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        山區(qū)公路橋梁設(shè)計與質(zhì)量控制的研究

        2010-01-01 07:25:37李寶銀于向前史淑蘭
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年13期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁設(shè)計

        李寶銀 于向前 史淑蘭

        (陜西飛虹橋梁勘測設(shè)計研究有限公司,陜西 西安710054)

        1 陜西地形特征

        陜西地勢的總特點是南北高,中部低。同時,地勢由西向東傾斜。北山和秦嶺把陜西分為三大自然區(qū)域:北部是陜北高原,中部是關(guān)中平原,南部是秦巴山地。陜北黃土高原海拔800~1300米,約占全省總面積45%。其北部為風(fēng)沙區(qū),南部是陵溝壑區(qū)。關(guān)中平原西起寶雞,東至潼關(guān),平均海拔520米。陜南秦巴山地包括秦嶺、巴山和漢江谷地,約占全省土地總面積的36%。秦嶺在省境內(nèi)東西長400~500公里,南北寬約300公里,海拔1500~2000米。

        2 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 一般設(shè)計原則

        山區(qū)高速公路橋梁常用標準化、裝配化設(shè)計,其跨徑有16m,20m,25m,30m,35m,40m,50m,橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對于跨徑小于35m的,盡可能使用小箱梁。與空心板比較,箱梁具有跨越能力強,橫向整體性好,行車舒適,后期養(yǎng)護費用少;與T梁相比,其上部材料工程數(shù)量較小,工程造價低。以上特點決定了小箱梁在20m~35m跨徑范圍內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢。對于40m,50m跨徑,因T型梁的吊裝質(zhì)量比小箱梁小,宜采用T梁。對于50m跨徑T梁,在小半徑平曲線上,由于內(nèi)外梁梁長差較大,跨中矢高較大,對路線的適應(yīng)性要差一些。另外,山區(qū)高速公路交通運輸、場地預(yù)制條件均較差,大型機具進入困難,因此一般情況下不選用50m跨徑T梁。T梁之間的橫向連接有鉸接和剛接兩種形式,采用鉸接時,鉸只傳遞剪力,車輛荷載作用在鉸接縫處時,彎矩主要由現(xiàn)澆橋面板來承受,這樣現(xiàn)澆橋面板的厚度就必須加厚,否則,鉸接縫處橋面板易出現(xiàn)通長的縱向裂縫?,F(xiàn)澆橋面板厚度增加,意味著恒載增加,T梁配筋和鋼索必須增加,經(jīng)濟性下降,所以T梁橫向連接采用剛接較好。對于超過50m的連續(xù)梁,施工條件許可的情況下,大跨徑連續(xù)梁盡可能采用現(xiàn)澆箱梁,能夠容易地滿足路線的平縱變化的要求,整體性能和抗震性能優(yōu)越。

        2.2 處理好橋梁上部設(shè)計中的兩個關(guān)系

        2.2.1 跨徑與墩高的關(guān)系

        跨徑與墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則,一般應(yīng)選擇比值0.618~1比較經(jīng)濟,即20m跨徑梁適應(yīng)的墩高一般為12m~20m,40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24m~40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑,不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑,墩柱高度變化很大時,可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當一座橋梁有幾種跨徑方案可選擇時,應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)造進行造價分析比較再做選擇。

        2.2.2 上部構(gòu)造(板或梁)與平面曲線半徑的關(guān)系

        橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為兩個方面:1)內(nèi)外弧差;2)中矢高。墩臺徑向布置時,由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁梁長不等,半徑越小,內(nèi)外梁梁長差越大。解決此問題一般有兩種途徑:1)根據(jù)平面半徑變化梁長;2)不變梁長,通過加大帽梁、加大封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。對于中矢高問題,中矢高在10cm以內(nèi)時,可以通過調(diào)整護墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形;半徑較小,中矢高大于10cm時,可采用預(yù)制梁外緣按實際曲線預(yù)制,或預(yù)制T梁邊梁時,將邊梁多預(yù)制一段長度,讓現(xiàn)澆橋面板和護墻來適應(yīng)平面線形。第二種辦法雖然材料有浪費、美觀性稍差,但仍優(yōu)于前一種。

        3 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.1 矮墩設(shè)計

        對于較矮的橋墩(h<30m),多采用柱式墩、Y型薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱,圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便。從受力上看,截面積相等的方柱和圓柱,方柱抗彎剛度大于圓柱,受力也優(yōu)于圓柱,當體系為連續(xù)剛構(gòu)時,方柱可以方便地通過調(diào)整兩個方向的尺寸來調(diào)整墩柱的剛度,從而達到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性,調(diào)整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接,增加了工程量,并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡,增加柱帽構(gòu)造還會增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設(shè)計中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或圓柱。

        3.2 高墩設(shè)計

        對于橋墩一聯(lián)中最高為40m(不含40m)時,30m(含30m)以上橋墩做成等截面空心薄壁墩。最高墩不小于40m時,30m(含30m)以上橋墩為變截面空心薄壁墩,變截面薄壁空心墩順橋向坡比為45∶1。當墩高不小于50m以上時,應(yīng)加大空心薄壁墩的斷面尺寸。橋墩的布置應(yīng)該結(jié)合橋址范圍內(nèi)地形地貌的特點、地質(zhì)狀況及地面上的建筑物等綜合考慮、優(yōu)化選擇。有些河流河床主槽不明顯,斜橋雙柱或三柱中必有一兩橋墩處于主槽中,嚴重阻水,局部沖刷增大。這種情況下,可以考慮按獨柱正橋布孔,以減少橋墩的阻水面積。

        3.3 橋臺設(shè)計

        山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U型臺最常用,根據(jù)《墩臺與基礎(chǔ)》規(guī)定,U型臺適應(yīng)的填土范圍為4m~10m,所以U型臺的高度最好以10m控制。橋臺是路橋的銜接點,在橋梁總體設(shè)計時應(yīng)認真考慮以下幾個問題:

        1)山區(qū)河谷橫坡一般較陡峭,上部結(jié)構(gòu)長一些或短一些對橋臺高度影響很大。設(shè)計時,宜盡可能使橋臺高度小些,雖然橋長會長一些,但可以方便施工并減少工程質(zhì)量隱患。

        2)橋臺位于山坡橫向坡較陡峭處時,當采用U型橋臺,橫橋向根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)外側(cè)高差設(shè)置臺階,由于臺階式基礎(chǔ)施工工序的需要,會造成高一級的基底處于低一級基礎(chǔ)的級坑開挖面中,該部分基底土非原狀土,設(shè)計時應(yīng)采用換填碎石或片石混凝土處理,防止產(chǎn)生臺身剪切破壞和豎向開裂。

        4 加強橋梁設(shè)計中的安全性和耐久性:

        4.1 應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題

        橋梁在建造和使用過程中,一定會受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕,并要承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用,同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域,國內(nèi)從20世紀80年代以來,修建了大量的斜拉橋;雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴重損害的例子很少,但已經(jīng)有多座橋梁因為拉索的耐久性問題而不得不提前換索,既影響了使用又增大了經(jīng)濟損失。

        4.2 重視對疲勞損傷的研究

        橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載,會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力,不但會引起結(jié)構(gòu)的振動,還會引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的,實際上存在許多微小的缺陷,在循環(huán)荷載作用下,這些微缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷,并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制,極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到,但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

        4.3 充分重視橋梁的超載問題

        汽車超載主要有三種情況;其一是早期修建的老橋超齡負載運營;其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計;另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計荷載的變化和交通量的增加;后者是車輛使用者違法超載營運,后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍。橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇,甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。

        5 結(jié)束語

        在山區(qū)公路設(shè)計時,一定要從實際出發(fā),因地制宜的靈活采用各項技術(shù)指標,確保線型的勻衡性、連續(xù)性及與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性。加強施工質(zhì)量管理外,要從橋梁設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計,同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

        [1]許璐.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計關(guān)鍵問題研究[D].長安大學(xué),2009.

        [2]陳四德,李章喜.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計探討[J].中外公路,2006,(01).

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