长沙隧道仰拱栈桥设计及结构强度检算

1、隧道仰拱栈桥设计及结构强度检算1、全幅封闭仰拱施工方法为了加快施工速度，确保仰拱施工质量，浏阳河隧道左右线宜采用全幅封闭仰拱施工工艺。首先进行仰仰拱土方方开挖，仰仰拱槽段段土方采采用松动动爆破开开挖，挖挖掘机配配合修边边及装碴碴，大型型自卸汽汽车运输输。仰拱拱槽段开开挖完毕毕后进行行初支型型钢拱架架成环支支护，型型钢间距距500.8mm（同上上部初支支型钢拱拱架间距距），与与上部初初支型钢钢拱架采采用螺栓栓连接，使使拱架封封闭成环环，纵向向采用22钢筋牢牢固焊接接，钢筋筋环向间间距1.00m 。初支支型钢拱拱架成环环支护后后，即进进行仰拱拱砼双层层钢筋制制安，完完成后即即可进行行仰拱砼砼浇注工

2、工作，仰仰拱砼为为C25防水砼砼，灌注注至二衬衬砼设计计高度后后并达一一定强度度后，在在其上接接着回填填C15砼至仰仰拱设计计高度。仰拱一次施施工完毕毕，每一一次施作作长度为为6m 。由于不影响响二衬施施工，边边墙水沟沟在拱墙墙二衬完完成后进进行施工工，仰拱拱上约36ccm 复合路路面待隧隧道贯通通后施工工。为了减少仰仰拱施工工对隧道道内运输输线路的的干扰，在在前方工工作不需需要运输输时即进进行槽段段土方开开挖，初初步完成成后即在在仰拱槽槽段上方方架设两两片自制制简易仰仰拱栈桥桥，以备备大型自自卸汽车车通过仰仰拱施工工段。由由于并不不干扰隧隧道内运运输线路路，在仰仰拱槽段段上方通通车的同同时，

3、可可对仰拱拱进行一一次性全全幅施工工（包括括仰拱二二衬钢筋筋砼施工工及仰拱拱砼回填填）。仰拱砼施工工由专业业作业队队施工，确确保仰拱拱施工段段距前方方开挖面面不超过过50 m ，确保保仰拱施施工段距距后方拱拱墙二衬衬约50mm ，并与与拱墙二二衬平行行作业，均均衡向前前推进。仰拱施工总总的要求求是：仰仰拱开挖挖断面符符合设计计要求，不不许欠挖挖；施作作仰拱混混凝土前前应清除除隧底虚虚碴、杂杂物和积积水；超超挖部分分采用同同级混凝凝土回填填。2、全幅封封闭仰拱拱施工工工艺为保证砼“尺寸准准确，强强度合格格，内实实外美，不不渗不漏漏”，把二二次衬砌砌砼以管管沟盖板板顶下15ccm 为分界界线，分分

4、边墙基基础及拱拱墙两部部分施工工。分界界线以上上部分用用模板台台车整体体浇注，分分界线以以下部分分用人工工立模浇浇筑。施工顺序：仰拱（有有仰拱地地段）超超前边墙基基础拱墙衬衬砌人工立立模沟槽槽施工。衬衬砌施工工采取仰仰拱超前前的施工工方法，砼砼采用甲甲供的商商品砼，由由混凝土土搅拌车车运至工工地现场场，输送送泵泵送送，插入入式及附附着式振振捣器振振捣。仰拱、边墙墙基础钢钢筋绑扎扎前首先先检查净净空尺寸寸，合格格后根据据测量放放样的水水平、中中线点，设设置定位位钢筋，再再安装主主筋，保保证钢筋筋位置的的正确。堵堵头模板板处预留留的接头头钢筋及及与拱墙墙衬砌钢钢筋接茬茬处均长长短错开开，保证证满足

5、钢钢筋焊接接需要，钢钢筋焊接接采用帮帮焊接头头。仰拱、边墙墙基础混混凝土浇浇注过程程中，根根据混凝凝土浇注注的进度度将拼装装式大样样钢模固固定在钢钢筋骨架架上方，保保证仰拱拱混凝土土的拱形形。边墙墙基础模模板安装装牢固，砼砼浇注高高度一致致。混凝凝土浇注注采用混混凝土输输送泵浇浇注，插插入式振振捣器捣捣固，浇浇注完成成后及时时洒水养养护。仰仰拱、边边墙基础础砼浇注注达到一一定强度度后，浇浇注填充充砼。3、防运输输干扰仰仰拱栈桥桥加工建议采用20工字钢钢制作仰仰拱栈桥桥，其由由2根工字字钢并排排双面焊焊接成1组单片片梁，共共4组组成成一单片片仰拱栈栈桥，栈栈桥表面面用5mmm 厚钢板板进行横横向

6、连结结。各组组工字钢钢之间间间距约10ccm ，每组组工字钢钢（双根根）宽约约0.11*2=0.22m，共4组工字字钢（双双根）组组成宽约约1.11m 宽的单单片仰拱拱栈桥，组组成的仰仰拱栈桥桥长约8m 。某隧道加工工好后并并在现场场应用的的防运输输干扰仰仰拱栈桥桥如图片片1所示。图1 某隧隧道现场场所应用用的防运运输干扰扰仰拱栈栈桥图片片4、防运输输干扰仰仰拱栈桥桥设计及及强度验验算4.1 仰仰拱栈桥桥设计防运输干扰扰仰拱栈栈桥能在在无轨运运输快速速施工中中发挥重重要作用用。正是是因为其其影响着着隧道运运输线路路的通畅畅与否，所所以仰拱拱栈桥的的设计非非常关键键，其强强度及稳稳定性需需要进行

7、行验算。（1）仰拱拱施工时时上方通通行车辆辆分析右线施工中中采用大大型运输输车辆进进行无轨轨运输。进进行无轨轨运输时时均存在在一个运运输系统统对仰拱拱施工干干扰的问问题。但但仰拱上上方通行行车辆与与仅为前前方开挖挖工作面面开挖及及支护工工序服务务，并不不通行衬衬砌施工工车辆。故故通过架架设于仰仰拱上方方栈桥的的主要机机械可能能为斯太太尔25TT 自卸汽汽车、ZL550C 装载机机、东风风自卸汽汽车、北北方奔驰驰自卸汽汽车、PC2220挖掘机机等，其其自重、宽宽度等列列于表1：（2）仰拱拱栈桥承承载确定定通过表1可可知，本本计算以以斯太尔尔自卸汽汽车重载载时作为为仰拱栈栈桥的验验算荷载载。 但为

8、了了安全，计计算以30TT 的公路路大型自自缷汽车车为验算算荷载（公公路工程程技术规规范）。计算出的仰仰拱栈桥桥只承载载一辆3000KN 的汽车车。300KNN 汽车技技术参数数如表2所示。表2 3000KNN汽车技技术参数数表（3）设计计每片梁梁宽度及及工字钢钢数量据表2中所所列斯太太尔轮胎胎宽度(0.60mm，并考考虑斯太太尔自卸卸汽车行行走宽度度（0.44m ），故故设计仰仰拱栈桥桥单片宽宽度为1.00m 。双片片仰拱栈栈桥中心心距离为为1.88m （3000KN自卸汽车的的轮距1.88m ），则则仰拱栈栈桥的外外缘宽度度2.88m ，内缘缘宽度为为0.88m 。施工常用的的工字钢钢有I

9、20、I222a II25aa I228a ，上述述各型工工字钢参参数如表表4所示。设计仰拱栈栈桥拟采采用20工字钢钢作为仰仰拱栈桥桥承载结结构, 由8根20型钢并并排全长长双面焊焊接作为为主要仰仰拱承载载梁，仰仰拱栈桥桥设计为为双片，8根工字字钢组成成一片仰仰拱栈桥桥，每片片仰拱栈栈桥承载载汽车一一侧轮胎胎施给的的重量。假设浏阳河河隧道仰仰拱一次次施工长长度为6m ，确定定仰拱栈栈桥的长长度为9m ，沿隧隧道轴线线方向仰仰拱栈桥桥与仰拱拱槽搭接接长度为为1.55m 。4.2 仰仰拱栈桥桥最不利利受力状状态下结结构强度度验算（1）仰拱拱栈桥上上通过荷荷载分析析由于所设计计的仰拱拱栈桥长长达9m

10、 ，3000KN 自卸汽汽车前中中排轮轮轮心距为为4.00m ，中后后排轮轮轮心间距距为1.44m 。斯太太尔重型型自卸汽汽车实物物图片如如图2所示。图2 斯太太尔重型型自卸汽汽车由于拟所采采用的仰仰拱栈桥桥较长（跨跨径达到到6m ）, 需要计计算仰拱拱栈桥在在移动荷荷载作用用下其应应力响应应，而不不能仅仅仅进行静静力分析析。隧道内大型型汽车运运输速度度一般在在15kkm/hh左右，即即3000KN 自卸汽汽车在仰仰拱栈桥桥上的行行走速度度约是4.00m/ss。300KNN 自卸汽汽车前轴轴承载约约6T ，前排排轮单侧侧轮胎承承载约3T ；后轴轴重约24TT ，由两两个间距距1.44m 的中后

11、后排轮承承载，即即每排轮轮胎承载载约12TT 。每排排有中有有4只轮胎胎，则中中后排每每只轮胎胎承载约约3T 。又根根据表2知单只只车轮接接地时长长约0.22m ，其与与长约6m 的仰拱拱栈桥相相比，其其可视为为集中荷荷载。设计的仰拱拱栈桥是是由双根根20型钢并并成一片片组合梁梁并间距距0.11m 放置4片组合合梁组合合而成，即即宽约0.66m 的中后后排单侧侧轮（2只）会会作用于于2片组合合梁（0.22+0.1+00.2+0.11=0.6m）上，则则单只轮轮胎（宽宽约0.33m ）将始始终是作作用于一一片组合合梁上（宽宽约0.22m ），故故单只轮轮胎的接接地面积积为0.220*00.200

12、=0.04mm2。单轮轮接地压压300000/0.004=77500000PPa。对于单根20型钢而而言，其其顶面宽宽约0.11m ，即当3000KN 汽车通通过时，单单根型钢钢将承载载单只轮轮胎施于于其约75000000*0.1*00.2=150000NN的荷载载。一根根型钢同同时有三三个轮胎胎作用其其上，接接地长度度一共达达到0.66m 。即在在单根型型钢上承承载有三三个长度度约0.22m 的150000NN 的集中中荷载，相相距分别别为前中中轮心距距为4m ，中后后轮心距距为1.4m 。（2）计算算模型及及简化条条件可将3000KN 的自卸卸汽车通通过仰拱拱栈桥时时，仰拱拱栈桥在在移动荷

13、荷载作用用下的应应力响应应问题简简化为：三集中中荷载（150000NN ）同时时作用于于一简支支梁上，该该简支梁梁一侧固固定铰支支；一侧侧为可动动铰支，即即其可在在水平方方向移动动。三集集中荷载载的移动动速度4.00m/ss，间距距分别为为4.00 m、1.44m 。因为为工字钢钢钢梁的的质量与与其上荷荷载相比比较小，本本计算中中可对之之忽略不不计。300KNN 自缷汽汽车轮胎胎宽约0.66m ，在通通过仰拱拱栈桥时时，应该该只是中中间总宽宽约0.77m 的2组单梁梁（每组组双根）为为主要承承载梁，左左右侧的的二组单单梁基本本上处于于空载状状态。即即单片仰仰拱梁的的有效工工作宽度度为0.44m

14、(22组单片片组合梁梁 ，但由由于横向向连结钢钢板的作作用，该该空载的的二组单单片组合合梁亦会会分担一一部分荷荷载。即即需要考考虑栈桥桥荷载横横向分布布系数，亦亦就是说说作用在在单根型型钢上的的荷载会会比上述述计算结结果（150000NN ）要小小一些。考考虑到本本仰拱栈栈桥中横横向连结结钢板的的横向联联结刚度度不是很很强，即即轮压荷荷载主要要是由中中间2 根单片片组合梁梁承载。但但为了增增大安全全系数，仍仍假设中中间2片组合合梁承载载约1000%的轮压压，进行行仰拱栈栈桥强度度或刚度度验算时时主要以以中间2根单片片组合梁梁所受内内力为主主，其承承载单只只轮压约约为150000NN 。拟采用A

15、NNSYSS 程序中中的Beaam1888（空间间）的模模型对仰仰拱栈桥桥进行强强度或刚刚度检算算。确定的计算算模型如如图3所示。断断面为20型钢。图3 仰拱拱栈桥简简化计算算模型首先选择20作为仰仰拱栈桥桥，弹性性模量为为2100GPaa ，泊松松比为0.3，密度度为78000Kgg/m33。边界条件为为一侧固固定铰支支，另一一侧为可可动铰支支。将6m 的的长的仰仰拱栈桥桥模型划划分为12个单元元，则3000KN 自卸汽汽车通过过每单元元时间为为0.1125ss ，单轮轮通过整整个仰拱拱栈桥时时间为1.55s ，自前前轮上栈栈桥始至至后轮下下栈桥止止，每单单轮需要要行走约约6+11.4+4=

16、111.44m，共有23个荷载载步，每每荷载的的子步数数设为10个。查（GB7706-65）表得得知20型钢截截面几何何参数为为：高度度h=2200mmm；腿宽b=1100mmm；腰厚d=77mm；平均均腿厚t=111.44mm。将以上截面面几何参参数输入入ANSSYS 程序后后，可得得出20型钢截截面其它它几何参参数如图图4所示（单单位：断断面积为为m 22, 惯性矩矩为m 4。抗弯弯模量为为m 3）。图4 220型钢截截面几何何参数图图（单位位：国标标）（3）计算算结果将上参数输输入所建建立的ANSSYS 文件，实实物建模模后得到到以下模模型图，如如图5所示。图5 单片片仰拱栈栈桥模型型图

17、本模拟计算算中设定定分析类类型为瞬瞬态分析析法，在在瞬态分分析法中中选完全全分析法法进行后后处理，完完全分析析法采用用完整的的系统矩矩阵计算算结构的的瞬态响响应，能能较好地地模拟仰仰拱栈桥桥型钢的的变形及及受力。由于需要对对仰拱栈栈桥最不不利受力力状态下下结构强强度进行行验算，首首先就需需要知道道汽车在在仰拱栈栈桥上行行走时的的最不利利荷载位位置。通通过将车车轮负载载转化为为集中荷荷载在模模型（梁梁单元组组成）上上自梁端端走至梁梁尾，可可得到各各单元在在不同时时刻的时时程曲线线，再根根据时程程曲线，可可得到汽汽车前中中后排轮轮行走至至何位置置时产生生的挠度度最大，这这一位置置即是整整个仰拱拱栈

18、桥的的最不利利荷载位位置。经过后处理理，可得得到模型型中间数数个节点点的挠度度变化曲曲线，如如图6所示。图6 仰拱拱栈桥20型钢模模型中间间数个节节点挠度度时程曲曲线自图6可知知，有限限元模型型上第8号节点点在车辆辆动载运运行过程程中挠度度最大，达达到了0.0020mm ，其次次是7、9号节点点，5、11号节点点在上图图7个节点点中挠度度最小，可可从上图图中发现现以下规规律，即即是距离离8号节点点愈远，挠挠度愈小小。即使使将所有有节点的的挠度曲曲线进行行对比，此此规律仍仍是成立立的。仰拱型钢有有限元模模型长为为6m ，共被被划分为为12个单元元，1、2号节点点被分配配给起始始点与结结束点，起起

19、始位置置为3号节点点，这样样，8号节点点就位于于有限元元模型的的正中间间，为中中间节点点，即对对本有限限元计算算而言，在在动载运运行过程程中，有有限元模模型中间间节点挠挠度最大大。这与与有关理理论分析析结果是是一致的的，即跨跨中对动动载的响响应最大大。此跨跨中即为为整个仰仰拱栈桥桥中最不不利荷载载位置。汽车在仰拱拱栈桥上上通行时时间约2.8875ss 。上述述各节点点挠度曲曲线均反反映出在在动载行行走至2.00s 时，有有限元模模型上节节点或单单元对动动载达到到响应最最大。而而对应有有限元计计算过程程可知，2.00s 时为3000KN 汽车前前轮行走走至第16载荷步步。即汽汽车前轮轮已离开开仰

20、拱栈栈桥，其其距仰拱拱后边缘缘约2.00m；而汽车中中后排轮轮刚好对对称分布布于仰拱栈桥跨中中位置，此此时仰拱拱栈桥跨跨中挠度度达到了了最大，此此位置即即仰拱栈栈桥最不不利位置置。示意意如图7所示。图7 仰拱拱栈桥负负3000KN 汽车动动载时其其最不利利位置示示意图根据此最不不利位置置，应用用程度进进行后处处理，可可得到单单根20工字钢钢在第16载荷步步时的位位移、应应力云图图，并得得到相应应的量大大值。计计算出的的位移、应应力云图图如图8、9所示。图8 最不不利荷载载位置仰仰拱型钢钢位移图图图9 最不不利荷载载位置仰仰拱型钢钢应力云云图自图8、99可知，斯斯太尔自自卸汽车车在仰拱拱栈桥上上

21、方行走走，当汽汽车中后后排轮位位于栈桥桥跨中两两侧时，此此时前轮轮已离开开栈桥约约1.77m 的距离离，仰拱拱栈桥会会达到最最大位移移及应力力响应，最最大变位位达到了了20.0155mm ，单根20型钢所所受最大大弯曲应应力达到到了1111MPaa 。同样，应用用后处理理程序，可可得到单单根20工字钢钢在第16载荷步步时的剪剪力、弯弯矩云图图，并得得到相应应的量大大值。如如图10、11所示。图10 最最不利荷荷载（16荷载步步）位置置仰拱栈栈桥型钢钢剪力云云图图10 最最不利荷荷载（16荷载步步）位置置仰拱栈栈桥型钢钢弯矩云云图自图10、11可知，最最不利荷荷载位置置时，其其最大剪剪力达到到了

22、122221NN ，最大大弯矩达达到了260080NN MM 。最大大剪力位位于两侧侧固定处处，最大大弯矩位位于跨中中。为了对比，现现将汽车车位于最最不利荷荷载位置置附近几几个节点点时的栈栈桥型钢钢承载的的变形、应应力、所所受剪力力、弯矩矩云图示示如下各各图。当汽车中后后排轮中中间点距距栈桥跨跨中还有有0.55m 时（最最不利荷荷载步左左侧），即即第15荷载步步时，单单根20型钢变变形、弯弯曲应力力剪力、弯弯矩云图图分别如如图11、12、13、14所示。图11 汽汽车中后后排轮中中间点距距跨中-0.5m （左侧侧）时单单根20型钢变变形云图图图12 汽汽车中后后排轮中中间点距距跨中-0.5m

23、（左侧侧）时单单根20型钢弯弯曲应力力云图图13 汽汽车中后后排轮中中间点距距跨中-0.5m （左侧侧）时单单根20型钢剪剪力云图图图14 汽汽车中后后排轮距距跨中-0.5m （左侧侧）时单单根20型钢弯弯矩云图图自上各图所所知，当当3000KN 汽车中中后排轮轮中间位位于距栈栈桥跨中中还有0.55m 时，仰仰拱栈桥桥最大变变位达到到了19.34mmm ，单根20型钢所所受最大大弯曲应应力达到到了1077MPaa 。均小小于15荷载步步时的变变形及应应力。同样，155荷载步步时，其其最大剪剪力达到到了135593NN ，最大大弯矩达达到了251106NN MM 。 当汽车车中后排排轮中间间点超

24、过过栈桥跨跨中0.55m 时（最最不利荷荷载步右右侧），即即第17荷载步步时，单单根20型钢变变形、弯弯曲应力力剪力、弯弯矩云图图分别如如图15、16、17、18所示。图15 汽汽车中后后排轮中中间点超超过跨中中0.55m （右侧侧）时单单根20型钢变变形云图图图16 汽汽车中后后排轮中中间点超超过跨中中0.55m （右侧侧）时单单根20型钢应应力云图图 图17 汽车中中后排轮轮中间点点超过跨跨中0.55m （右侧侧）时单单根20型钢剪剪力云图图图18 汽汽车中后后排轮中中间点超超过跨中中0.55m （右侧侧）时单单根20型钢弯弯矩云图图自上各图所所知，当当3000KN 汽车中中后排轮轮中间点

25、点越过距距栈桥跨跨中0.55m 时，仰仰拱栈桥桥最大变变位达到到了19.9466mm ，单根20型钢所所受最大大弯曲应应力达到到了1133MPaa 。该荷荷载步时时变形小小于15荷载步步，但其其承载的的应力大大于16荷载步步时的1111MPaa 。17荷载步步时，其其最大剪剪力达到到了155536NN ，最大大弯矩达达到了265581NN MM 。 当汽车车中后排排轮中间间点距栈栈桥跨中中还有1m 时（最最不利荷荷载步左左侧），即即第14荷载步步时，单单根20型钢变变形、弯弯曲应力力云图分分别如图图19、20所示。图19 汽汽车中后后排轮中中间点距距跨中-1mm （左侧侧）时单单根20型钢变变

26、形云图图汽车中后排排轮中间间点距跨跨中-1m（左侧侧）时单单根 图 200 汽车中中后排轮轮中间点点距跨中中-1m（左侧侧）时单单根20 型钢弯弯曲应力力云图 自上二二图所知知，当 3000KNN 汽车中中后排轮轮中间位位于距栈栈桥跨中中还有 1mm 时，仰 拱栈桥桥最大变变位达到到了 188.133mm，单根20 型钢所所受最大大弯曲应应力达到到了 1005MPPa。均小小于 155 荷载步步时的变变形及应应力。 同样，当当汽车中中后排轮轮中间点点超过栈栈桥跨中中 1mm 时（最最不利荷荷载步右右侧）， 即第 188 荷载步步时，单单根20 型钢变变形、弯弯曲应力力云图分分别如图图 21、22 所示。 1m（右侧侧）时单单根 图 211 汽车中中后排轮轮中间点点超过跨跨中 1m（右侧侧）时单单根20 型钢变变形云图图 166 1m（右侧侧）时单单根 图 222 汽车中中后排轮轮中间点点超过跨跨中 1m（右侧侧）时单单根20 型钢应应力云图图 自上二二图所知知，当 3000KNN 汽车中中后排轮轮中间越越过栈桥桥跨中 1mm 时，仰仰拱栈桥桥 最大变变位达到到了 188.9mmm，单根20 型钢所所受最大大弯曲应应力达到到了 1112MPPa。要 小于 155 荷载步步时的变变形及应应力。 从图 822 中可以以发现，当 300KN 汽车前轮越