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        兩種大跨度門式墩方案設(shè)計比較分析

        2018-01-03 05:12:15聶細(xì)鋒
        城市道橋與防洪 2017年12期
        關(guān)鍵詞:門式蓋梁跨度

        聶細(xì)鋒

        (中鐵二院貴陽公司,貴州 貴陽 550002)

        兩種大跨度門式墩方案設(shè)計比較分析

        聶細(xì)鋒

        (中鐵二院貴陽公司,貴州 貴陽 550002)

        針對大跨度門式墩,結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、立柱與蓋梁固結(jié)及鋼結(jié)構(gòu)蓋梁、立柱與蓋梁鉸接兩種方案門式墩力學(xué)性能進行有限元分析;并結(jié)合工程實際分別從力學(xué)性能、經(jīng)濟性能及適用性能對兩種門式墩方案進行詳細(xì)比較,有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

        大跨度;門式墩;鋼蓋梁;比較分析

        0 引言

        近年來,隨著我國交通建設(shè)發(fā)展蓬勃,公路、鐵路及管線之間的交叉亦逐漸增多,為了減少彼此之間功能的影響,門式墩的使用亦非常普遍[1]。國內(nèi)門式墩大部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),然而當(dāng)門式墩跨度較大時,混凝土結(jié)構(gòu)門式墩經(jīng)濟性能較差。本文結(jié)合貴陽市軌道交通1號線區(qū)間某新建高架橋橋址處狀況,就采取兩種不同形式的大跨度門式墩方案進行綜合比較分析,明確各方案優(yōu)缺點。

        1 門式墩工程概況

        新建高架橋上跨城市市政道路,受軌道交通線路及市政道路線位交叉控制,門式墩跨度為26.7 m,兩立柱高度均為14 m,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。門式墩平面布置見圖1。

        圖1 門式墩平面布置圖(單位:cm)

        1.1 門式墩方案介紹

        預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁方案(方案一):蓋梁截面尺寸見圖2(a),立柱與蓋梁固結(jié),門式墩橫向為框架結(jié)構(gòu)。

        鋼蓋梁方案(方案二):蓋梁截面尺寸見圖2(b),立柱與蓋梁鉸接,門式墩橫向為簡支結(jié)構(gòu)。

        圖2 方案一及方案二蓋梁截面尺寸圖(單位:cm)

        立柱為矩形截面,尺寸為2.5 m×3.5 m,根據(jù)相關(guān)文獻[2,3],混凝土蓋梁與立柱剛度比為0.6,處于合理范圍。承臺尺寸為7 m×7 m×2.5 m,承臺底設(shè)4根1.5 m直徑鉆孔樁,樁長為12 m。

        預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁材料為C50混凝土,鋼蓋梁為Q345qD鋼材,立柱為C40混凝土。

        1.2 門式墩模型建立

        采用大型通用軟件Midas建立門式墩計算模型,蓋梁、立柱及樁基礎(chǔ)均采用梁單元模擬,地基各土層水平抗力系數(shù)根據(jù)地質(zhì)參數(shù)m值計算求得。恒載包括梁體及門式墩自重、二期恒載、支座墊石頂梁部恒載反力、預(yù)應(yīng)力荷載、基礎(chǔ)變位及混凝土收縮徐變影響;活載包括支座墊石頂梁部活載反力、離心力及橫向搖擺力;附加力包括制動力、風(fēng)力及溫度荷載,以上荷載值均根據(jù)相應(yīng)規(guī)范[4,5]計算求得。兩種方案門式墩有限元模型見圖3。

        圖3 方案一及方案二門式墩墩有限元模型

        2 門式墩方案比較分析

        方案一預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土進行簡算,梁體共布置30束M15-17型鋼束,最不利工況下截面最大壓應(yīng)力為13.2 MPa,最小壓應(yīng)力為1.3 MPa;方案二鋼蓋梁采用Q345qD鋼材,最不利工況下梁體最大拉、壓應(yīng)力均為121 MPa,滿足規(guī)范容許值210 MPa要求。在兩組方案各組成構(gòu)件驗算結(jié)果均滿足規(guī)范要求的前提下,分別對其進行以下三方面比較。

        2.1 力學(xué)性能比較分析

        根據(jù)有限元計算結(jié)果,兩組方案蓋梁、立柱在最不利工況下截面內(nèi)力數(shù)值見表1、表2。

        表1 兩組方案蓋梁內(nèi)力數(shù)值

        表2 兩組方案立柱內(nèi)力數(shù)值

        根據(jù)以上分析結(jié)果可以得知:(1)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁為壓彎受力構(gòu)件,鋼蓋梁為純彎受力構(gòu)件,鋼蓋梁跨中彎矩較大,較混凝土蓋梁可發(fā)揮鋼材抗拉性能強的優(yōu)點,并較混凝土蓋梁自重顯著減??;(2)方案一立柱與蓋梁固結(jié),為壓彎受力構(gòu)件,彎矩及軸力均相對較大,方案二立柱與蓋梁鉸接,以受壓為主,活載及附加力產(chǎn)生的彎矩較??;(3)方案一蓋梁與立柱固結(jié)為超靜定結(jié)構(gòu),較方案二受溫度影響大;(4)根據(jù)內(nèi)力數(shù)值,方案二立柱及基礎(chǔ)較方案一結(jié)構(gòu)尺寸可進行優(yōu)化。

        2.2 經(jīng)濟性能比較分析

        對方案二立柱及基礎(chǔ)尺寸進行優(yōu)化后,兩組方案主要材料用量見表3。

        表3 兩組方案主要材料用量表

        據(jù)表3可知:(1)方案二較方案一蓋梁鋼材用量顯著較多,造價相對較高;(2)方案二較方案一立柱及基礎(chǔ)工程材料用量較少,造價相對較低,同時方案二需增設(shè)支座。

        另從施工方面考慮,方案一需搭設(shè)支架澆筑混凝土蓋梁,并張拉預(yù)應(yīng)力,施工過程中對既有道路通行有一定影響;方案二鋼蓋梁采用吊裝拼接施工,施工周期較方案一顯著減短。

        2.3 適用性能比較分析

        當(dāng)門式墩跨越跨越既有運營線路時,采用鋼制蓋梁可縮短施工周期,減少對既有運營線路的影響;當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時,靜定結(jié)構(gòu)較超靜定結(jié)構(gòu)可避免基礎(chǔ)沉降引起的附加內(nèi)力。從后期養(yǎng)護角度分析,鋼蓋梁較混凝土蓋梁養(yǎng)護次數(shù)多。

        3 結(jié)論

        (1)方案一門式墩為超靜定結(jié)構(gòu),整體剛度較方案二大,同時受次內(nèi)力影響較大。

        (2)方案一較方案二蓋梁自重顯著增大,立柱及基礎(chǔ)外力亦較大。

        (3)兩種類型門式墩整體經(jīng)濟性能相近,方案二施工周期較方案一顯著減短。

        (4)當(dāng)門式墩跨越既有既有運營線路時,采用鋼結(jié)構(gòu)蓋梁優(yōu)勢較大,施工過程中對運營道路影響較小。

        [1]王永超.淺議門式墩的發(fā)展與應(yīng)用[J].城市道橋與防洪,2013(3):104-105,216.

        [2]陳明清.大跨度門架墩設(shè)計探討[J].城市道橋與防洪,2009(8):11-15.

        [3]姚嵐.大跨度鋼結(jié)構(gòu)門式墩設(shè)計[J].山西建筑,2012(11):201-202.

        [4]TB 10002-2017,鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

        [5]TB 10091-2017,鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

        TU391

        B

        1009-7716(2017)12-0060-03

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.017

        2017-06-24

        聶細(xì)鋒(1987-),男,江西豐城人,工程師,從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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