[長沙]隧道仰拱棧橋設計及結(jié)構(gòu)強度檢算

1、.隧道仰拱棧橋設計及結(jié)構(gòu)強度檢算1、全幅封閉仰拱施工方法為了加快施工速度，確保仰拱施工質(zhì)量，瀏陽河隧道左右線宜采用全幅封閉仰拱施工工藝。首先進行仰拱土方開挖，仰拱槽段土方采用松動爆破開挖，挖掘機配合修邊及裝碴，大型自卸汽車運輸。仰拱槽段開挖完畢后進行初支型鋼拱架成環(huán)支護，型鋼間距50.8m（同上部初支型鋼拱架間距），與上部初支型鋼拱架采用螺栓連接，使拱架封閉成環(huán)，縱向采用22鋼筋牢固焊接，鋼筋環(huán)向間距1.0m 。初支型鋼拱架成環(huán)支護后，即進行仰拱砼雙層鋼筋制安，完成后即可進行仰拱砼澆注工作，仰拱砼為C25防水砼，灌注至二襯砼設計高度后并達一定強度后，在其上接著回填C15砼至仰拱設計高度。仰拱一

2、次施工完畢，每一次施作長度為6m 。由于不影響二襯施工，邊墻水溝在拱墻二襯完成后進行施工，仰拱上約36cm 復合路面待隧道貫通后施工。為了減少仰拱施工對隧道內(nèi)運輸線路的干擾，在前方工作不需要運輸時即進行槽段土方開挖，初步完成后即在仰拱槽段上方架設兩片自制簡易仰拱棧橋，以備大型自卸汽車通過仰拱施工段。由于并不干擾隧道內(nèi)運輸線路，在仰拱槽段上方通車的同時，可對仰拱進行一次性全幅施工（包括仰拱二襯鋼筋砼施工及仰拱砼回填）。仰拱砼施工由專業(yè)作業(yè)隊施工，確保仰拱施工段距前方開挖面不超過50 m ，確保仰拱施工段距后方拱墻二襯約50m ，并與拱墻二襯平行作業(yè)，均衡向前推進。仰拱施工總的要求是：仰拱開挖斷面

3、符合設計要求，不許欠挖；施作仰拱混凝土前應清除隧底虛碴、雜物和積水；超挖部分采用同級混凝土回填。2、全幅封閉仰拱施工工藝為保證砼“尺寸準確，強度合格，內(nèi)實外美，不滲不漏”，把二次襯砌砼以管溝蓋板頂下15cm 為分界線，分邊墻基礎及拱墻兩部分施工。分界線以上部分用模板臺車整體澆注，分界線以下部分用人工立模澆筑。施工順序：仰拱（有仰拱地段）超前邊墻基礎拱墻襯砌人工立模溝槽施工。襯砌施工采取仰拱超前的施工方法，砼采用甲供的商品砼，由混凝土攪拌車運至工地現(xiàn)場，輸送泵泵送，插入式及附著式振搗器振搗。仰拱、邊墻基礎鋼筋綁扎前首先檢查凈空尺寸，合格后根據(jù)測量放樣的水平、中線點，設置定位鋼筋，再安裝主筋，保證

4、鋼筋位置的正確。堵頭模板處預留的接頭鋼筋及與拱墻襯砌鋼筋接茬處均長短錯開，保證滿足鋼筋焊接需要，鋼筋焊接采用幫焊接頭。仰拱、邊墻基礎混凝土澆注過程中，根據(jù)混凝土澆注的進度將拼裝式大樣鋼模固定在鋼筋骨架上方，保證仰拱混凝土的拱形。邊墻基礎模板安裝牢固，砼澆注高度一致。混凝土澆注采用混凝土輸送泵澆注，插入式振搗器搗固，澆注完成后及時灑水養(yǎng)護。仰拱、邊墻基礎砼澆注達到一定強度后，澆注填充砼。3、防運輸干擾仰拱棧橋加工建議采用20工字鋼制作仰拱棧橋，其由2根工字鋼并排雙面焊接成1組單片梁，共4組組成一單片仰拱棧橋，棧橋表面用5mm 厚鋼板進行橫向連結(jié)。各組工字鋼之間間距約10cm ，每組工字鋼（雙根）

5、寬約0.1*2=0.2m，共4組工字鋼（雙根）組成寬約1.1m 寬的單片仰拱棧橋，組成的仰拱棧橋長約8m 。某隧道加工好后并在現(xiàn)場應用的防運輸干擾仰拱棧橋如圖片1所示。 圖1 某隧道現(xiàn)場所應用的防運輸干擾仰拱棧橋圖片4、防運輸干擾仰拱棧橋設計及強度驗算4.1 仰拱棧橋設計防運輸干擾仰拱棧橋能在無軌運輸快速施工中發(fā)揮重要作用。正是因為其影響著隧道運輸線路的通暢與否，所以仰拱棧橋的設計非常關鍵，其強度及穩(wěn)定性需要進行驗算。（1）仰拱施工時上方通行車輛分析右線施工中采用大型運輸車輛進行無軌運輸。進行無軌運輸時均存在一個運輸系統(tǒng)對仰拱施工干擾的問題。但仰拱上方通行車輛與僅為前方開挖工作面開挖及支護工序

6、服務，并不通行襯砌施工車輛。故通過架設于仰拱上方棧橋的主要機械可能為斯太爾25T 自卸汽車、ZL50C 裝載機、東風自卸汽車、北方奔馳自卸汽車、PC220挖掘機等，其自重、寬度等列于表1： （2）仰拱棧橋承載確定通過表1可知，本計算以斯太爾自卸汽車重載時作為仰拱棧橋的驗算荷載。 但為了安全，計算以30T 的公路大型自缷汽車為驗算荷載（公路工程技術(shù)規(guī)范）。計算出的仰拱棧橋只承載一輛300KN 的汽車。300KN 汽車技術(shù)參數(shù)如表2所示。表2 300KN汽車技術(shù)參數(shù)表 （3）設計每片梁寬度及工字鋼數(shù)量據(jù)表2中所列斯太爾輪胎寬度(0.60m，并考慮斯太爾自卸汽車行走寬度（0.4m ），故設計仰拱棧橋

7、單片寬度為1.0m 。雙片仰拱棧橋中心距離為1.8m （300KN自卸汽車的輪距1.8m ），則仰拱棧橋的外緣寬度2.8m ，內(nèi)緣寬度為0.8m 。施工常用的工字鋼有I20、I22a I25a I28a ，上述各型工字鋼參數(shù)如表4所示。 設計仰拱棧橋擬采用20工字鋼作為仰拱棧橋承載結(jié)構(gòu), 由8根20型鋼并排全長雙面焊接作為主要仰拱承載梁，仰拱棧橋設計為雙片，8根工字鋼組成一片仰拱棧橋，每片仰拱棧橋承載汽車一側(cè)輪胎施給的重量。假設瀏陽河隧道仰拱一次施工長度為6m ，確定仰拱棧橋的長度為9m ，沿隧道軸線方向仰拱棧橋與仰拱槽搭接長度為1.5m 。4.2 仰拱棧橋最不利受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強度驗算（1）仰

8、拱棧橋上通過荷載分析由于所設計的仰拱棧橋長達9m ，300KN 自卸汽車前中排輪輪心距為4.0m ，中后排輪輪心間距為1.4m 。斯太爾重型自卸汽車實物圖片如圖2所示。 圖2 斯太爾重型自卸汽車由于擬所采用的仰拱棧橋較長（跨徑達到6m ）, 需要計算仰拱棧橋在移動荷載作用下其應力響應，而不能僅僅進行靜力分析。隧道內(nèi)大型汽車運輸速度一般在15km/h左右，即300KN 自卸汽車在仰拱棧橋上的行走速度約是4.0m/s。300KN 自卸汽車前軸承載約6T ，前排輪單側(cè)輪胎承載約3T ；后軸重約24T ，由兩個間距1.4m 的中后排輪承載，即每排輪胎承載約12T 。每排有中有4只輪胎，則中后排每只輪胎

9、承載約3T 。又根據(jù)表2知單只車輪接地時長約0.2m ，其與長約6m 的仰拱棧橋相比，其可視為集中荷載。設計的仰拱棧橋是由雙根20型鋼并成一片組合梁并間距0.1m 放置4片組合梁組合而成，即寬約0.6m 的中后排單側(cè)輪（2只）會作用于2片組合梁（0.2+0.1+0.2+0.1=0.6m）上，則單只輪胎（寬約0.3m ）將始終是作用于一片組合梁上（寬約0.2m ），故單只輪胎的接地面積為0.20*0.20=0.04m2。單輪接地壓30000/0.04=750000Pa。對于單根20型鋼而言，其頂面寬約0.1m ，即當300KN 汽車通過時，單根型鋼將承載單只輪胎施于其約750000*0.1*0.

10、2=15000N的荷載。一根型鋼同時有三個輪胎作用其上，接地長度一共達到0.6m 。即在單根型鋼上承載有三個長度約0.2m 的15000N 的集中荷載，相距分別為前中輪心距為4m ，中后輪心距為1.4m 。（2）計算模型及簡化條件可將300KN 的自卸汽車通過仰拱棧橋時，仰拱棧橋在移動荷載作用下的應力響應問題簡化為：三集中荷載（15000N ）同時作用于一簡支梁上，該簡支梁一側(cè)固定鉸支；一側(cè)為可動鉸支，即其可在水平方向移動。三集中荷載的移動速度4.0m/s，間距分別為4.0 m、1.4m 。因為工字鋼鋼梁的質(zhì)量與其上荷載相比較小，本計算中可對之忽略不計。300KN 自缷汽車輪胎寬約0.6m ，

11、在通過仰拱棧橋時，應該只是中間總寬約0.7m 的2組單梁（每組雙根）為主要承載梁，左右側(cè)的二組單梁基本上處于空載狀態(tài)。即單片仰拱梁的有效工作寬度為0.4m(2組單片組合梁 ，但由于橫向連結(jié)鋼板的作用，該空載的二組單片組合梁亦會分擔一部分荷載。即需要考慮棧橋荷載橫向分布系數(shù)，亦就是說作用在單根型鋼上的荷載會比上述計算結(jié)果（15000N ）要小一些?？紤]到本仰拱棧橋中橫向連結(jié)鋼板的橫向聯(lián)結(jié)剛度不是很強，即輪壓荷載主要是由中間2 根單片組合梁承載。但為了增大安全系數(shù)，仍假設中間2片組合梁承載約100%的輪壓，進行仰拱棧橋強度或剛度驗算時主要以中間2根單片組合梁所受內(nèi)力為主，其承載單只輪壓約為1500

12、0N 。擬采用ANSYS 程序中的Beam188（空間）的模型對仰拱棧橋進行強度或剛度檢算。確定的計算模型如圖3所示。斷面為20型鋼。 圖3 仰拱棧橋簡化計算模型首先選擇20作為仰拱棧橋，彈性模量為210GPa ，泊松比為0.3，密度為7800Kg/m3。邊界條件為一側(cè)固定鉸支，另一側(cè)為可動鉸支。將6m 的長的仰拱棧橋模型劃分為12個單元，則300KN 自卸汽車通過每單元時間為0.125s ，單輪通過整個仰拱棧橋時間為1.5s ，自前輪上棧橋始至后輪下棧橋止，每單輪需要行走約6+1.4+4=11.4m，共有23個荷載步，每荷載的子步數(shù)設為10個。查（GB706-65）表得知20型鋼截面幾何參數(shù)

13、為：高度h=200mm；腿寬b=100mm；腰厚d=7mm；平均腿厚t=11.4mm。將以上截面幾何參數(shù)輸入ANSYS 程序后，可得出20型鋼截面其它幾何參數(shù)如圖4所示（單位：斷面積為m 2, 慣性矩為m 4?？箯澞Ａ繛閙 3）。 圖4 20型鋼截面幾何參數(shù)圖（單位：國標）（3）計算結(jié)果將上參數(shù)輸入所建立的ANSYS 文件，實物建模后得到以下模型圖，如圖5所示。 圖5 單片仰拱棧橋模型圖本模擬計算中設定分析類型為瞬態(tài)分析法，在瞬態(tài)分析法中選完全分析法進行后處理，完全分析法采用完整的系統(tǒng)矩陣計算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應，能較好地模擬仰拱棧橋型鋼的變形及受力。由于需要對仰拱棧橋最不利受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強度進行驗

14、算，首先就需要知道汽車在仰拱棧橋上行走時的最不利荷載位置。通過將車輪負載轉(zhuǎn)化為集中荷載在模型（梁單元組成）上自梁端走至梁尾，可得到各單元在不同時刻的時程曲線，再根據(jù)時程曲線，可得到汽車前中后排輪行走至何位置時產(chǎn)生的撓度最大，這一位置即是整個仰拱棧橋的最不利荷載位置。經(jīng)過后處理，可得到模型中間數(shù)個節(jié)點的撓度變化曲線，如圖6所示。 圖6 仰拱棧橋20型鋼模型中間數(shù)個節(jié)點撓度時程曲線自圖6可知，有限元模型上第8號節(jié)點在車輛動載運行過程中撓度最大，達到了0.020m ，其次是7、9號節(jié)點，5、11號節(jié)點在上圖7個節(jié)點中撓度最小，可從上圖中發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，即是距離8號節(jié)點愈遠，撓度愈小。即使將所有節(jié)點的撓

15、度曲線進行對比，此規(guī)律仍是成立的。仰拱型鋼有限元模型長為6m ，共被劃分為12個單元，1、2號節(jié)點被分配給起始點與結(jié)束點，起始位置為3號節(jié)點，這樣，8號節(jié)點就位于有限元模型的正中間，為中間節(jié)點，即對本有限元計算而言，在動載運行過程中，有限元模型中間節(jié)點撓度最大。這與有關理論分析結(jié)果是一致的，即跨中對動載的響應最大。此跨中即為整個仰拱棧橋中最不利荷載位置。汽車在仰拱棧橋上通行時間約2.875s 。上述各節(jié)點撓度曲線均反映出在動載行走至2.0s 時，有限元模型上節(jié)點或單元對動載達到響應最大。而對應有限元計算過程可知，2.0s 時為300KN 汽車前輪行走至第16載荷步。即汽車前輪已離開仰拱棧橋，其

16、距仰拱后邊緣約2.0m；而汽車中后排輪剛好對稱分布于仰拱棧橋跨中位置，此時仰拱棧橋跨中撓度達到了最大，此位置即仰拱棧橋最不利位置。示意如圖7所示。 圖7 仰拱棧橋負300KN 汽車動載時其最不利位置示意圖根據(jù)此最不利位置，應用程度進行后處理，可得到單根20工字鋼在第16載荷步時的位移、應力云圖，并得到相應的量大值。計算出的位移、應力云圖如圖8、9所示。 圖8 最不利荷載位置仰拱型鋼位移圖 圖9 最不利荷載位置仰拱型鋼應力云圖自圖8、9可知，斯太爾自卸汽車在仰拱棧橋上方行走，當汽車中后排輪位于棧橋跨中兩側(cè)時，此時前輪已離開棧橋約1.7m 的距離，仰拱棧橋會達到最大位移及應力響應，最大變位達到了2

17、0.015mm ，單根20型鋼所受最大彎曲應力達到了111MPa 。同樣，應用后處理程序，可得到單根20工字鋼在第16載荷步時的剪力、彎矩云圖，并得到相應的量大值。如圖10、11所示。 圖10 最不利荷載（16荷載步）位置仰拱棧橋型鋼剪力云圖 圖10 最不利荷載（16荷載步）位置仰拱棧橋型鋼彎矩云圖自圖10、11可知，最不利荷載位置時，其最大剪力達到了12221N ，最大彎矩達到了26080N ·M 。最大剪力位于兩側(cè)固定處，最大彎矩位于跨中。為了對比，現(xiàn)將汽車位于最不利荷載位置附近幾個節(jié)點時的棧橋型鋼承載的變形、應力、所受剪力、彎矩云圖示如下各圖。當汽車中后排輪中間點距棧橋跨中還有

18、0.5m 時（最不利荷載步左側(cè)），即第15荷載步時，單根20型鋼變形、彎曲應力剪力、彎矩云圖分別如圖11、12、13、14所示。 圖11 汽車中后排輪中間點距跨中-0.5m （左側(cè)）時單根20型鋼變形云圖 圖12 汽車中后排輪中間點距跨中-0.5m （左側(cè)）時單根20型鋼彎曲應力云圖 圖13 汽車中后排輪中間點距跨中-0.5m （左側(cè)）時單根20型鋼剪力云圖 圖14 汽車中后排輪距跨中-0.5m （左側(cè)）時單根20型鋼彎矩云圖自上各圖所知，當300KN 汽車中后排輪中間位于距棧橋跨中還有0.5m 時，仰拱棧橋最大變位達到了19.34mm ，單根20型鋼所受最大彎曲應力達到了107MPa 。均小

19、于15荷載步時的變形及應力。同樣，15荷載步時，其最大剪力達到了13593N ，最大彎矩達到了25106N ·M 。 當汽車中后排輪中間點超過棧橋跨中0.5m 時（最不利荷載步右側(cè)），即第17荷載步時，單根20型鋼變形、彎曲應力剪力、彎矩云圖分別如圖15、16、17、18所示。 圖15 汽車中后排輪中間點超過跨中0.5m （右側(cè)）時單根20型鋼變形云圖 圖16 汽車中后排輪中間點超過跨中0.5m （右側(cè)）時單根20型鋼應力云圖 圖17 汽車中后排輪中間點超過跨中0.5m （右側(cè)）時單根20型鋼剪力云圖 圖18 汽車中后排輪中間點超過跨中0.5m （右側(cè)）時單根20型鋼彎矩云圖自上各圖

20、所知，當300KN 汽車中后排輪中間點越過距棧橋跨中0.5m 時，仰拱棧橋最大變位達到了19.946mm ，單根20型鋼所受最大彎曲應力達到了113MPa 。該荷載步時變形小于15荷載步，但其承載的應力大于16荷載步時的111MPa 。17荷載步時，其最大剪力達到了15536N ，最大彎矩達到了26581N ·M 。 當汽車中后排輪中間點距棧橋跨中還有1m 時（最不利荷載步左側(cè)），即第14荷載步時，單根20型鋼變形、彎曲應力云圖分別如圖19、20所示。 圖19 汽車中后排輪中間點距跨中-1m （左側(cè)）時單根20型鋼變形云圖汽車中后排輪中間點距跨中-1m（左側(cè)）時單根 圖 20 汽車中

21、后排輪中間點距跨中-1m（左側(cè)）時單根20 型鋼彎曲應力云圖 自上二圖所知，當 300KN 汽車中后排輪中間位于距棧橋跨中還有 1m 時，仰 拱棧橋最大變位達到了 18.13mm，單根20 型鋼所受最大彎曲應力達到了 105MPa。均小于 15 荷載步時的變形及應力。 同樣，當汽車中后排輪中間點超過棧橋跨中 1m 時（最不利荷載步右側(cè)）， 即第 18 荷載步時，單根20 型鋼變形、彎曲應力云圖分別如圖 21、22 所示。 1m（右側(cè)）時單根 圖 21 汽車中后排輪中間點超過跨中 1m（右側(cè)）時單根20 型鋼變形云圖 16 1m（右側(cè)）時單根 圖 22 汽車中后排輪中間點超過跨中 1m（右側(cè)）時單根20 型鋼應力云圖 自上二圖所知，當 300KN 汽車中后排輪中間越過棧橋跨中 1m 時，仰拱棧橋 最大變位達到了 18.9mm，單根20 型鋼所受最大彎曲應力達到了 112MPa。要 小于 15 荷載步時的變形及應力。 從圖 822 中可以發(fā)現(xiàn)，當 300KN 汽車前輪越過棧橋 1.72.0 m 時，仰拱棧 橋中單根20 型鋼中最大變形達到了 20mm，其最大彎曲應力達到了 113MPa。 （4）強度校核 由計算結(jié)果知仰拱棧橋中單根20 型鋼中