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        高速鐵路(60+100+60)m連續(xù)梁不同梁高結(jié)構(gòu)設(shè)計對比分析

        2018-09-21 09:36:10趙瑞鵬
        鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 2018年10期
        關(guān)鍵詞:梁高成橋梁端

        趙瑞鵬

        (中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

        與路基工程相比,橋梁具有沉降穩(wěn)定、架設(shè)速度快、建設(shè)周期短等優(yōu)勢[1],因而在高速鐵路里程上橋梁占有大比重。高速鐵路對于線路的平順性要求很高,因此對于路線中的橋梁結(jié)構(gòu)也提出了很高的要求。連續(xù)梁橋由于其設(shè)計及施工工藝成熟、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順等優(yōu)點(diǎn)[2]成為在跨越障礙物時的首選方案。高速鐵路橋梁設(shè)計時受到線路坡度限制的影響,在跨越運(yùn)營線路時軌頂高程的可調(diào)余地較小,另外線下線路的建筑限界影響,造成橋梁建筑高度受限,而連續(xù)梁橋梁高較大,若改用鋼橋等橋型,可能造成造價大幅度增加,故在可能的情況下,適當(dāng)調(diào)高軌頂高程,并在結(jié)構(gòu)設(shè)計可能的范圍內(nèi)降低連續(xù)梁梁高,并通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性與相同跨徑的連續(xù)梁橋相近,則可以選擇連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu),降低工程總體造價。另外選擇梁高較小的連續(xù)梁時可以降低線路整體高程,降低工程投資。

        在連續(xù)梁橋設(shè)計研究方面,大多是針對橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動力參數(shù)進(jìn)行研究,很少有針對橋梁高度設(shè)計方面的研究。梁會[3]通過靜力計算和動力分析,得到高速鐵路連續(xù)梁橋的應(yīng)力、變形情況及動力特性、列車走行性分析成果。宋基軍[4]對一座高速鐵路(60+100+60)m連續(xù)梁橋在懸臂施工過程中影響主梁梁體線形和內(nèi)力因素進(jìn)行了研究,并討論了不同跨徑連續(xù)梁橋在相同懸臂長度時的線形和內(nèi)力變化規(guī)律。楊耀等[5]結(jié)合3種跨度的連續(xù)梁橋,采用數(shù)值分析方法計算,分析了懸臂施工過程不同工況下梁體的變形規(guī)律。陳麟[6]分析了連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)不同工況、階段的徐變特性及其變化規(guī)律。戴金松[7]提出了高速鐵路多聯(lián)大跨連續(xù)梁橋上無砟無縫線路的設(shè)計原則及設(shè)計方案。姚成釗[8]分析了設(shè)計參數(shù)對后期徐變的影響。黃興[9]對地震作用下連續(xù)梁橋-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。趙永軍[10]通過對橋梁動力特性和結(jié)構(gòu)懸臂階段彈性模量的研究,提出了基于動力特性并加以實(shí)施多階段測試計算修正得出的彈性模量,更能反映實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能。

        在跨越既有運(yùn)營線路時,(60+100+60) m跨度連續(xù)梁橋為我國高鐵建設(shè)中經(jīng)常采用的橋型布置方案。支點(diǎn)梁高有7.85 m和7.20 m兩種情況,全長均為221.5 m。故設(shè)計時需要對兩種連續(xù)梁橋的受力性能進(jìn)行對比研究,另外,結(jié)構(gòu)剛度對行車舒適性的影響也很大,需要對比分析兩橋的動力特性。本文主要針對兩種梁高情況下的(60+100+60) m連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的靜力和動力性能進(jìn)行了對比分析研究。

        1 設(shè)計概況

        1.1 支點(diǎn)梁高7.20 m連續(xù)梁概況

        設(shè)計行車速度為250 km/h。中支點(diǎn)處梁高7.20 m,跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段處梁高為4.60 m,梁底下緣按二次拋物線變化,邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu),箱梁頂寬12.2 m,箱梁底寬6.4 m。頂板厚度35.4~45.4 cm、45.4~55.4 cm,按折線變化,底板厚度40~120 cm,按直線性變化,腹板厚60~80 cm、80~100 cm,按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-37.3 mm,為跨度的1/2 680。全梁在端支點(diǎn)、中跨跨中及中支點(diǎn)處共設(shè)5個橫隔板,橫隔板設(shè)有孔洞,供檢查人員通過。梁部橫截面如圖1所示。

        圖1 支點(diǎn)梁高7.20 m梁部橫截面(單位:mm)

        1.2 支點(diǎn)處梁高7.85 m連續(xù)梁概況

        設(shè)計行車速度為350 km/h。中支點(diǎn)梁高7.85 m,跨中10 m直線段及邊跨15.75 m直線段梁高為4.85 m,梁底下緣按二次拋物線變化,邊支座中心線至梁端0.75 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面直腹板形式。頂板厚除梁端附近為65 cm外,余均為40 cm;底板厚度由跨中的40 cm變化至支點(diǎn)根部的120 cm,按直線變化,梁端附近為80 cm;腹板厚60~80~100 cm,按折線變化。箱梁中跨最大靜活載撓度-33.3 mm,為跨度的1/3 002。橫隔板設(shè)有孔洞,供檢查人員通過。梁端底板設(shè)有0.25 m×1.5 m的槽口,且設(shè)置半徑250 mm的倒角。其梁部橫截面圖如圖2所示。

        圖2 支點(diǎn)梁高7.85 m梁部截面(單位:mm)

        1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

        兩種結(jié)構(gòu)的塊段長度及塊段劃分相同,對比分析了兩座橋的結(jié)構(gòu)尺寸、塊段質(zhì)量等設(shè)計參數(shù)如圖3所示。其中圖3(a)選擇的0號塊端部進(jìn)行對比。

        可見,兩種情況下梁高差從支點(diǎn)處0.60 m逐漸變化到跨中處的0.25 m;兩種情況下的腹板厚度及底板厚度一致;為提高7.20 m梁高橋梁的剛度,設(shè)計時對頂板設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,通過加大頂板厚度提高結(jié)構(gòu)剛度;由圖3(b)可見,7.85 m梁高橋梁頂板厚度基本維持常數(shù),而7.20 m梁高橋梁頂板厚度在支點(diǎn)位置較大,在跨中位置稍小。由于橫隔板較厚,梁段質(zhì)量7.20 m梁高結(jié)構(gòu)0號塊稍大,其余梁段兩種情況下的質(zhì)量基本一致。

        2 設(shè)計結(jié)果對比

        兩種情況下橋梁的施工過程相同,建立連續(xù)梁的有限元模型,將全橋分為82個單元和83個節(jié)點(diǎn),主要進(jìn)行成橋內(nèi)力、變形及承載能力的對比分析,總結(jié)不同梁高下連續(xù)梁橋靜力特性的分布規(guī)律。

        2.1 成橋內(nèi)力分析

        橋梁內(nèi)力計算包括恒載內(nèi)力、活載內(nèi)力計算,以及考慮不同荷載安全系數(shù)進(jìn)行的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的荷載內(nèi)力組合計算[11]。梁體上下緣累計應(yīng)力可作為結(jié)構(gòu)安全儲備的反映,也是保證橋梁運(yùn)營安全的主要設(shè)計指標(biāo)。

        對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu),本分析的成橋內(nèi)力為恒載內(nèi)力分析結(jié)果,恒載內(nèi)力包括自重和二期恒載,并對比邊跨跨中、中支點(diǎn)及中跨跨中等控制截面的上下緣應(yīng)力。成橋內(nèi)力對比見圖4。

        圖3 梁體設(shè)計參數(shù)對比

        圖4 成橋內(nèi)力對比

        由圖4可知:由于兩種情況下的結(jié)構(gòu)自重基本相同,故恒載內(nèi)力相近。圖5列出了成橋階段包含預(yù)應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)成橋應(yīng)力。表1列出了在不同二期恒載下的控制截面累計應(yīng)力計算結(jié)果,應(yīng)力以受壓為正。

        圖5 梁部結(jié)構(gòu)成橋應(yīng)力(單位:MPa)

        MPa

        由圖5及表1結(jié)果對比分析可知:

        (1)兩種情況下的成橋應(yīng)力圖趨勢接近,數(shù)值相近;控制截面的應(yīng)力相差很小;

        (2)經(jīng)過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計,兩種梁高情況下的結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)接近,承受活載時的梁體安全儲備接近。

        2.2 成橋累計位移分析

        主梁線形為連續(xù)梁橋施工控制的主要目標(biāo),直接影響成橋的最終狀態(tài)[12-13]。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu),設(shè)置預(yù)拱度是使得成橋線形滿足施工和運(yùn)營要求的重要手段,而成橋累計位移可作為設(shè)置預(yù)拱度的重要依據(jù)。圖6對兩連續(xù)梁收縮徐變完成后的累計位移進(jìn)行了對比分析。

        圖6 連續(xù)梁累計位移對比

        由圖6可知:連續(xù)梁整體變形趨勢相近,均是邊跨梁段變形較小,中跨跨中附近梁段變形較大;梁體的累計位移和預(yù)應(yīng)力有較大的聯(lián)系,兩種情況下的累計位移均不大,相應(yīng)的線形監(jiān)控的難度也不是很高。

        2.3 主力作用下的設(shè)計結(jié)果對比

        主力作用下兩種梁高情況下梁體分析結(jié)果列于表2。

        表2 主力作用下的計算結(jié)果

        由表2可以看出:

        (1)7.20 m梁高結(jié)構(gòu)的跨中下緣最小壓應(yīng)力大于7.85 m梁高的結(jié)構(gòu);

        (2)7.20 m梁高結(jié)構(gòu)的最小強(qiáng)度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)稍小于7.85 m梁高的結(jié)構(gòu);

        (3)兩種情況下的計算殘余徐變變形值均小于10 mm,滿足后期運(yùn)營要求。

        2.4 梁端轉(zhuǎn)角對比

        兩種梁高情況下連續(xù)梁均采用有砟軌道,為保證梁部接縫處的穩(wěn)定性,在ZK活載靜力作用下,梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰rad[14]。由分析結(jié)果,支點(diǎn)梁高7.85 m,連續(xù)梁梁端轉(zhuǎn)角為0.85‰rad,支點(diǎn)梁高7.20 m,連續(xù)梁梁端轉(zhuǎn)角為1.26‰rad。結(jié)果表明,梁高的減小會使得梁端轉(zhuǎn)角有所增加,但均符合規(guī)范要求。

        3 動力特性分析

        結(jié)構(gòu)動力特性分析主要是為求得結(jié)構(gòu)自身的動力特性[15]。車橋耦合動力響應(yīng)分析,主要包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對橫向力、旅客乘坐舒適度指標(biāo)[16]等。其中橋梁的自振頻率是評價橋梁安全性的重要指標(biāo)。自振頻率的提高,可以降低橋梁的動力系數(shù)[17],防止其達(dá)到峰值而導(dǎo)致共振。采用Midas Civil建立高速鐵路連續(xù)梁的有限元模型,采用Ritz向量法計算特征值,兩種情況下的梁體豎向振型形狀相同,如圖7所示,其振動頻率列于表3。

        圖7 梁部結(jié)構(gòu)振型

        階數(shù)頻率/Hz支點(diǎn)梁高7.20m支點(diǎn)梁高7.85m11.7581.82323.4293.525

        表3結(jié)果表明,兩種情況下的梁體振動頻率相近,支點(diǎn)高度7.85 m結(jié)構(gòu)振動頻率稍大。

        4 結(jié)論

        對兩種不同梁高截面的連續(xù)梁進(jìn)行了靜動力特性分析,通過以上分析,得出以下結(jié)論。

        (1)經(jīng)過細(xì)致的設(shè)計,兩種梁高情況下的橋梁結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力和應(yīng)力基本一致,兩種情況下的安全儲備相近。

        (2)兩種梁高橋梁結(jié)構(gòu)在主力作用下的計算結(jié)果相近,殘余徐變變形均能滿足運(yùn)營要求。

        (3)降低梁高使得梁端轉(zhuǎn)角略有增加,但其結(jié)果符合規(guī)范要求。

        (4)兩種梁高情況下梁體振動特性相近,振動頻率相差不大。

        (5)在適當(dāng)降低梁高的情況下,可以通過改變截面厚度等參數(shù),再通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證結(jié)構(gòu)承載力和安全系數(shù)滿足要求,從而能在一定程度上擴(kuò)大連續(xù)梁橋的適用范圍,降低工程造價。

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