可八动铰支。啊图2 仰拱隘栈桥简化计算搬模型芭将6m的长的拔仰拱栈桥模型耙划分为12个佰单元，则30罢0KN自卸汽哀车通过每单元霸时间为0.1扮25s，单轮爸通过整个仰拱奥栈桥时间为1坝.5s，自前敖轮上栈桥始至埃后轮下栈桥止捌，每单轮需要搬行走约6+1耙.4+4=1靶1.4m，共熬有23个荷载半步，每荷载的般子步数设为1八0个。按查（GB70霸6-65般）爸表得知20俺型钢截面几何哀参数为：高度稗h=200m败m；腿宽b=巴10

15、0mm；霸腰厚d=7m懊m；平均腿厚啊t=11.4笆mm。盎将以上截面几吧何参数输入A蔼NSYS程序靶后，可得出稗20型钢截面芭其它几何参数伴如图3所示（背单位：断面积隘为m2,惯性斑矩为m4。抗懊弯模量为m3暗）。巴图3 20把型钢截面几何氨参数图（单位爸：国标稗）班 俺 图4芭 单片仰拱矮栈桥模型图般（2）计算结啊果翱将上参数输入挨所建立的AN板SYS文件，挨实物建模后得百到模型图，如笆图4所示。安本模拟计算中坝设定分析类型澳为瞬态分析法拜，在瞬态分析斑法中选完全分白析法进行后处搬理。柏由于需要对仰巴拱栈桥最不利百受力状态下结澳构强度进行验斑算，首先就需袄要知道汽车在奥仰拱栈桥上行挨走时的

16、最不利办荷载位置。通捌过将车轮负载岸转化为集中荷跋载在模型（梁暗单元组成）上白自梁端走至梁挨尾，可得到各霸单元在不同时背刻的时程曲线澳，再根据时程胺曲线，可得到巴汽车前中后排案轮行走至何位奥置时产生的挠盎度最大，这一伴位置即是整个版仰拱栈桥的最伴不利荷载位置白。经过后处理癌，可得到模型柏中间数个节点佰的挠度变化曲叭线，如图5所肮示。UY-8UY-9UY-7UY-10UY-6UY-11UY-5半图5 仰拱案栈桥20型吧钢模型中间数啊个节点挠度时扳程曲线哎自图5可知，碍有限元模型上稗第8号节点在疤车辆动载运行捌过程中挠度最摆大，达到了0拜.020m。氨仰拱型钢有限澳元模型长为6矮m，共被划分案为1

17、2个单元柏，1、2号节霸点被分配给起斑始点与结束点阿，起始位置为埃3号节点，这耙样，8号节点袄就位于有限元拜模型的正中间百，为中间节点艾，即对本有限柏元计算而言，熬在动载运行过癌程中，有限元扒模型中间节点拔挠度最大。这耙与有关理论分翱析结果是一致把的，即跨中对绊动载的响应最哀大。此跨中即板为整个仰拱栈叭桥中最不利荷叭载位置。盎汽车在仰拱栈半桥上通行时间皑约2.875拌s。上述各节把点挠度曲线均傲反映出在动载笆行走至2.0办s时，有限元跋模型上节点或斑单元对动载达般到响应最大。碍而对应有限元岸计算过程可知捌，2.0s时翱为300KN懊汽车前轮行走瓣至第16载荷般步。即汽车前拔轮已离开仰拱佰栈桥，

18、其距仰奥拱后边缘约2案.0m；而汽瓣车中后排轮刚扒好对称分布于凹仰拱栈桥跨中哀位置，此时仰罢拱栈桥跨中挠耙度达到了最大碍，此位置即仰搬拱栈桥最不利巴位置。示意如艾图6所示。半图6 仰拱碍栈桥负300啊KN汽车动载霸时其最不利位安置示意图斑根据此最不利瓣位置，应用程坝度进行后处理柏，可得到单根百20工字钢啊在第16载荷稗步时的位移、隘应力云图，并澳得到相应的量半大值。计算出翱的位移、应力背云图如图7、按8所示。按图7 最不拜利荷载位置仰肮拱型钢位移图扮 扮 图昂8 最不利碍荷载位置仰拱埃型钢应力云图阿自图8、9可爸知，斯太尔自百卸汽车在仰拱盎栈桥上方行走哀，当汽车中后翱排轮位于栈桥氨跨中两侧时，

19、背此时前轮已离白开栈桥约1.巴7m的距离，皑仰拱栈桥会达氨到最大位移及绊应力响应，最背大变位达到了翱20.015澳mm，单根捌20型钢所受暗最大弯曲应力癌达到了111氨MPa。盎同样，应用后啊处理程序，可稗得到单根2哎0工字钢在第癌16载荷步时白的剪力、弯矩稗云图，并得到扳相应的量大值按。如图9、1拔0所示。啊图9 最不利捌荷载位置仰拱矮栈桥型钢剪力扮云图 埃 图10百 最不利荷傲载位置仰拱栈柏桥型钢弯矩云败图巴自图9、10按可知，最不利稗荷载位置时，般其最大剪力达班到了1222暗1N，最大弯唉矩达到了26靶080NM吧。最大剪力位挨于两侧固定处斑，最大弯矩位班于跨中。坝（3）强度校鞍核罢由计

20、算结果知唉仰拱栈桥中单巴根20型钢拜中最大弯曲应稗力达到了11背1MPa，要俺小于20型昂钢的容许正应澳力=1百52 MPa俺，安全系数达摆到了1.34八。但是上面的按计算中没有考版虑型钢的自重柏，一般来说，板由梁的自重引办起的最大正应叭力不到6 M隘Pa，但相加胺时仍要小于胺20型钢的容板许应力。即隧敖道1标如果仅版用8根20办型钢制作施工安用仰拱栈桥，昂其强度基本能盎保证工地上所斑用斯太尔（2捌50KN胺）绊自卸汽车通过罢要求，但富余佰量不大。唉（4）刚度校哎核隘在按强度条件安选择了型钢型皑号后，还需要阿对仰拱栈桥梁凹进行刚度校核拜，也就是说要哎按梁的刚度条按件检查梁的位蔼移是否在设计吧容

21、许范围之内拜，因为梁的位扒移超过了规定柏的限度，其正案常工作条件就案得不到保证，爸特别是在大型八汽车通过时，绊如果挠度过大安，仰拱栈桥将暗发生较大的振坝动，或产生共哀振，使得仰拱拔栈桥的动力响扒应度达到最大白，梁处于不安白全状态。故有罢必要对梁的刚耙度进行校核。袄在土建工程方阿面，对于梁的鞍挠度，其容许案值通常用容许板的挠度与梁跨癌长的比值f俺/L作为标耙准，该值一般斑在1/250斑1/100癌0范围内。扮若容许f/拔L为1/2扳50，则本仰瓣拱栈桥的容许碍挠度为0.0昂24m，上述哀计算表明仰拱唉栈桥最大挠度叭将达到了0.柏020m，要巴小于梁的容许斑挠度，即仰拱扒栈桥的刚度条叭件基本能满足

22、邦要求，基本上皑能正常工作，澳但富余量不大罢。八综上所述，如按果仅将2根板20型钢全长岸双面焊接成1唉组单片梁并间艾距约10cm爸，共4组组成般一单片仰拱栈熬桥（栈桥表面捌用5mm厚钢吧板或22螺背纹钢进行横向奥连结），则该巴仰拱栈桥的强肮度、刚度均只敖能基本上满足奥栈桥通过斯太捌尔自卸车的要笆求，安全系数伴在1.3左右敖。基本上能满袄足施工要求，罢但富余度不大凹。5结论挨通过以上计算白，可得出以下吧结论：般（1）上述计傲算中所进行的肮简化与实际情胺况均相差不大案，计算结果应捌该是可信的，扒基本上与实际百情况相符。扒（2）上述计按算只是针对采般用最常见的工板字钢制作最简奥便的仰拱栈桥扒而言，即当一耙次施工仰拱长叭度不大于6m白时，采用8片岸