瀏陽(yáng)河隧道仰拱棧橋設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

1、長(zhǎng)沙市瀏陽(yáng)河隧道一標(biāo)暗挖段仰拱棧橋設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算中國(guó)中鐵股份有限公司瀏陽(yáng)河隧道項(xiàng)目部2008年10月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(yáng)河隧道左右線宜采用全幅封閉仰拱施工工藝。首先進(jìn)行仰拱土方開(kāi)挖，仰拱槽段土方采用松動(dòng)爆破開(kāi)挖，挖掘機(jī)配合修邊及裝碴，大型自卸汽車運(yùn)輸。仰拱槽段開(kāi)挖完畢后進(jìn)行初支型鋼拱架成環(huán)支護(hù)，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(hù)后，即進(jìn)行仰拱砼雙層鋼筋制安，完成后即可進(jìn)行仰拱砼澆注工作，仰拱砼為C25防水砼，灌注至二襯

2、砼設(shè)計(jì)高度后并達(dá)一定強(qiáng)度后，在其上接著回填C15砼至仰拱設(shè)計(jì)高度。仰拱一次施工完畢，每一次施作長(zhǎng)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(jìn)行施工，仰拱上約36cm 復(fù)合路面待隧道貫通后施工。為了減少仰拱施工對(duì)隧道內(nèi)運(yùn)輸線路的干擾，在前方工作不需要運(yùn)輸時(shí)即進(jìn)行槽段土方開(kāi)挖，初步完成后即在仰拱槽段上方架設(shè)兩片自制簡(jiǎn)易仰拱棧橋，以備大型自卸汽車通過(guò)仰拱施工段。由于并不干擾隧道內(nèi)運(yùn)輸線路，在仰拱槽段上方通車的同時(shí)，可對(duì)仰拱進(jìn)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(duì)施工，確保仰拱施工段距前方開(kāi)挖面不超過(guò)50 m ，確保仰拱施工段距后方拱墻二襯約50m

3、 ，并與拱墻二襯平行作業(yè)，均衡向前推進(jìn)。仰拱施工總的要求是：仰拱開(kāi)挖斷面符合設(shè)計(jì)要求，不許欠挖；施作仰拱混凝土前應(yīng)清除隧底虛碴、雜物和積水；超挖部分采用同級(jí)混凝土回填。2、全幅封閉仰拱施工工藝為保證砼“尺寸準(zhǔn)確，強(qiáng)度合格，內(nèi)實(shí)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(chǔ)及拱墻兩部分施工。分界線以上部分用模板臺(tái)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(chǔ)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(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)，輸送泵泵送，插入式及附著式振搗器振搗。仰拱、邊墻基礎(chǔ)鋼筋綁扎前首先檢查凈

4、空尺寸，合格后根據(jù)測(cè)量放樣的水平、中線點(diǎn)，設(shè)置定位鋼筋，再安裝主筋，保證鋼筋位置的正確。堵頭模板處預(yù)留的接頭鋼筋及與拱墻襯砌鋼筋接茬處均長(zhǎng)短錯(cuò)開(kāi)，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(chǔ)混凝土澆注過(guò)程中，根據(jù)混凝土澆注的進(jìn)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(chǔ)模板安裝牢固，砼澆注高度一致?；炷翝沧⒉捎没炷凛斔捅脻沧ⅲ迦胧秸駬v器搗固，澆注完成后及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)。仰拱、邊墻基礎(chǔ)砼澆注達(dá)到一定強(qiáng)度后，澆注填充砼。3、防運(yùn)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

5、 厚鋼板進(jìn)行橫向連結(jié)。各組工字鋼之間間距約10cm ，每組工字鋼（雙根）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(zhǎng)約8m 。某隧道加工好后并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的防運(yùn)輸干擾仰拱棧橋如圖片1所示。 圖1 某隧道現(xiàn)場(chǎng)所應(yīng)用的防運(yùn)輸干擾仰拱棧橋圖片4、防運(yùn)輸干擾仰拱棧橋設(shè)計(jì)及強(qiáng)度驗(yàn)算4.1 仰拱棧橋設(shè)計(jì)防運(yùn)輸干擾仰拱棧橋能在無(wú)軌運(yùn)輸快速施工中發(fā)揮重要作用。正是因?yàn)槠溆绊懼淼肋\(yùn)輸線路的通暢與否，所以仰拱棧橋的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性需要進(jìn)行驗(yàn)算。（1）仰拱施工時(shí)上方通行車輛分析右線施工中采用大型運(yùn)輸車輛進(jìn)行無(wú)軌運(yùn)輸。進(jìn)行無(wú)軌運(yùn)輸時(shí)均存在一個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)

6、仰拱施工干擾的問(wèn)題。但仰拱上方通行車輛與僅為前方開(kāi)挖工作面開(kāi)挖及支護(hù)工序服務(wù)，并不通行襯砌施工車輛。故通過(guò)架設(shè)于仰拱上方棧橋的主要機(jī)械可能為斯太爾25T 自卸汽車、ZL50C 裝載機(jī)、東風(fēng)自卸汽車、北方奔馳自卸汽車、PC220挖掘機(jī)等，其自重、寬度等列于表1： （2）仰拱棧橋承載確定通過(guò)表1可知，本計(jì)算以斯太爾自卸汽車重載時(shí)作為仰拱棧橋的驗(yàn)算荷載。 但為了安全，計(jì)算以30T 的公路大型自缷汽車為驗(yàn)算荷載（公路工程技術(shù)規(guī)范）。計(jì)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(shè)計(jì)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

7、(0.60m，并考慮斯太爾自卸汽車行走寬度（0.4m ），故設(shè)計(jì)仰拱棧橋單片寬度為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(shè)計(jì)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(zhǎng)雙面焊接作為主要仰拱承載梁，仰拱棧橋設(shè)計(jì)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(shè)瀏陽(yáng)河隧道仰拱一次施工長(zhǎng)度為6m ，確定仰拱棧橋的長(zhǎng)度為9m ，沿隧道軸線方向仰拱棧橋與仰拱槽搭

8、接長(zhǎng)度為1.5m 。4.2 仰拱棧橋最不利受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算（1）仰拱棧橋上通過(guò)荷載分析由于所設(shè)計(jì)的仰拱棧橋長(zhǎng)達(dá)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(shí)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(zhǎng)（跨徑達(dá)到6m ）, 需要計(jì)算仰拱棧橋在移動(dòng)荷載作用下其應(yīng)力響應(yīng)，而不能僅僅進(jìn)行靜力分析。隧道內(nèi)大型汽車運(yùn)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(gè)間距1.4m 的中后

9、排輪承載，即每排輪胎承載約12T 。每排有中有4只輪胎，則中后排每只輪胎承載約3T 。又根據(jù)表2知單只車輪接地時(shí)長(zhǎng)約0.2m ，其與長(zhǎng)約6m 的仰拱棧橋相比，其可視為集中荷載。1.4m 。（2）計(jì)算模型及簡(jiǎn)化條件可將300KN 的自卸汽車通過(guò)仰拱棧橋時(shí)，仰拱棧橋在移動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為：三集中荷載（15000N ）同時(shí)作用于一簡(jiǎn)支梁上，該簡(jiǎn)支梁一側(cè)固定鉸支；一側(cè)為可動(dòng)鉸支，即其可在水平方向移動(dòng)。三集中荷載的移動(dòng)速度4.0m/s，間距分別為4.0 m、1.4m 。因?yàn)楣ぷ咒撲摿旱馁|(zhì)量與其上荷載相比較小，本計(jì)算中可對(duì)之忽略不計(jì)。300KN 自缷汽車輪胎寬約0.6m ，在通過(guò)仰拱棧橋時(shí)，

10、應(yīng)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(huì)分擔(dān)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(shuō)作用在單根型鋼上的荷載會(huì)比上述計(jì)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(qiáng)，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(shè)中間2片組合梁承載約100%的輪壓，進(jìn)行仰拱棧橋強(qiáng)度或剛度驗(yàn)算時(shí)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15000N 。擬采用AN

11、SYS 程序中的Beam188（空間）的模型對(duì)仰拱棧橋進(jìn)行強(qiáng)度或剛度檢算。確定的計(jì)算模型如圖3所示。斷面為20型鋼。 圖3 仰拱棧橋簡(jiǎn)化計(jì)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(dòng)鉸支。將6m 的長(zhǎng)的仰拱棧橋模型劃分為12個(gè)單元，則300KN 自卸汽車通過(guò)每單元時(shí)間為0.125s ，單輪通過(guò)整個(gè)仰拱棧橋時(shí)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(gè)荷載步，每荷載的子步數(shù)設(shè)為10個(gè)。查（GB706-65）表得知20型鋼截面幾何參數(shù)為：高度h=200

12、mm；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(guó)標(biāo)）（3）計(jì)算結(jié)果將上參數(shù)輸入所建立的ANSYS 文件，實(shí)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(jì)算中設(shè)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(jìn)行后處理，完全分析法采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，能較好地模擬仰拱棧橋型鋼的變形及受力。由于需要對(duì)仰拱棧橋最不利受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，首先就需要知道

13、汽車在仰拱棧橋上行走時(shí)的最不利荷載位置。通過(guò)將車輪負(fù)載轉(zhuǎn)化為集中荷載在模型（梁?jiǎn)卧M成）上自梁端走至梁尾，可得到各單元在不同時(shí)刻的時(shí)程曲線，再根據(jù)時(shí)程曲線，可得到汽車前中后排輪行走至何位置時(shí)產(chǎn)生的撓度最大，這一位置即是整個(gè)仰拱棧橋的最不利荷載位置。經(jīng)過(guò)后處理，可得到模型中間數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)撓度時(shí)程曲線自圖6可知，有限元模型上第8號(hào)節(jié)點(diǎn)在車輛動(dòng)載運(yùn)行過(guò)程中撓度最大，達(dá)到了0.020m ，其次是7、9號(hào)節(jié)點(diǎn)，5、11號(hào)節(jié)點(diǎn)在上圖7個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)節(jié)點(diǎn)愈遠(yuǎn)，撓度愈小。即使將所有節(jié)點(diǎn)的撓度曲線進(jìn)行對(duì)比，此

14、規(guī)律仍是成立的。仰拱型鋼有限元模型長(zhǎng)為6m ，共被劃分為12個(gè)單元，1、2號(hào)節(jié)點(diǎn)被分配給起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)，起始位置為3號(hào)節(jié)點(diǎn)，這樣，8號(hào)節(jié)點(diǎn)就位于有限元模型的正中間，為中間節(jié)點(diǎn)，即對(duì)本有限元計(jì)算而言，在動(dòng)載運(yùn)行過(guò)程中，有限元模型中間節(jié)點(diǎn)撓度最大。這與有關(guān)理論分析結(jié)果是一致的，即跨中對(duì)動(dòng)載的響應(yīng)最大。此跨中即為整個(gè)仰拱棧橋中最不利荷載位置。汽車在仰拱棧橋上通行時(shí)間約2.875s 。上述各節(jié)點(diǎn)撓度曲線均反映出在動(dòng)載行走至2.0s 時(shí)，有限元模型上節(jié)點(diǎn)或單元對(duì)動(dòng)載達(dá)到響應(yīng)最大。而對(duì)應(yīng)有限元計(jì)算過(guò)程可知，2.0s 時(shí)為300KN 汽車前輪行走至第16載荷步。即汽車前輪已離開(kāi)仰拱棧橋，其距仰拱后邊緣約2.

15、0m；而汽車中后排輪剛好對(duì)稱分布于仰拱棧橋跨中位置，此時(shí)仰拱棧橋跨中撓度達(dá)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(fù)300KN 汽車動(dòng)載時(shí)其最不利位置示意圖根據(jù)此最不利位置，應(yīng)用程度進(jìn)行后處理，可得到單根20工字鋼在第16載荷步時(shí)的位移、應(yīng)力云圖，并得到相應(yīng)的量大值。計(jì)算出的位移、應(yīng)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(yīng)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(dāng)汽車中后排輪位于棧橋跨中兩側(cè)時(shí)，此時(shí)前輪已離開(kāi)棧橋約1.7m 的距離，仰拱棧橋會(huì)達(dá)到最大位移及應(yīng)力響應(yīng)，最大變位達(dá)到了20.015mm ，

16、單根20型鋼所受最大彎曲應(yīng)力達(dá)到了111MPa 。同樣，應(yīng)用后處理程序，可得到單根20工字鋼在第16載荷步時(shí)的剪力、彎矩云圖，并得到相應(yīng)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(shí)，其最大剪力達(dá)到了12221N ，最大彎矩達(dá)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(duì)比，現(xiàn)將汽車位于最不利荷載位置附近幾個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的棧橋型鋼承載的變形、應(yīng)力、所受剪力、彎矩云圖示如下各圖。當(dāng)汽車中后排輪中間點(diǎn)距棧橋跨中還有0.5m 時(shí)（最不

17、利荷載步左側(cè)），即第15荷載步時(shí)，單根20型鋼變形、彎曲應(yīng)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(diǎn)距跨中-0.5m （左側(cè)）時(shí)單根20型鋼變形云圖 圖12 汽車中后排輪中間點(diǎn)距跨中-0.5m （左側(cè)）時(shí)單根20型鋼彎曲應(yīng)力云圖 圖13 汽車中后排輪中間點(diǎn)距跨中-0.5m （左側(cè)）時(shí)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(shí)單根20型鋼彎矩云圖自上各圖所知，當(dāng)300KN 汽車中后排輪中間位于距棧橋跨中還有0.5m 時(shí)，仰拱棧橋最大變位達(dá)到了19.34mm ，單根20型鋼所受最大彎曲應(yīng)力達(dá)到了107MPa 。均小于15荷載步時(shí)的變

18、形及應(yīng)力。同樣，15荷載步時(shí)，其最大剪力達(dá)到了13593N ，最大彎矩達(dá)到了25106N ·M 。 當(dāng)汽車中后排輪中間點(diǎn)超過(guò)棧橋跨中0.5m 時(shí)（最不利荷載步右側(cè)），即第17荷載步時(shí)，單根20型鋼變形、彎曲應(yīng)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(diǎn)超過(guò)跨中0.5m （右側(cè)）時(shí)單根20型鋼變形云圖 圖16 汽車中后排輪中間點(diǎn)超過(guò)跨中0.5m （右側(cè)）時(shí)單根20型鋼應(yīng)力云圖 圖17 汽車中后排輪中間點(diǎn)超過(guò)跨中0.5m （右側(cè)）時(shí)單根20型鋼剪力云圖 圖18 汽車中后排輪中間點(diǎn)超過(guò)跨中0.5m （右側(cè)）時(shí)單根20型鋼彎矩云圖自上各圖所知，當(dāng)300KN

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

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