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        連云港海濱大道超高填土橋臺(tái)分析與設(shè)計(jì)

        2016-12-23 19:09:28徐凱耀
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年34期

        徐凱耀

        摘 要:文章結(jié)合了一座超高填土肋板式橋臺(tái)的工程實(shí)例設(shè)計(jì),介紹了超高填土肋板式橋臺(tái)的受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn),分析并總結(jié)了其設(shè)計(jì)時(shí)需驗(yàn)算的主要內(nèi)容,以期為同類(lèi)型橋臺(tái)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        關(guān)鍵詞:超高填土;肋板式橋臺(tái);結(jié)構(gòu)計(jì)算

        1 概述

        隨著城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn),社會(huì)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求越來(lái)越高,部分處于平原微丘區(qū)甚至山嶺重丘區(qū)的城市也對(duì)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施有了較高的要求。在部分地形起伏較大且地基基礎(chǔ)較好的地區(qū),為滿足橋梁使用功能并減少橋梁的造價(jià),有時(shí)會(huì)利用臺(tái)后高填土來(lái)減少橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。因此,橋臺(tái)將承受較大的土壓力,如不采取有效措施,將危及橋梁安全。

        2 高填土橋臺(tái)的特點(diǎn)及可選結(jié)構(gòu)形式

        由于填土高度較大,橋臺(tái)承受的土壓力急劇增大,在橋臺(tái)受力中占有較大的比重。同時(shí)上部結(jié)構(gòu)偏心荷載及水平力(溫度影響力、混凝土收縮及徐變影響力、支座摩阻力及汽車(chē)制動(dòng)力)對(duì)橋臺(tái)的彎矩也隨橋臺(tái)高度增加而增加。

        常見(jiàn)高填土橋臺(tái)結(jié)構(gòu)形式:

        2.1 重力式U型橋臺(tái)

        重力式U形橋臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、施工方便,可以用混凝土或片、塊石砌筑;同時(shí)U型橋臺(tái)臺(tái)前無(wú)需溜坡,當(dāng)填土高度較大時(shí)對(duì)橋墩不產(chǎn)生影響。但是,由于U型橋臺(tái)體積大、重量大,容易造成由于地基的壓密下沉而引起的基礎(chǔ)沉降,若地基土不良或經(jīng)常受到地下水位升降等因素影響有可能產(chǎn)生不均勻沉降,從而造成橋臺(tái)開(kāi)裂;另外,U型橋臺(tái)中空填土部分容易積水,冰凍后產(chǎn)生膨脹而使墻身產(chǎn)生裂縫;對(duì)于混凝土或片石混凝土U型橋臺(tái),在施工過(guò)程中還易產(chǎn)生溫度裂縫和施工縫;同時(shí),U型橋臺(tái)基礎(chǔ)較大,在地形起伏較大的山區(qū)施工均為困難。因此,高填土U型橋臺(tái)在工程實(shí)施中存在的病害較多,局限性較大,后期維修加固費(fèi)用較高。

        2.2 框架式橋臺(tái)

        框架式橋臺(tái)是一種在橫橋向成框架式結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)輕型橋臺(tái),優(yōu)點(diǎn)是所受的土壓力較小,可用于地基承載力較低、臺(tái)身較高、跨徑較大的梁橋,但臺(tái)前需設(shè)置溜坡深入橋孔,因而會(huì)壓縮河道,占地較多。

        適用于高填土橋臺(tái)情況的橋臺(tái)構(gòu)造形式主要有樁柱式和肋板式兩種。

        樁柱式橋臺(tái)一般為埋置式,對(duì)于各種土質(zhì)地基都適宜。樁柱式橋臺(tái)由于可以先填土后進(jìn)行樁基施工,因此填土較密實(shí),能有效減少填土沉降及臺(tái)后填土對(duì)橋臺(tái)產(chǎn)生的水平推力。

        2.3 肋板式橋臺(tái)

        肋板式橋臺(tái)穩(wěn)定性較好,但通常要用雙排樁基,鋼筋、混凝土用量均較樁柱式多。

        2.4 組合式橋臺(tái)

        為使橋臺(tái)輕型化,橋臺(tái)本身主要承受橋跨結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向力和水平力,臺(tái)后的土壓力由其他結(jié)構(gòu)來(lái)承受,從而形成了組合式橋臺(tái)。常見(jiàn)的組合式橋臺(tái)有加筋土組合橋臺(tái)、錨碇板式橋臺(tái)等形式。組合式橋臺(tái)一般受力較明確,在理論上具有一定的優(yōu)勢(shì),但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工較麻煩,因而在實(shí)際工程中使用并不多,在實(shí)踐上經(jīng)驗(yàn)還不成熟。

        3 工程實(shí)例

        3.1 工程背景

        某山區(qū)橋梁,地形復(fù)雜,且因交通需要需在橋臺(tái)處設(shè)置平交口,造成橋臺(tái)填土高度達(dá)到18.5m。橋墩側(cè)橋梁需跨越港口隧道(皮帶機(jī)通道),為保證隧道正常使用,需對(duì)臺(tái)前溜坡作出限制。同時(shí),本工程處于近海區(qū)域,環(huán)境類(lèi)別為近海或海洋環(huán)境,作用等級(jí)D、E級(jí),對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有較高的要求。由于本橋與已建成皮帶機(jī)隧道線位相交,且主體結(jié)構(gòu)間距離較近,為確保已建成隧道的安全,必須保證橋臺(tái)樁基與隧道二襯結(jié)構(gòu)距離不超過(guò)5.8m,承臺(tái)不得侵占隧道二襯結(jié)構(gòu)。為此,需將承臺(tái)抬高設(shè)計(jì)成高樁承臺(tái)。同時(shí),橋臺(tái)所處位置橫橋向地面存在8.9m高差,在設(shè)計(jì)時(shí)保守地按照較低的地面高程計(jì)算,地面以上的樁基將達(dá)到9.2m,給設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的困難。經(jīng)過(guò)多次試算和論證,本橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái),5×3A1.8m樁基礎(chǔ),肋板高2.2m,承臺(tái)厚2.5m,臺(tái)前設(shè)置一道樁板式擋土墻。其立面和平面圖如圖1、圖2所示。

        3.2 設(shè)計(jì)資料

        本橋上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,跨徑35m,共8片箱梁均布設(shè)置。設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí);臺(tái)帽采用C40海工混凝土,臺(tái)身、前墻、側(cè)墻、耳墻、承臺(tái)、樁基均采用C30海工混凝土。臺(tái)后及溜坡填土γ=19KN/m3,填土內(nèi)摩擦角30°。橋臺(tái)處工程地質(zhì)條件較好,地基巖土層可分兩層:拋石;中風(fēng)化變粒巖。

        3.3 計(jì)算分析

        由于本橋臺(tái)受力復(fù)雜,必須對(duì)橋臺(tái)所受荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化。經(jīng)過(guò)研究分析,確定簡(jiǎn)化原則如下:

        (1)上部結(jié)構(gòu)(組合箱梁)恒載及彎矩按實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算,簡(jiǎn)化后的集中力通過(guò)支座傳遞到橋臺(tái)。

        (2)下部結(jié)構(gòu)(耳墻、牛腿、背墻、擋塊、臺(tái)帽、肋板、承臺(tái)、頂板)恒載及彎矩按實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算,簡(jiǎn)化后的集中力作用在承臺(tái)底中心。

        (3)土重力只計(jì)算肋板后土重力及肋身間部分土重力恒載及彎矩,忽略臺(tái)前土重力,組合后的集中力作用在承臺(tái)底中心。

        (4)土壓力:分別計(jì)算背墻范圍、肋板范圍及承臺(tái)范圍土壓力,將計(jì)算結(jié)果組合為豎直力、水平力及彎矩。

        (5)汽車(chē)荷載:考慮豎直力及順橋向彎矩。

        (6)支座摩阻力:取摩阻系數(shù)0.06計(jì)算其水平力及彎矩。

        (7)樁側(cè)部分土壓力:考慮到承臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高高于原地面9.2m,在原地面以上形成9.2m的“懸空樁”,必須考慮到后填土對(duì)樁基的影響,將樁側(cè)土壓力簡(jiǎn)化為線性荷載施加在樁側(cè)。

        (1)上部結(jié)構(gòu)(組合箱梁)恒載及彎矩。

        (2)下部結(jié)構(gòu)(耳墻、牛腿、背墻、擋塊、臺(tái)帽、肋板、承臺(tái)、頂板)恒載及彎矩。

        (3)土重力(含肋板后土重力及肋身間土重力)恒載及彎矩,忽略臺(tái)前土重力。

        (4)土壓力(含背墻范圍、肋板范圍及承臺(tái)范圍土壓力)豎直力、水平力及彎矩。

        (5)汽車(chē)荷載,豎直力及順橋向彎矩。

        (6)支座摩阻力(取摩阻系數(shù)0.06)水平力及彎矩。

        經(jīng)組合,單列樁(共5列)使用極限狀態(tài)P=8694KN,H=996KN,M=9013KNm,承載能力基本組合P=8694KN,H=1161KN,M=10454KNm。

        (荷載組合按照豎向力最小,水平力及彎矩最大原則。豎向力分項(xiàng)系數(shù)均取1,水平力及彎矩分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范選取,彎矩方向?yàn)槟鏁r(shí)針)

        樁側(cè)荷載為原地面以上至承臺(tái)底范圍內(nèi)樁側(cè)土壓力 q1=160KN/m,q2=277KN/m。

        采用平面桿系軟件進(jìn)行分析,并在樁側(cè)施加土彈簧,變粒巖部分取m=15000000KN/m4,拋石部分取m=30000KN/m4,填土部分取m=3000KN/m4,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

        由此可見(jiàn),本橋臺(tái)樁徑2m是可以滿足要求的。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        (1)超高肋板式橋臺(tái)的臺(tái)背土壓力隨著深度呈線性變化,在設(shè)計(jì)中,需要考慮較大的土壓力作用,增加結(jié)構(gòu)剛度以保證結(jié)構(gòu)安全。

        (2)由于臺(tái)后填土較高,樁基應(yīng)在臺(tái)后路基與錐坡填土按規(guī)定壓實(shí)填至路槽底后開(kāi)挖進(jìn)行樁基和承臺(tái)的施工。

        (3)超高橋臺(tái)臺(tái)前溜坡坡每8m高應(yīng)設(shè)-2m寬的平臺(tái),增加臺(tái)前填土的穩(wěn)定性和加大填土的反向壓力。因本工程沒(méi)有設(shè)置溜坡的條件,必須在臺(tái)前設(shè)置擋土墻以保證穩(wěn)定。

        (4)在必要情況下,可酌情考慮后填土對(duì)樁基的抗推作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]JTG D63-2007.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2]馬希田.超高填土肋板式橋臺(tái)的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析[J].科技傳播,2011.

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