長沙隧道仰拱棧橋設計及結構強度檢算

1、隧道仰拱棧橋設計及結構強度檢算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。首先進行仰仰拱土方方開挖，仰仰拱槽段段土方采采用松動動爆破開開挖，挖挖掘機配配合修邊邊及裝碴碴，大型型自卸汽汽車運輸輸。仰拱拱槽段開開挖完畢畢后進行行初支型型鋼拱架架成環(huán)支支護，型型鋼間距距500.8mm（同上上部初支支型鋼拱拱架間距距），與與上部初初支型鋼鋼拱架采采用螺栓栓連接，使使拱架封封閉成環(huán)環(huán)，縱向向采用22鋼筋牢牢固焊接接，鋼筋筋環(huán)向間間距1.00m 。初支支型鋼拱拱架成環(huán)環(huán)支護后后，即進進行仰拱拱砼雙層層鋼筋制制安，完完成后即即可進行行仰拱砼砼澆注工

2、工作，仰仰拱砼為為C25防水砼砼，灌注注至二襯襯砼設計計高度后后并達一一定強度度后，在在其上接接著回填填C15砼至仰仰拱設計計高度。仰拱一次施施工完畢畢，每一一次施作作長度為為6m 。由于不影響響二襯施施工，邊邊墻水溝溝在拱墻墻二襯完完成后進進行施工工，仰拱拱上約36ccm 復合路路面待隧隧道貫通通后施工工。為了減少仰仰拱施工工對隧道道內運輸輸線路的的干擾，在在前方工工作不需需要運輸輸時即進進行槽段段土方開開挖，初初步完成成后即在在仰拱槽槽段上方方架設兩兩片自制制簡易仰仰拱棧橋橋，以備備大型自自卸汽車車通過仰仰拱施工工段。由由于并不不干擾隧隧道內運運輸線路路，在仰仰拱槽段段上方通通車的同同時，

3、可可對仰拱拱進行一一次性全全幅施工工（包括括仰拱二二襯鋼筋筋砼施工工及仰拱拱砼回填填）。仰拱砼施工工由專業(yè)業(yè)作業(yè)隊隊施工，確確保仰拱拱施工段段距前方方開挖面面不超過過50 m ，確保保仰拱施施工段距距后方拱拱墻二襯襯約50mm ，并與與拱墻二二襯平行行作業(yè)，均均衡向前前推進。仰拱施工總總的要求求是：仰仰拱開挖挖斷面符符合設計計要求，不不許欠挖挖；施作作仰拱混混凝土前前應清除除隧底虛虛碴、雜雜物和積積水；超超挖部分分采用同同級混凝凝土回填填。2、全幅封封閉仰拱拱施工工工藝為保證砼“尺寸準準確，強強度合格格，內實實外美，不不滲不漏漏”，把二二次襯砌砌砼以管管溝蓋板板頂下15ccm 為分界界線，分分

4、邊墻基基礎及拱拱墻兩部部分施工工。分界界線以上上部分用用模板臺臺車整體體澆注，分分界線以以下部分分用人工工立模澆澆筑。施工順序：仰拱（有有仰拱地地段）超超前邊墻基基礎拱墻襯襯砌人工立立模溝槽槽施工。襯襯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，由由混凝土土攪拌車車運至工工地現(xiàn)場場，輸送送泵泵送送，插入入式及附附著式振振搗器振振搗。仰拱、邊墻墻基礎鋼鋼筋綁扎扎前首先先檢查凈凈空尺寸寸，合格格后根據(jù)據(jù)測量放放樣的水水平、中中線點，設設置定位位鋼筋，再再安裝主主筋，保保證鋼筋筋位置的的正確。堵堵頭模板板處預留留的接頭頭鋼筋及及與拱墻墻襯砌鋼鋼筋接茬茬處均長長短錯開開，保證證滿足

5、鋼鋼筋焊接接需要，鋼鋼筋焊接接采用幫幫焊接頭頭。仰拱、邊墻墻基礎混混凝土澆澆注過程程中，根根據(jù)混凝凝土澆注注的進度度將拼裝裝式大樣樣鋼模固固定在鋼鋼筋骨架架上方，保保證仰拱拱混凝土土的拱形形。邊墻墻基礎模模板安裝裝牢固，砼砼澆注高高度一致致?；炷翝沧⒆⒉捎没旎炷凛斴斔捅脻矟沧?，插插入式振振搗器搗搗固，澆澆注完成成后及時時灑水養(yǎng)養(yǎng)護。仰仰拱、邊邊墻基礎礎砼澆注注達到一一定強度度后，澆澆注填充充砼。3、防運輸輸干擾仰仰拱棧橋橋加工建議采用20工字鋼鋼制作仰仰拱棧橋橋，其由由2根工字字鋼并排排雙面焊焊接成1組單片片梁，共共4組組成成一單片片仰拱棧棧橋，棧棧橋表面面用5mmm 厚鋼板板進行橫橫向

6、連結結。各組組工字鋼鋼之間間間距約10ccm ，每組組工字鋼鋼（雙根根）寬約約0.11*2=0.22m，共4組工字字鋼（雙雙根）組組成寬約約1.11m 寬的單單片仰拱拱棧橋，組組成的仰仰拱棧橋橋長約8m 。某隧道加工工好后并并在現(xiàn)場場應用的的防運輸輸干擾仰仰拱棧橋橋如圖片片1所示。圖1 某隧隧道現(xiàn)場場所應用用的防運運輸干擾擾仰拱棧棧橋圖片片4、防運輸輸干擾仰仰拱棧橋橋設計及及強度驗驗算4.1 仰仰拱棧橋橋設計防運輸干擾擾仰拱棧棧橋能在在無軌運運輸快速速施工中中發(fā)揮重重要作用用。正是是因為其其影響著著隧道運運輸線路路的通暢暢與否，所所以仰拱拱棧橋的的設計非非常關鍵鍵，其強強度及穩(wěn)穩(wěn)定性需需要進行

7、行驗算。（1）仰拱拱施工時時上方通通行車輛輛分析右線施工中中采用大大型運輸輸車輛進進行無軌軌運輸。進進行無軌軌運輸時時均存在在一個運運輸系統(tǒng)統(tǒng)對仰拱拱施工干干擾的問問題。但但仰拱上上方通行行車輛與與僅為前前方開挖挖工作面面開挖及及支護工工序服務務，并不不通行襯襯砌施工工車輛。故故通過架架設于仰仰拱上方方棧橋的的主要機機械可能能為斯太太爾25TT 自卸汽汽車、ZL550C 裝載機機、東風風自卸汽汽車、北北方奔馳馳自卸汽汽車、PC2220挖掘機機等，其其自重、寬寬度等列列于表1：（2）仰拱拱棧橋承承載確定定通過表1可可知，本本計算以以斯太爾爾自卸汽汽車重載載時作為為仰拱棧棧橋的驗驗算荷載載。 但為

8、了了安全，計計算以30TT 的公路路大型自自缷汽車車為驗算算荷載（公公路工程程技術規(guī)規(guī)范）。計算出的仰仰拱棧橋橋只承載載一輛3000KN 的汽車車。300KNN 汽車技技術參數(shù)數(shù)如表2所示。表2 3000KNN汽車技技術參數(shù)數(shù)表（3）設計計每片梁梁寬度及及工字鋼鋼數(shù)量據(jù)表2中所所列斯太太爾輪胎胎寬度(0.60mm，并考考慮斯太太爾自卸卸汽車行行走寬度度（0.44m ），故故設計仰仰拱棧橋橋單片寬寬度為1.00m 。雙片片仰拱棧棧橋中心心距離為為1.88m （3000KN自卸汽車的的輪距1.88m ），則則仰拱棧棧橋的外外緣寬度度2.88m ，內緣緣寬度為為0.88m 。施工常用的的工字鋼鋼有I

9、20、I222a II25aa I228a ，上述述各型工工字鋼參參數(shù)如表表4所示。設計仰拱棧棧橋擬采采用20工字鋼鋼作為仰仰拱棧橋橋承載結結構, 由8根20型鋼并并排全長長雙面焊焊接作為為主要仰仰拱承載載梁，仰仰拱棧橋橋設計為為雙片，8根工字字鋼組成成一片仰仰拱棧橋橋，每片片仰拱棧棧橋承載載汽車一一側輪胎胎施給的的重量。假設瀏陽河河隧道仰仰拱一次次施工長長度為6m ，確定定仰拱棧棧橋的長長度為9m ，沿隧隧道軸線線方向仰仰拱棧橋橋與仰拱拱槽搭接接長度為為1.55m 。4.2 仰仰拱棧橋橋最不利利受力狀狀態(tài)下結結構強度度驗算（1）仰拱拱棧橋上上通過荷荷載分析析由于所設計計的仰拱拱棧橋長長達9m

10、 ，3000KN 自卸汽汽車前中中排輪輪輪心距為為4.00m ，中后后排輪輪輪心間距距為1.44m 。斯太太爾重型型自卸汽汽車實物物圖片如如圖2所示。圖2 斯太太爾重型型自卸汽汽車由于擬所采采用的仰仰拱棧橋橋較長（跨跨徑達到到6m ）, 需要計計算仰拱拱棧橋在在移動荷荷載作用用下其應應力響應應，而不不能僅僅僅進行靜靜力分析析。隧道內大型型汽車運運輸速度度一般在在15kkm/hh左右，即即3000KN 自卸汽汽車在仰仰拱棧橋橋上的行行走速度度約是4.00m/ss。300KNN 自卸汽汽車前軸軸承載約約6T ，前排排輪單側側輪胎承承載約3T ；后軸軸重約24TT ，由兩兩個間距距1.44m 的中后

11、后排輪承承載，即即每排輪輪胎承載載約12TT 。每排排有中有有4只輪胎胎，則中中后排每每只輪胎胎承載約約3T 。又根根據(jù)表2知單只只車輪接接地時長長約0.22m ，其與與長約6m 的仰拱拱棧橋相相比，其其可視為為集中荷荷載。設計的仰拱拱棧橋是是由雙根根20型鋼并并成一片片組合梁梁并間距距0.11m 放置4片組合合梁組合合而成，即即寬約0.66m 的中后后排單側側輪（2只）會會作用于于2片組合合梁（0.22+0.1+00.2+0.11=0.6m）上，則則單只輪輪胎（寬寬約0.33m ）將始始終是作作用于一一片組合合梁上（寬寬約0.22m ），故故單只輪輪胎的接接地面積積為0.220*00.200

12、=0.04mm2。單輪輪接地壓壓300000/0.004=77500000PPa。對于單根20型鋼而而言，其其頂面寬寬約0.11m ，即當3000KN 汽車通通過時，單單根型鋼鋼將承載載單只輪輪胎施于于其約75000000*0.1*00.2=150000NN的荷載載。一根根型鋼同同時有三三個輪胎胎作用其其上，接接地長度度一共達達到0.66m 。即在在單根型型鋼上承承載有三三個長度度約0.22m 的150000NN 的集中中荷載，相相距分別別為前中中輪心距距為4m ，中后后輪心距距為1.4m 。（2）計算算模型及及簡化條條件可將3000KN 的自卸卸汽車通通過仰拱拱棧橋時時，仰拱拱棧橋在在移動荷

13、荷載作用用下的應應力響應應問題簡簡化為：三集中中荷載（150000NN ）同時時作用于于一簡支支梁上，該該簡支梁梁一側固固定鉸支支；一側側為可動動鉸支，即即其可在在水平方方向移動動。三集集中荷載載的移動動速度4.00m/ss，間距距分別為為4.00 m、1.44m 。因為為工字鋼鋼鋼梁的的質量與與其上荷荷載相比比較小，本本計算中中可對之之忽略不不計。300KNN 自缷汽汽車輪胎胎寬約0.66m ，在通通過仰拱拱棧橋時時，應該該只是中中間總寬寬約0.77m 的2組單梁梁（每組組雙根）為為主要承承載梁，左左右側的的二組單單梁基本本上處于于空載狀狀態(tài)。即即單片仰仰拱梁的的有效工工作寬度度為0.44m

14、(22組單片片組合梁梁 ，但由由于橫向向連結鋼鋼板的作作用，該該空載的的二組單單片組合合梁亦會會分擔一一部分荷荷載。即即需要考考慮棧橋橋荷載橫橫向分布布系數(shù)，亦亦就是說說作用在在單根型型鋼上的的荷載會會比上述述計算結結果（150000NN ）要小小一些?？伎紤]到本本仰拱棧棧橋中橫橫向連結結鋼板的的橫向聯(lián)聯(lián)結剛度度不是很很強，即即輪壓荷荷載主要要是由中中間2 根單片片組合梁梁承載。但但為了增增大安全全系數(shù)，仍仍假設中中間2片組合合梁承載載約1000%的輪壓壓，進行行仰拱棧棧橋強度度或剛度度驗算時時主要以以中間2根單片片組合梁梁所受內內力為主主，其承承載單只只輪壓約約為150000NN 。擬采用A

15、NNSYSS 程序中中的Beaam1888（空間間）的模模型對仰仰拱棧橋橋進行強強度或剛剛度檢算算。確定的計算算模型如如圖3所示。斷斷面為20型鋼。圖3 仰拱拱棧橋簡簡化計算算模型首先選擇20作為仰仰拱棧橋橋，彈性性模量為為2100GPaa ，泊松松比為0.3，密度度為78000Kgg/m33。邊界條件為為一側固固定鉸支支，另一一側為可可動鉸支支。將6m 的的長的仰仰拱棧橋橋模型劃劃分為12個單元元，則3000KN 自卸汽汽車通過過每單元元時間為為0.1125ss ，單輪輪通過整整個仰拱拱棧橋時時間為1.55s ，自前前輪上棧棧橋始至至后輪下下棧橋止止，每單單輪需要要行走約約6+11.4+4=

16、111.44m，共有23個荷載載步，每每荷載的的子步數(shù)數(shù)設為10個。查（GB7706-65）表得得知20型鋼截截面幾何何參數(shù)為為：高度度h=2200mmm；腿寬b=1100mmm；腰厚d=77mm；平均均腿厚t=111.44mm。將以上截面面幾何參參數(shù)輸入入ANSSYS 程序后后，可得得出20型鋼截截面其它它幾何參參數(shù)如圖圖4所示（單單位：斷斷面積為為m 22, 慣性矩矩為m 4。抗彎彎模量為為m 3）。圖4 220型鋼截截面幾何何參數(shù)圖圖（單位位：國標標）（3）計算算結果將上參數(shù)輸輸入所建建立的ANSSYS 文件，實實物建模模后得到到以下模模型圖，如如圖5所示。圖5 單片片仰拱棧棧橋模型型圖

17、本模擬計算算中設定定分析類類型為瞬瞬態(tài)分析析法，在在瞬態(tài)分分析法中中選完全全分析法法進行后后處理，完完全分析析法采用用完整的的系統(tǒng)矩矩陣計算算結構的的瞬態(tài)響響應，能能較好地地模擬仰仰拱棧橋橋型鋼的的變形及及受力。由于需要對對仰拱棧棧橋最不不利受力力狀態(tài)下下結構強強度進行行驗算，首首先就需需要知道道汽車在在仰拱棧棧橋上行行走時的的最不利利荷載位位置。通通過將車車輪負載載轉化為為集中荷荷載在模模型（梁梁單元組組成）上上自梁端端走至梁梁尾，可可得到各各單元在在不同時時刻的時時程曲線線，再根根據(jù)時程程曲線，可可得到汽汽車前中中后排輪輪行走至至何位置置時產生生的撓度度最大，這這一位置置即是整整個仰拱拱棧

18、橋的的最不利利荷載位位置。經(jīng)過后處理理，可得得到模型型中間數(shù)數(shù)個節(jié)點點的撓度度變化曲曲線，如如圖6所示。圖6 仰拱拱棧橋20型鋼模模型中間間數(shù)個節(jié)節(jié)點撓度度時程曲曲線自圖6可知知，有限限元模型型上第8號節(jié)點點在車輛輛動載運運行過程程中撓度度最大，達達到了0.0020mm ，其次次是7、9號節(jié)點點，5、11號節(jié)點點在上圖圖7個節(jié)點點中撓度度最小，可可從上圖圖中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)以下規(guī)規(guī)律，即即是距離離8號節(jié)點點愈遠，撓撓度愈小小。即使使將所有有節(jié)點的的撓度曲曲線進行行對比，此此規(guī)律仍仍是成立立的。仰拱型鋼有有限元模模型長為為6m ，共被被劃分為為12個單元元，1、2號節(jié)點點被分配配給起始始點與結結束點，起起

19、始位置置為3號節(jié)點點，這樣樣，8號節(jié)點點就位于于有限元元模型的的正中間間，為中中間節(jié)點點，即對對本有限限元計算算而言，在在動載運運行過程程中，有有限元模模型中間間節(jié)點撓撓度最大大。這與與有關理理論分析析結果是是一致的的，即跨跨中對動動載的響響應最大大。此跨跨中即為為整個仰仰拱棧橋橋中最不不利荷載載位置。汽車在仰拱拱棧橋上上通行時時間約2.8875ss 。上述述各節(jié)點點撓度曲曲線均反反映出在在動載行行走至2.00s 時，有有限元模模型上節(jié)節(jié)點或單單元對動動載達到到響應最最大。而而對應有有限元計計算過程程可知，2.00s 時為3000KN 汽車前前輪行走走至第16載荷步步。即汽汽車前輪輪已離開開仰

20、拱棧棧橋，其其距仰拱拱后邊緣緣約2.00m；而汽車中中后排輪輪剛好對對稱分布布于仰拱棧橋跨中中位置，此此時仰拱拱棧橋跨跨中撓度度達到了了最大，此此位置即即仰拱棧棧橋最不不利位置置。示意意如圖7所示。圖7 仰拱拱棧橋負負3000KN 汽車動動載時其其最不利利位置示示意圖根據(jù)此最不不利位置置，應用用程度進進行后處處理，可可得到單單根20工字鋼鋼在第16載荷步步時的位位移、應應力云圖圖，并得得到相應應的量大大值。計計算出的的位移、應應力云圖圖如圖8、9所示。圖8 最不不利荷載載位置仰仰拱型鋼鋼位移圖圖圖9 最不不利荷載載位置仰仰拱型鋼鋼應力云云圖自圖8、99可知，斯斯太爾自自卸汽車車在仰拱拱棧橋上上

21、方行走走，當汽汽車中后后排輪位位于棧橋橋跨中兩兩側時，此此時前輪輪已離開開棧橋約約1.77m 的距離離，仰拱拱棧橋會會達到最最大位移移及應力力響應，最最大變位位達到了了20.0155mm ，單根20型鋼所所受最大大彎曲應應力達到到了1111MPaa 。同樣，應用用后處理理程序，可可得到單單根20工字鋼鋼在第16載荷步步時的剪剪力、彎彎矩云圖圖，并得得到相應應的量大大值。如如圖10、11所示。圖10 最最不利荷荷載（16荷載步步）位置置仰拱棧棧橋型鋼鋼剪力云云圖圖10 最最不利荷荷載（16荷載步步）位置置仰拱棧棧橋型鋼鋼彎矩云云圖自圖10、11可知，最最不利荷荷載位置置時，其其最大剪剪力達到到了

22、122221NN ，最大大彎矩達達到了260080NN MM 。最大大剪力位位于兩側側固定處處，最大大彎矩位位于跨中中。為了對比，現(xiàn)現(xiàn)將汽車車位于最最不利荷荷載位置置附近幾幾個節(jié)點點時的棧棧橋型鋼鋼承載的的變形、應應力、所所受剪力力、彎矩矩云圖示示如下各各圖。當汽車中后后排輪中中間點距距棧橋跨跨中還有有0.55m 時（最最不利荷荷載步左左側），即即第15荷載步步時，單單根20型鋼變變形、彎彎曲應力力剪力、彎彎矩云圖圖分別如如圖11、12、13、14所示。圖11 汽汽車中后后排輪中中間點距距跨中-0.5m （左側側）時單單根20型鋼變變形云圖圖圖12 汽汽車中后后排輪中中間點距距跨中-0.5m

23、（左側側）時單單根20型鋼彎彎曲應力力云圖圖13 汽汽車中后后排輪中中間點距距跨中-0.5m （左側側）時單單根20型鋼剪剪力云圖圖圖14 汽汽車中后后排輪距距跨中-0.5m （左側側）時單單根20型鋼彎彎矩云圖圖自上各圖所所知，當當3000KN 汽車中中后排輪輪中間位位于距棧棧橋跨中中還有0.55m 時，仰仰拱棧橋橋最大變變位達到到了19.34mmm ，單根20型鋼所所受最大大彎曲應應力達到到了1077MPaa 。均小小于15荷載步步時的變變形及應應力。同樣，155荷載步步時，其其最大剪剪力達到到了135593NN ，最大大彎矩達達到了251106NN MM 。 當汽車車中后排排輪中間間點超

24、過過棧橋跨跨中0.55m 時（最最不利荷荷載步右右側），即即第17荷載步步時，單單根20型鋼變變形、彎彎曲應力力剪力、彎彎矩云圖圖分別如如圖15、16、17、18所示。圖15 汽汽車中后后排輪中中間點超超過跨中中0.55m （右側側）時單單根20型鋼變變形云圖圖圖16 汽汽車中后后排輪中中間點超超過跨中中0.55m （右側側）時單單根20型鋼應應力云圖圖 圖17 汽車中中后排輪輪中間點點超過跨跨中0.55m （右側側）時單單根20型鋼剪剪力云圖圖圖18 汽汽車中后后排輪中中間點超超過跨中中0.55m （右側側）時單單根20型鋼彎彎矩云圖圖自上各圖所所知，當當3000KN 汽車中中后排輪輪中間點

25、點越過距距棧橋跨跨中0.55m 時，仰仰拱棧橋橋最大變變位達到到了19.9466mm ，單根20型鋼所所受最大大彎曲應應力達到到了1133MPaa 。該荷荷載步時時變形小小于15荷載步步，但其其承載的的應力大大于16荷載步步時的1111MPaa 。17荷載步步時，其其最大剪剪力達到到了155536NN ，最大大彎矩達達到了265581NN MM 。 當汽車車中后排排輪中間間點距棧棧橋跨中中還有1m 時（最最不利荷荷載步左左側），即即第14荷載步步時，單單根20型鋼變變形、彎彎曲應力力云圖分分別如圖圖19、20所示。圖19 汽汽車中后后排輪中中間點距距跨中-1mm （左側側）時單單根20型鋼變變

26、形云圖圖汽車中后排排輪中間間點距跨跨中-1m（左側側）時單單根 圖 200 汽車中中后排輪輪中間點點距跨中中-1m（左側側）時單單根20 型鋼彎彎曲應力力云圖 自上二二圖所知知，當 3000KNN 汽車中中后排輪輪中間位位于距棧棧橋跨中中還有 1mm 時，仰 拱棧橋橋最大變變位達到到了 188.133mm，單根20 型鋼所所受最大大彎曲應應力達到到了 1005MPPa。均小小于 155 荷載步步時的變變形及應應力。 同樣，當當汽車中中后排輪輪中間點點超過棧棧橋跨中中 1mm 時（最最不利荷荷載步右右側）， 即第 188 荷載步步時，單單根20 型鋼變變形、彎彎曲應力力云圖分分別如圖圖 21、22 所示。 1m（右側側）時單單根 圖 211 汽車中中后排輪輪中間點點超過跨跨中 1m（右側側）時單單根20 型鋼變變形云圖圖 166 1m（右側側）時單單根 圖 222 汽車中中后排輪輪中間點點超過跨跨中 1m（右側側）時單單根20 型鋼應應力云圖圖 自上二二圖所知知，當 3000KNN 汽車中中后排輪輪中間越越過棧橋橋跨中 1mm 時，仰仰拱棧橋橋 最大變變位達到到了 188.9mmm，單根20 型鋼所所受最大大彎曲應應力達到到了 1112MPPa。要 小于 155 荷載步步時的變變形及應應力。 從圖 822 中可以以發(fā)現(xiàn)，當 300KN 汽車前輪越