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文档简介
PAGEPAGE2隧道仰拱栈桥设计与计算郭小华(中铁隧道集团三处有限公司,广东深圳518051)摘要:为提高结构的耐久性,改善受力状态,仰拱超前、一次性全幅施工,已经成为隧道施工的基本要求。为此,自行设计制造成本低、易制造、移动快捷、轻便的片式移动仰拱栈桥在隧道施工现场愈来愈普及.本文通过对Ⅰ20型钢制造6m长的片式仰拱栈桥进行数值结构模拟计算,对其在隧道无轨运输条件下最大动载作用下的强度及刚度进行校核,介绍了该类仰拱栈桥在装碴车辆通过时的动态响应及安全度,对同类隧道简易片式仰拱栈桥的结构强度计算有一定的借鉴意义。关键词:仰拱栈桥;数值模拟计算;荷载;内力1.概述《铁路隧道施工规范》规定:“仰拱施作应优先选择各段一次成形,避免分部灌筑”,对于底板为软岩大变形或者有其他地质灾害地段,这一条则显得非常必要。应该说,全幅仰拱施工,将会成为铁路隧道施工的一个趋势,是根治隧道运营病害的关键[3]。隧道内实行仰拱超前衬砌施工,并紧跟开挖掌子面,实现隧道底部的快速封闭,有利于稳定掌子面。而仰拱超前的关键在于解决仰拱施工与开挖运输作业面的干扰,这样,就必须引进仰拱栈桥来解决运输干扰问题。仰拱栈桥顾名思义,是指在隧道施工中架设在仰拱上方的临时便桥(又称抗干扰平台),主要作用是保证仰拱施工时,其它工序作业仍可有序进行(主要是大型自卸汽车可自由通过全幅仰拱施工段)。目前国内隧道施工中使自制的仰拱栈桥已是一相成熟的经验,且大多是跨度小、载重轻、结构形式简单的片式仰拱栈桥。该栈桥结构合理、移动方便,把掘进、初期支护与衬砌施工流水线连成一体,实现掘进.初期支护与二次衬砌等多个施工工序的平行流水作业。解决了仰拱施工对开挖掘进、初期支护和二次衬砌等多个工序施工的干扰[1]。据查阅,有关文献(包括参考文献[1]~[4])均是利用静力学知识对隧道中常用的片式仰拱栈桥进行简单的结构计算,重点介绍仰拱栈桥的加工,仰拱的施工工艺要要点。本文的创新点是:利用经典的ANSYS计算程序,将常用的仰拱栈桥进行数值化建模,同时分析隧道常规无轨运输条件下的最不利荷载,计算数字化仰拱栈桥在最不利动载条件下结构强度及刚度的大小,能否满足隧道常规无轨运输安全要求,并判定仰拱栈桥的安全度。2.仰拱栈桥结构组成[4]本文模拟计算对象采用较为常见的Ⅰ20工字钢制作仰拱栈桥,其主要承载由2根工字钢并排双面焊接成1组单片梁,共4组组成一单片仰拱栈桥,栈桥表面用5mm厚钢板或φ22螺纹钢进行横向连结。各组工字钢之间间距约10cm,每组工字钢(双根)宽约0.1*2=0.2m,共4组工字钢(双根)组成宽约1.1m宽的单片仰拱栈桥,组成的仰拱栈桥长约8m。该仰拱栈桥结构组成如图1所示。图1仰拱栈桥结构示意图(单位:mm)呀3.谋隧道肉常用稼片式慢仰拱炭栈桥榨承载蛇分析友(苹1掠)躬隧道喇仰拱烟施工冬时上公方通住行车坑辆卡[虫2咸]屑目前趁对于旦长度稀小去于练3k住m爸的隧奔道溉施工窃中漏常蔑采用招大型黑运输术车辆快进行网无轨词运输赵,委但仰俩拱络并喷不通皂行衬戚砌施欢工车江辆。致故通哭过栈蛛桥的其主要熊机械听可能蜂为腐斯太欧尔三25欣T蛮自卸喇汽车期、约ZL垃50扒C晌装载惯机、俊东风报自卸作汽车夜、北竖方奔侮驰自麦卸汽脱车费、辅PC孟22稀0拼挖掘兵机等孔,其伍自重既、宽价度等牺列于宣表课1粪:绵表龟1板六尿仰拱毛栈桥请上方辉通行谈主要众机械皂参数虾表蓬序号窝设备炕名称鸭空载燥重量拢重载贺重量睡行走拦宽度牛轮胎评宽度锹轮距宁净宽督1读斯太嘴尔疮12蛮T恳25短T软27教95壮mm跨64戚5m帽m伯15他05始mm裹2栽PC利22月0年21祥.7蓝T敞21候.7苦T母28翠80男mm叙50缺0m猛m崖18虹80骑mm折3误ZL旗C5络0穿22瞒.7午7T手22为.7争7T芝29盒50牢mm寨64未5m把m洋15棋60吨mm巧4欢东风循5T弄15枝T象25给00领mm粘55瞒0m丑m废14熄00词mm碗通过坏表清1券可知色,狠本计锯算潜应姨以辞运碴居时通逆过的发斯太荐尔派自卸啦汽车乳作为伯仰拱早栈桥寺的验疾算荷黑载立。裤但为溜了安缠全,膨计算准以龙30犹T哭的公楚路大不型自堪缷汽泪车为修验算哈荷载芝。亦且计触算时鲁仰拱晴栈桥符只承茫载一脏辆煮30蜘0K批N估的汽僵车惠。寸30茅0K眉N机汽车迎技术唱参数却如炮表旺2炉所示跃。督表弓2束3健00微K急N闸汽车尝技术美参数罗表做总重戚前轴照重皇后轴壤重抢轴距秘轮距拨前轮牢着地处宽度适及长现度雄后轮六着地做宽度扛及长去度船外形帖尺寸报KN泽KN胆KN庙m花m象m循m畏m炭30却0抗60果2*粗12环0到4+泻1.拌4缩1.图8惧0.颗3*耕0.渔2蜂0.仅6*得0.崖2凡8*政2.涌5联(淹2歌)设梁计每睁片梁乔宽度截及工肯字钢厨数量瓦据平表亦2资中所振列统斯太支尔资轮胎存宽窗度映(辆0.损6究0轧m污)赔,并窜考虑孩斯太清尔丹自卸嘱汽车愚行走引宽度灭(议0.罩4器m咸)控,故委设计忘仰拱揭栈桥雷单片棵宽度喷为掩1.比0支m崇。双墙片仰吵拱栈摩桥中涌心距兵离为琴1.齐8等m竞(洞30高0K涌N鸟自卸址汽车境的堡轮输距蓬1.弱8m顿),饭则熄仰拱愈栈桥包的外俭缘宽毫度牵2.宿8穴m做,内偿缘宽项度为促0.浙8踩m僵。院施工炸常用锈的工扔字钢启有牲I2售0复、芬I2州2a延I杀25阶a山I2棵8a妇著,上本述各膏型工祥字钢丙参数增如汽表牌4挑所示爪。跑表置4绍恼各型规工字增钢参惩数迫工字自钢型与号崭I2损0运I2霜2a是I2思5a捧I2坐8a醒单位陡重棍量龟(道kg服/m兽)患27兽.9牧33屡38探.1延43借.4缓惯性羊距陷(遇cm窄4阿)中23伙70蚂34抄00旁50行23熄.5认4痰71督14如.1画4漆截面项模酿量洞(艇cm击3桑)群23选7馅30暮9担40拢1.竞88泪50怜8.绩15衬腿宽没(铺m怖m势)距10哀0齿11负0絮11址6取12贫2合高掌度顺(狭mm卷)述20孩0添22揪0盗25明0骡28菜0使设计脑仰拱承栈桥输拟论采用电8鞠根拐Ⅰ我2洪0笑工字悠钢作吼为夜主要随承载个结构依,仰惭拱栈宫桥设尚计为堆双片怖,贪8炕根工鹊字钢挺组成耳一片尺仰拱迎栈桥么,每盾片仰咐拱栈油桥承边载汽搬车一姥侧轮康胎施词给的小重量舞。雕假设穗隧道吧仰拱爪一次厉施工题长度弹为颠6渠m著,确想定仰栏拱栈喇桥的欲长度裳为秀8乳m指,沿孙隧道井轴线迁方向摘仰拱仙栈桥的与仰妹拱槽尝搭接浊长度计为雅1.西0驴m所。雀(颂3歇)仰遵拱栈沙桥上胃通过拖荷载嘱分析泳及确仆定忌[什6宿]斩由于座所设盒计的夸仰拱劳栈桥帐长达餐8趁m叛,情30格0K鼠N满自卸夫汽车迈前中天排轮诚轮心棍距为芝4.酷0库m气,中现后排欧轮轮洞心间尊距阁为柴1.化4予m繁。牲隧道狭内大串型汽鸭车运译输速餐度一炎般廉在糖15单km竭/兰h场左右采,即盲30挨0K君N傍自卸朋汽车息在仰度拱栈境桥上渴的行聋走速聪度约端是票4.恨0m圾/李s货。尾30典0K蚊N防自卸茂汽车步前轴卵承载压约摆6团T愈,前就排轮侄单侧协轮胎宗承载点约团3律T晒;后可轴重不约快24饺T辅,由饥两个喜间距蚁1.搂4吗m扛的中育后排拜轮承出载,歪即每滴排轮说胎承井载约刚12邮T歌。预每排摆有中我有啦4顾只轮童胎,黄则继中后倦排剂每只晌轮胎肚承载射约岛3染T来。又辟根据躬表非2耻知单伍只车槽轮接瞧地时记长约填0.咳2浪m刊,鹅其与午长约碍6m婆的仰斯拱栈抖桥相态比,绝其可炮视为建集中抱荷载带。携设计虾的甘仰拱薪栈桥艰是由蔽双酷根红Ⅰ删2融0慰型钢均并成赢一片巷组合子梁并膏间距车0.遵1m顺放膜置欠4啄片组魂合梁抹组合尊而成铜,即货宽约灵0.哭6米m浆的路中耕后排苹单枕侧讯轮摸(桶2盟只器)内会作赏用馋于品2稿片组轮合梁杠(抄0.值2+测0.蛾1+鞠0.适2+花0.欠1=那0.哥6颗m调)陈上,愈则单题只轮躁胎鸟(宽荣约馒0.匪3m抗)将袜始终饿是作牵用于缠一片震组合糟梁上乔(宽鸟约溜0.项2m还),侮故单卫只轮彻胎的财接地晓面积判为禾0.锋20压*0孩.2丈0=添0.担04圆m2就。单艘轮接论地压解30脱00磁0/如0.絮04吵=7咽50督00有0仰Pa布。旨对于撞单瞎根简Ⅰ瞧2鸟0姥型钢隆而言艺,其栽顶面滴宽约随0.拔1m获,即旅当睡30况0K京N遭汽车若通过没时,毙单根窜型钢泽将承希载单秃只轮夜胎施悦于其丽约欣75漂00洪00植*0职.1略*0拣.2货=1摩50肺00吗N附的荷差载。珍一根稀型钢树同时先有三厕个轮拌胎作辅用其竖上,造接地票长度工一共析达到倚0.锤6m役。苹即在摄单根例型钢吵上承蓝载有忘三个威长度所约放0.摧2宾m障的奇15雨00躲0斥N愿的集袍中殿荷载界,相让距分淋别为刑前中脆轮心旅距为迹4疮m慨,中拣后轮疑心距营为叔1.笔4宰m袋。邻由于社拟所穴采用虹的仰贤拱栈刮桥较套长(扎跨径季达芝到娱6m待)掘,翼需要杆计算蹄仰拱豆栈桥窜在移燕动荷仓载作舅用下失其应疑力响化应,李而不杏能仅绩仅进省行静姥力分膊析。监4腥.龄克仰拱烟栈桥蚊最不疾利受父力状恋态下挖结构联强度固计隶算解[柄5金]茧(收1爆)计雷算模恭型及闻简化并条件呜将单30确0K够N研移动沾荷载懒通过界仰拱皮栈桥址时的樱动力北响应片问题查简化样为:顶三扁集中弄荷载泳(蜓15唯00候0冲N佩)同衫时作盏用于妇一简核支梁姨上,疾该简叼支梁舍一侧拳固定堪铰支疤;一即侧为贩可动波铰支己,即袜其可键在水似平方助向移捕动。足三蛛集中迫荷载候的移与动速羊度条4.妹0送m暴/企s揪,间辆距分先别为毕4.虹0右m感、部1.畅4椒m阶。因跪为工衫字钢旧钢梁础的质叙量与傍其上桨荷载歉相比谜较小罪,本狐计算蛾中可炸对之绑忽略父不计角。很30售0K担N辛自缷挽汽车税轮胎警宽约抓0.屋6m槽,在州通过梁仰拱延栈桥偏时,省应该明只是血中间谁总宽肾约成0.删7m陕的励2部组单假梁(燕每组米双根毁)为挑主要女承载演梁,挤左右裳侧的粒二组品单梁饰基本齐上处喷于空粥载状娃态。鉴即单毅片仰秩拱梁访的有违效工乓作宽昼度为垮0.慨4m迹(厉2洽组单挡片组赖合财梁鞠)召,但顺由于业横向隶连结购钢板酬的作米用,伙该空吐载的店二组群单片患组合价梁亦纲会分照担一辰部分欢荷载喷。即才需要类考虑沸栈桥齿荷载至横向跑分布饱系数屋,亦惨就是脂说作决用在只单根窗型钢蛮上的草荷载站会比堂上述为计算止结果氏(到15盟00秋0扎N扁)要叔小一踏些。凳考虑糠到本唇仰拱吊栈桥针中横倒向连判结钢萄板的眯横向拿联结傲刚度孩不是尼很强尝,即笨轮压盖荷载验主要兴是由勒中渔间楚2涂刚根单滔片组天合梁怎承载舒。叶但为梢了增杆大安牛全系全数,萍仍璃假设赖中彻间牲2劲片组刮合梁搅承载根约著10宁0赏%恩的轮占压,养进行督仰拱参栈桥振强度悉或刚书度验铜算时仅主要碑以中锐间乱2号根单南片组躬合梁饰所受鉴内力命为主毯,其询承载话单只脂轮压衰约为雨15吐00纱0N炊。负拟采晋用隐AN嗽SY舒S脑程序庆中好的痒Be营am汤18瞎8素(空春间)莲的模乱型对醋仰拱布栈桥忆进行顿强度壤或刚熊度检狠算。恰确定膏的计役算模挂型如呈图瓣2灯所示键。断办面疏为索Ⅰ钳2庸0揭型钢馒,淘弹性跌模量贷为烟21净0G乘P作a阁,泊岩松比瓣为倘0.纺3荷,密牵度度为闷78记00厉Kg畅/m那3绪。裳边界亮条件势为一城侧固京定铰使支,触另一花侧为皆可动繁铰支伶。站图蒸2于灾炎仰拱恒栈桥音简化穴计算谢模型车将证6什m瑞的长首的仰奖拱栈漠桥模盘型划垃分为碗12宾个单堂元,警则嘉30奴0K亿N帮自卸佛汽车冠通过峰每单患元时趣间主为霸0.离12护5边s半,仙单轮偿通过学整个约仰拱宅栈桥考时间姑为尖1.咱5称s乎,缠自前疑轮上茫栈桥京始至墨后轮朴下栈灾桥止趁,每停单轮夏需要乐行走盈约的6+规1.店4+桂4=查11玻.4施m耍,倦共有承23普个荷色载步偿,每蛮荷载暂的子爆步数续设逢为匙1穴0翻个。某查阻(舰GB寸70紧6-际65驶)刻表得串知蔑Ⅰ锄2嘱0雁型钢梦截面监几何红参数垂为:京高误度穿h=骨20芝0m奖m车;腿眨宽亦b=阔10凯0m拉m清;腰挥厚鹊d=权7m消m扁;平钱均腿钢厚万t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