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        西溪河大橋非平衡轉(zhuǎn)體控制技術(shù)研究

        2016-11-08 12:03:38敬洪武
        鐵道建筑 2016年10期
        關(guān)鍵詞:砂箱指數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)體

        敬洪武

        (成貴鐵路有限責(zé)任公司,四川成都610031)

        西溪河大橋非平衡轉(zhuǎn)體控制技術(shù)研究

        敬洪武

        (成貴鐵路有限責(zé)任公司,四川成都610031)

        西溪河大橋作為成(都)貴(陽)客運專線的重點控制性工程,是國內(nèi)最大跨度的雙線鐵路上承式鋼管混凝土轉(zhuǎn)體拱橋。大橋采用非平衡轉(zhuǎn)體工藝實施轉(zhuǎn)體,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵技術(shù)。本文以西溪河大橋為背景,介紹了橋梁轉(zhuǎn)動體系主要結(jié)構(gòu)組成,對如何測試轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)非平衡狀態(tài)并進行配重調(diào)節(jié)做了技術(shù)總結(jié),可為同類工程的設(shè)計、施工、監(jiān)控提供參考。

        客運專線;鋼管混凝土拱橋;轉(zhuǎn)體施工;非平衡控制

        1 工程概況

        橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計軸線位置制作(澆筑或拼接)成型后,通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法[1]。包括豎轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合法,其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多[2]。成貴鐵路西溪河大橋跨越深切河谷西溪河,橋梁全長為493.6 m。軌面至河面高差255.7 m,主跨240 m,跨孔樣式為3×32.7 m簡支梁+240 m上承式鋼管混凝土拱橋+4×32.7 m簡支梁。橋墩采用矩形空心墩,最大墩高為59.95 m。其主橋總體半立面布置如圖1所示。

        圖1 主橋總體半立面布置(單位:cm)

        主拱采用非平衡平轉(zhuǎn)法施工,先在兩側(cè)山體上搭設(shè)支架拼裝半個鋼管拱,整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由交界墩、轉(zhuǎn)動體系、扣索和背索牽引系統(tǒng)、豎向臨時轉(zhuǎn)動裝置、半跨主拱圈等部分組成。轉(zhuǎn)動體系由下盤、轉(zhuǎn)鉸、上盤、中心定位軸、滑道、撐腳和轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成,轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)(半拱)立面如圖2所示。上盤預(yù)應(yīng)力鋼束背索、扣索均采用1 860 MPa級φ15.24鋼絞線,脫架后2個半拱同時轉(zhuǎn)體就位,最后施工合龍段,半拱鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體質(zhì)量約為14 000 t。

        圖2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)(半拱)立面

        2 非平衡配重設(shè)計

        交界墩作為扣索塔架通過扣索支承拱圈,同時也起平衡壓重的作用,設(shè)計采用矩形空心墩并設(shè)置于上盤頂面,轉(zhuǎn)體扣索、背索均錨固于其頂帽上。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)理論上在不配重情況下可單鉸自行平衡,但考慮到計算誤差、施工誤差等不確定因素,設(shè)計采用在轉(zhuǎn)體系統(tǒng)后方配置壓重后使轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有后傾力矩,以增大抗向前傾覆的穩(wěn)定性。為了保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安全,應(yīng)使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心向交界墩后傾斜,轉(zhuǎn)動前用千斤頂測定后支腿反力,其2個后保險腿反力之和不宜<8000kN,否則應(yīng)施加配重調(diào)節(jié)。

        關(guān)于轉(zhuǎn)體配重,原設(shè)計采用在交界墩內(nèi)部澆筑475 m3素混凝土作為本橋轉(zhuǎn)體配重。施工中經(jīng)過相關(guān)計算,考慮結(jié)構(gòu)自重、拱上扣點及上中兩層爬梯重量的情況下,僅采用在交界墩填充素混凝土的方式配重,需約600m3。由于施工過程中尚不確定爬梯在轉(zhuǎn)體前能否全部安裝及計算過程中不可避免的誤差,最終采用在交界墩內(nèi)澆筑400m3混凝土,再預(yù)制100m3混凝土塊預(yù)備擺放于上盤尾部的配重方案,如圖3所示。在扣背索張拉過程中,拱肋位于支架上,不存在安全風(fēng)險,砂箱全部卸載后通過監(jiān)測撐腳與滑道間隙變化量對配重進行精確加載[3]。

        圖3 非平衡配重平面示意

        3 非平衡配重實施方案

        3.1測試原理

        由于本橋采用非平衡轉(zhuǎn)體施工,上、下盤間砂箱全部卸載后,球鉸承受著整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的不平衡彎矩,使轉(zhuǎn)鉸有發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動的趨勢,必然導(dǎo)致?lián)文_與滑道間隙發(fā)生變化;擬通過測試相關(guān)數(shù)據(jù)建立不平衡彎矩和撐腳與滑道間隙變化量的函數(shù)關(guān)系,即建立力-位移函數(shù)關(guān)系式,通過測試簡單的位移量計算出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)受力[4-5]。

        1)計算不平衡彎距

        按照設(shè)計要求砂箱卸載后撐腳反力之和≥8000kN,由于撐腳和滑道間隙較小,測試設(shè)備無法安放。通過在上、下盤尾部間設(shè)置千斤頂進行測試,再通過杠桿原理計算得出撐腳反力值。隨著砂箱的不斷卸載,千斤頂反力、撐腳與滑道間隙都會不斷發(fā)生變化,通過力矩平衡得出轉(zhuǎn)鉸不平衡彎矩計算式

        式中:M為轉(zhuǎn)鉸所受不平衡彎矩,kN·m;F為千斤頂反力,kN;L為橋梁縱向千斤頂中心距轉(zhuǎn)鉸中心距離,m。

        2)撐腳與滑道間隙變化值

        式中:di為第i個工況下?lián)文_與滑道間隙值,mm;d0為砂箱卸載前撐腳與滑道間隙值,mm。

        3)建立不平衡彎矩和撐腳與滑道間隙變化量的函數(shù)關(guān)系

        測試轉(zhuǎn)鉸不平衡彎距和順橋向撐腳與滑道間隙變化量,按照指數(shù)函數(shù)或其它函數(shù)建立關(guān)系式。通過測量撐腳與滑道間隙變化值,再根據(jù)此函數(shù)關(guān)系式可反算出轉(zhuǎn)鉸所受非平衡彎矩,從而計算出撐腳反力值。

        3.2測試方法

        在上盤砂箱拆除前在尾盤硬支撐附近設(shè)置一排千斤頂(圖4、圖5),將千斤頂頂升至上盤下表面并保持接觸(不受力),再對砂箱進行拆除。在此過程中觀測千斤頂受力情況,如保持受壓狀態(tài),則逐步拆除全部砂箱;如千斤頂不受壓力,則需要在尾盤增加配重至千斤頂受力再逐步拆除全部砂箱,在砂箱拆除完成后,觀測千斤頂壓力并通過杠桿原理推算支撐腿壓力是否滿足設(shè)計要求,如壓力不足,根據(jù)實際情況增加配重,確保滿足設(shè)計要求。

        圖4 非平衡配重測試立面示意(單位:cm)

        圖5 現(xiàn)場測試照片

        3.3測試結(jié)果

        千斤頂反力值和撐腳與滑道間隙測試結(jié)果見表1。

        表1 撐腳與滑道間隙變化量試驗數(shù)據(jù)

        采用Excel對數(shù)據(jù)進行曲線擬合。根據(jù)坐標(biāo)值的分布圖形,按照2種曲線擬合,分別是指數(shù)函數(shù)和三次多項式函數(shù)。不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量曲線關(guān)系擬合結(jié)果見圖6和圖7。

        圖6 不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量指數(shù)函數(shù)關(guān)系

        圖7 不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量三次多項式函數(shù)關(guān)系

        所得指數(shù)函數(shù)擬合曲線方程為

        式中:x為撐腳和滑道間隙變化量,mm;y為不平衡彎距,kN·m。

        所得三次多項式函數(shù)擬合曲線方程為

        指數(shù)函數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.992 08,三次多項式函數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.997 78,相關(guān)系數(shù)越接近1,擬合趨勢線越可靠。

        實際測試中可通過觀測百分表讀數(shù)變化,再根據(jù)擬合曲線函數(shù)計算出球鉸所受不平衡彎矩,從而計算出撐腳反力值是否達到設(shè)計要求。通過不斷加載配重,當(dāng)x=2.483mm時,根據(jù)式(3)得出y=28027.6kN·m,撐腳距球鉸中心3.5m,則撐腳反力為8007.9kN;根據(jù)式(4)得出y=29681.5kN·m,撐腳反力為8480.4kN。通過千斤頂讀數(shù)推算出的撐腳反力為8123.4kN。亦即,指數(shù)函數(shù)模擬誤差為-1.42%,三次多項式函數(shù)模擬誤差為4.39%;由此可見采用指數(shù)函數(shù)模擬更加準(zhǔn)確,如表2所示。當(dāng)千斤頂受力超過其量程時可根據(jù)已建立起的函數(shù)關(guān)系式,通過測量百分表讀數(shù)來計算撐腳反力。

        表2 曲線函數(shù)模擬與實測值對比分析

        本測試方法已在數(shù)十座轉(zhuǎn)體橋成功運用,結(jié)果精確可靠。

        4 結(jié)論

        轉(zhuǎn)體過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制是轉(zhuǎn)體能否成功的關(guān)鍵性因素。轉(zhuǎn)體前,對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)非平衡狀態(tài)進行測試,建立力與位移之間的函數(shù)關(guān)系,通過測試各工況下?lián)文_與滑道間隙變化量,計算得出結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài),并根據(jù)測試結(jié)果進行配重調(diào)節(jié)。本文提出的方法對于非平衡轉(zhuǎn)體或平衡轉(zhuǎn)體都適用,可為同類工程的設(shè)計、施工、監(jiān)控提供參考。

        [1]羅旗幟.橋梁工程[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2006.

        [2]張聯(lián)燕,譚邦明,陳俊卿,等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社,2001.

        [3]中華人民共和國鐵道部.TB 10303—2009鐵路橋涵工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

        [4]曹文,王正儀,王興猛.輕型橋梁轉(zhuǎn)體施工專項試驗研究[J].鐵道建筑,2011(12):13-15.

        [5]傅賢超,王興猛,張三峰,等.橋梁平轉(zhuǎn)法施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2013(11):8-10.

        (責(zé)任審編孟慶伶)

        Research of Controlling Technique of Non-balanced Rotation Body for Xixi River Bridge

        JING Hongwu
        (Chenggui Railway Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610031,China)

        Xixi River Bridge,the largest concrete-filled steel tube swivel arch bridge used on double-track railway in China,is a key project of Chengdu-Guiyang railway line dedicated to passengers.T he bridge was constructed using non-balanced swivel method.Controlling of the stability is the key.In this paper,the construction of Xixi River Bridge was case-studied.T he bridge swivel system structure was introduced,and how to evaluate the non-balanced state of the swivel and how to adjust the balance weight were summarized.It may provide a guidance for the design,construction and monitoring of other similar engineering projects.

        Railway line dedicated to passengers;Concrete-filled steel tube arch bridge;Swivel construction;Nonbalanced control

        U445.465

        A

        10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.09

        1003-1995(2016)10-0032-04

        2016-07-28;

        2016-08-20

        敬洪武(1969—),男,高級工程師。

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