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        城市高架橋跨地鐵的大跨徑承臺設計

        2019-06-29 06:34:20楊沈紅
        城市道橋與防洪 2019年6期
        關鍵詞:系梁高架橋張拉

        楊沈紅

        (上海市政交通設計研究院有限公司,上海市 200030)

        1 工程概況

        西安某高架橋工程位于西安中心城區(qū),總長約1.9km,工程較為復雜,沿線需跨越多個路口,同時工程K2+080~K2+240段線位與已建地鐵四號線重疊。本文主要對高架橋K2+080~K2+240范圍內與地鐵四號線相沖突的樁基承臺進行設計。

        高架橋與地鐵四號線的位置如圖1所示。

        圖1 高架橋承臺樁基與地鐵隧道的平面位置

        該段高架橋樁基布置需避開現有地鐵結構,根據多方溝通協調,為避免施工期間對已建地鐵隧道產生不利影響,地鐵公司提出橋墩樁基與地鐵隧道之間的最小凈距3 m。故該段樁基布置受地鐵結構的影響較大,基礎布置受到一定限制,需對高架橋樁基承臺進行特殊設計。該段高架橋下地鐵上下行隧道間的凈距僅4.5 m,無法在上下行隧道間設置樁基,橋梁需采用大跨徑承臺同時跨越上下行隧道,如圖2所示。

        圖2 承臺總體布置圖(單位:cm)

        2 大跨徑承臺結構設計

        為減小上部結構對大跨徑承臺的作用,該段上部結構采用自重較輕的鋼箱梁,跨徑30 m,梁高2.0 m。橋墩的布置受地面道路的影響采用雙柱式矩形橋墩,承臺跨越地鐵上下行隧道,樁基與地鐵最小凈距3.4 m,承臺總長37.65 m,為減小承臺混凝土體量,采用啞鈴型承臺。根據該工程地質條件,樁基采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設計,樁長60 m。

        該承臺若按常規(guī)承臺設計,采用鋼筋混凝土結構,由于樁基間距較大,系梁跨中彎矩過大,將出現開裂,無法滿足設計要求,因此需采用預應力混凝土承臺。結合該工程特點,提出兩種承臺設計方案。

        2.1 方案一:預應力混凝土實心承臺結構設計

        承臺為長37.65 m,寬10.5 m,高3 m的實心承臺,通長配束36根15?s15.2的預應力鋼絞線,分三層布置,抗拉強度標準值采用1 860 MPa,張拉控制應力為1 395 MPa,梁端對稱張拉,鋼束布置如圖3和4所示。

        圖3 預應力承臺鋼束布置(單位:cm)

        圖4 預應力承臺鋼束斷面布置(單位:cm)

        2.2 方案二:普鋼-預應力混凝土混合空心承臺結構設計

        承臺長 37.65 m,寬10.5 m,高 3.5 m,為減小承臺自重,跨中段系梁采用單箱雙室的箱型截面,跨中受力主筋為2根 ?36組成的束筋,間距0.13 m,下緣受拉區(qū)布置兩排,共132根 ?36鋼筋;同時系梁段頂底板各設置一排預應力鋼絞線,共24根15?s15.2的預應力鋼絞線,張拉控制應力為1395MPa。承臺立面和系梁斷面分別如圖5和圖6所示。

        圖5 承臺立面圖(單位:cm)

        圖6 承臺系梁斷面圖(單位:cm)

        3 邊界條件

        對于方案一,由于承臺一次成型,且張拉預應力后系梁出現一定的上撓,因此可以忽略承臺底土層對承臺的作用,承臺底面以上的荷載全部由樁基承受。對于方案二,由于承臺和系梁分段澆筑,由于承臺底離地鐵隧道距離較遠,且承臺所在土層地基容許承載力100 kPa,土層較好,施工期間可考慮地基土對承臺的支撐作用。系梁澆筑期間結構自重全部由地基土承擔,待系梁與橋墩形成整體后,橋墩與上部結構的恒載則由整個承臺傳遞至樁基承受。

        鋼箱梁及橋面系恒載以集中力加載在墩頂,其中左側支點恒載合計2 560 kN,右側支點恒載合計5 270 kN,汽車荷載按城-A級設計。

        采用橋梁博士進行建模分析,采用“m”法模擬群樁剛度,基礎剛度如表1所示。

        表1 基礎剛度

        圖7 計算模型

        4 結構分析

        4.1 方案一:預應力混凝土實心承臺

        4.1.1 施工階段模擬

        共6個施工階段:(1)整體現澆樁基承臺(2)張拉預應力鋼束(3)現澆橋墩(4)承臺頂土回填(5)施工上部結構及橋面系(6)10 a收縮徐變。

        4.1.2 承載能力極限狀態(tài)強度驗算

        極限承載能力考慮各種效應基本組合情況進行包絡。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 5.1.2條規(guī)定,承臺承載能力極限狀態(tài)強度驗算應滿足下列規(guī)定:

        式中,γ0為結構重要性系數;S為作用組合的效應設計值;R為構件承載力設計值。

        模型計算結果如圖8和圖9所示,承載能力極限狀態(tài)承臺基本組合作用下最大正彎矩132749kN·m,位于橋墩右立柱處承臺底,該處抗彎承載力為330 478 kN·m;最大負彎矩 4 1696 kN·m,位于左承臺頂,該處抗彎承載力為266 028 kN·m;最大剪力為24 103 kN,位于左承臺樁頂處,該處抗剪承載力為27 143 kN。綜上所述,預應力承臺正截面抗彎及斜截面抗剪強度驗算均滿足規(guī)范要求。

        圖8 最大彎矩及其抗力(單位:kN·m)

        圖9 最小彎矩及其抗力(單位:kN·m)

        4.1.3 正常使用階段抗裂性驗算

        按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 6.3.1條規(guī)定,承臺正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算應滿足下列規(guī)定:正截面正應力:

        斜截面主拉應力:

        式中,σst為作用頻遇組合下混凝土法向拉應力,MPa;σlt為作用準永久組合下混凝土法向拉應力,MPa;σpc為扣除全部預應力損失后的預加力產生的混凝土預壓應力,MPa;ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值,MPa。

        如圖10和11所示,作用頻遇組合及作用準永久組合下承臺正截面均全截面受壓,斜截面最大主拉應力0.34 MPa,小于允許值0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa。綜上所述,承臺正常使用階段抗裂性滿足規(guī)范要求。

        圖10 作用頻遇組合下上下緣最小法向壓應力(單位:MPa)

        圖11 作用頻遇組合下最大主拉應力(單位:MPa)

        4.1.4 正常使用階段應力驗算

        按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 7.1.5條規(guī)定,正常使用極限狀態(tài)應力驗算應滿足下列規(guī)定:

        式中,σkc為混凝土法向壓應力,MPa;σpt為預加力產生的混凝土法向拉應力,,MPa;fck為混凝土軸心抗壓強度標準值,MPa。

        如圖12和13所示,作用標準組合下承臺最大法向壓應力8.51 MPa,小于允許值0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa,主壓應力8.51 MPa,小于允許值0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa。承臺正常使用階段應力滿足規(guī)范要求。

        圖12 作用標準組合下上下緣最大法向壓應力(單位:MPa)

        圖13 作用標準組合下最大主壓應力(單位:MPa)

        4.2 方案二:普鋼-預應力混凝土混合空心承臺

        方案一預應力張拉后對樁頂產生較大彎矩,對樁基產生不利影響,同時預應力張拉時,基礎剛度越大,分擔到的預應力效應就越大,承臺系梁的預應力效應就越小,預應力無法100%施加到系梁上,而地基土層特性較為復雜,基礎剛度是個理論值,若實際基礎剛度比設計模擬剛度大,則預應力效應達不到原設計要求,為避免上述風險,該方案采用混合承臺,僅在承臺跨中段頂底板內對稱張拉預應力,樁頂段仍采用鋼筋混凝土承臺,張拉鋼束后再現澆濕接段,將樁頂段與跨中段連成整體。

        4.2.1 施工階段

        承臺分段現澆,共7個施工階段:(1)現澆跨中段系梁及樁基承臺(2)對稱張拉跨中段頂底板預應力鋼絞線;(3)現澆濕接縫,樁基承臺與系梁連成一體(4)現澆橋墩(5)承臺頂土回填(6)施工上部結構及橋面系(7)10年收縮徐變。

        4.2.2 承載能力極限狀態(tài)強度驗算

        根據模型計算結果,如圖14和15所示,承載能力極限狀態(tài)承臺基本組合作用下最大正彎矩108 628 kN·m,位于橋墩右立柱處,該處抗彎承載力為243 703 kN·m;基本組合作用下最大負彎矩47 156 kN·m,出現在左側端部承臺處,該處抗彎承載力為170 121 kN·m;端部承臺基本組合作用下最大剪力為22565kN,該處抗剪承載力為30274kN;跨中段基本組合作用下最大剪力為12 985 kN,該處抗剪承載力為14 014 kN。綜上所述,混合承臺正截面抗彎及斜截面抗剪強度驗算均滿足規(guī)范要求。

        圖14 最大彎矩及其抗力(單位:kN·m)

        圖15 最小彎矩及其抗力(單位:kN·m)

        4.2.3 正常使用階段抗裂性驗算

        按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 6.4.3條規(guī)定,鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土受彎構件最大裂縫寬度為:

        式中,C1為鋼筋表面形狀系數;C2為長期效應影響系數;C3為與構件受力性質有關的系數;σSS為鋼筋應力,MPa;c為最外排縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度,mm;d為縱向受拉鋼筋直徑,mm;ρe為縱向受拉鋼筋的有效配筋率;Es為鋼筋的彈性模量,。

        根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)第6.4.2條規(guī)定,該工程所在I類環(huán)境中B類預應力混凝土構件最大裂縫寬度限制為0.1 mm,鋼筋混凝土構件最大裂縫寬度限制為0.2 mm。

        經計算,跨中段為B類預應力混凝土構件,最大裂縫0.08 mm,小于規(guī)范允許值0.1 mm,位于橋墩右立柱處承臺下緣;端部樁頂承臺為鋼筋混凝土構件,最大裂縫為0.11mm,小于規(guī)范允許值0.2mm,位于左承臺上緣。綜上所述,混合承臺計算最大裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

        5 方案比選

        經計算,兩種方案的強度、抗裂性能等均滿足相關規(guī)范要求,但從受力性能上說,方案一預應力束張拉使得樁基產生附加彎矩,對結構受力較為不利。同時,預應力的效應與基礎剛度有關,而按“m”法計算群樁基礎剛度時,m的取值對基礎剛度影響較大,若基礎剛度較大,預應力張拉時樁基會分擔較多預應力效應,承臺系梁達不到原設計要求,受力不明確。而方案二承臺分段澆筑,預應力束在系梁與樁基承臺連成整體前張拉,即能實現預應力全部施加到系梁上,又對樁基沒有影響,受力分析明確。從經濟性能上說,方案二承臺系梁采用空心截面,雖然梁高較方案一增大50 cm,但總體混凝土體量比方案一小15.6%,方案二更經濟。從施工角度上說,方案二采用分段澆筑,通過濕接段連成整體,施工時間較方案一略長。綜合以上考慮,該工程推薦采用方案二進行設計。

        方案 預應力混凝土實心承臺 普鋼-預應力混凝土混合空心承臺對承臺的影響預應力部分被樁基分擔,無法100%施加到承臺系梁上且受力不明確預應力全部作用在承臺系梁上,受力明確對樁基的影響預應力在系梁與樁基連接前完成張拉,對樁基無影響經濟性 系梁實心截面,混凝土體量較大(承臺共675 m3)預應力張拉使樁基產生附加彎矩系梁空心截面,混凝土體量較小(承臺共570 m3)施工便捷性承臺一次性澆筑,然后張拉預應力束,施工較為便捷承臺分段澆筑,張拉預應力后澆筑濕接縫,連成整體,施工較為繁瑣

        6 結語

        為解決高架橋與地鐵線位重疊時橋梁樁基承臺如何設計,本文對兩種承臺方案均進行了詳細論證,經計算,兩種承臺方案承載能力極限狀態(tài)下的強度、正常使用狀態(tài)下的抗裂性等均滿足規(guī)范要求,設計方案合理可行,但預應力承臺預應力效應受基礎剛度及土層特性影響較大,需精確設計。大跨徑承臺的應用可使樁基的布置更為靈活,較好的解決了高架橋樁基與地鐵沖突的矛盾。

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