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        鋼箱梁頂推施工過(guò)程分析

        2020-03-01 15:05:21黃霞
        西部交通科技 2020年5期
        關(guān)鍵詞:有限元

        黃霞

        摘要:文章結(jié)合某特大橋工程實(shí)例,對(duì)頂推施工中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式選擇及截面尺寸的確定作了簡(jiǎn)單介紹,采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析,分別對(duì)施工過(guò)程中導(dǎo)梁在自重荷載作用下的穩(wěn)定性、各墩支反力、鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性、鋼箱梁應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明:頂推過(guò)程中,導(dǎo)梁穩(wěn)定性滿足要求;鋼箱梁在上墩前彎曲應(yīng)力最大,相應(yīng)剪應(yīng)力值則相對(duì)較小;墩頂支點(diǎn)反力、抗傾覆穩(wěn)定性均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

        關(guān)鍵詞:頂推施工;有限元;鋼箱梁;抗傾覆穩(wěn)定性

        0 引言

        近年來(lái),頂推施工被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于跨線、跨河等現(xiàn)澆施工困難的橋梁,并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在頂推過(guò)程中,導(dǎo)梁受力情況、懸臂端變形、箱梁抗傾覆穩(wěn)定性等成為施工控制之重點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)某特大橋的頂推施工的鋼導(dǎo)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)、受力情況及穩(wěn)定性分析,并計(jì)算鋼箱梁在最不利情況下的抗傾覆穩(wěn)定性,為今后該類型橋施工提供參考。

        1 工程概況

        某雙塔雙索面特大跨度斜拉橋上部結(jié)構(gòu)采用的組合形式為(213+508+185)m,采用梁墩固結(jié)、塔梁分離的連結(jié)方式。塔柱采用折H型構(gòu)造,主塔高為195.1m,橋梁全長(zhǎng)956m,橋面凈寬27.7m。全橋主縱梁按施工次序依次分為ZL1~ZL65共65個(gè)節(jié)段,鋼梁平均重量為12.33t/m。其中貴州側(cè)邊跨ZL1~ZL22節(jié)段的施工方式為頂推施工,全長(zhǎng)236.8m。橋梁立面圖如下頁(yè)圖1所示。

        2 鋼導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)[1-2]

        2.1 材料選用及設(shè)計(jì)參數(shù)

        參照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ025-86)[3]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)[4],鋼梁體系包含一種鋼材:Q370qD鋼材;導(dǎo)梁體系包含一種鋼材:Q235鋼材;臨時(shí)墩體系包含一種鋼材:Q345鋼材。Q370qD比Q345強(qiáng)度大,但都按Q345參數(shù)計(jì)算,各種材料容許應(yīng)力均不考慮提高系數(shù)。

        2.2 輔助墩布設(shè)

        在頂推過(guò)程中,由于在導(dǎo)梁前端上墩之前為一懸臂結(jié)構(gòu),在自重荷載作用下,通常導(dǎo)梁前端的底面標(biāo)高會(huì)低于滑道頂面的標(biāo)高。因此,當(dāng)永久墩間距較大時(shí),可在相鄰永久墩之間布設(shè)輔助墩以減小頂推跨度。本橋頂推共布設(shè)3個(gè)輔助墩:在2#~3#墩間布設(shè)輔助墩L1,墩跨為28.5m+36m;在3#~5#墩間布設(shè)輔助墩L2、L3,墩跨為32.75m+2×40m+35.75m。立柱采用“4×[WTBX]610×14”鋼管,鋼管間用萬(wàn)能桿件連接成整體,保證輔助墩整體穩(wěn)定性。在墩頂橫向安裝分配梁,縱向安裝承重滑道。輔助墩構(gòu)造如圖2所示。

        2.3 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式比選

        現(xiàn)階段使用的鋼導(dǎo)梁主要是以下兩種:鋼板梁;鋼桁梁?,F(xiàn)將兩種導(dǎo)梁的受力情況、自重、剛度等主要施工參數(shù)進(jìn)行比選,如表1所示。結(jié)合本橋?qū)嶋H施工情況,選擇如圖3所示的鋼板梁作為本項(xiàng)目鋼導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)形式。

        2.4 導(dǎo)梁穩(wěn)定性分析

        導(dǎo)梁在頂推過(guò)程中,需保證本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本項(xiàng)目導(dǎo)梁的最大頂推跨度為40m,故以該最大跨度為例進(jìn)行導(dǎo)梁自身穩(wěn)定性分析。頂推前移時(shí),導(dǎo)梁前端跨越40m跨徑,進(jìn)而伸出懸臂,改變受力狀態(tài),鋼導(dǎo)梁的最不利情形狀態(tài)下的穩(wěn)定性需要計(jì)算分析才能確定。因而,選取導(dǎo)梁每前移2m作為一個(gè)計(jì)算工況,分析導(dǎo)梁在自重荷載作用下的受力狀態(tài),確定導(dǎo)梁前移過(guò)程中的最不利情形。本次分析中共取了12個(gè)計(jì)算截面。采用MidasCivil軟件建立有限元模型(如圖4所示)。模型計(jì)算時(shí)采用以下假定:

        (1)將鋼梁與導(dǎo)梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;

        (2)建模時(shí),僅考慮ZL1~ZL22鋼梁節(jié)段,且僅考慮主梁和橫梁的作用;

        (3)由模型運(yùn)算可知,主梁與橫梁自身重量只有設(shè)計(jì)圖紙重量的70%,因此,兩者結(jié)合運(yùn)算時(shí),自重恒載系數(shù)為1/0.7=1.43;

        (4)進(jìn)行正式頂推分析時(shí),模型計(jì)算采取和該導(dǎo)梁驗(yàn)算模型相同的假設(shè);

        (5)鋼箱梁頂推在前行時(shí),除自身自重恒載外,不考慮其他諸如風(fēng)荷載、溫度荷載等相關(guān)荷載的影響,故不進(jìn)行其他荷載加載。

        通過(guò)計(jì)算分析,可得出頂推前行時(shí)導(dǎo)梁在自身自重荷載作用下的最大彎矩和最大剪力值(詳見(jiàn)表2)。由此可見(jiàn),當(dāng)導(dǎo)梁從輔助墩上頂推前移距離達(dá)到16m位置時(shí),其在自重荷載作用下所受到的彎矩最大,達(dá)到了112.3MPa<145MPa;當(dāng)導(dǎo)梁從輔助墩上頂推前移距離達(dá)到20m位置時(shí),其在自重荷載作用下所受到的剪力最大,相應(yīng)的剪應(yīng)力大小僅有28.2MPa<85MPa。此外,在導(dǎo)梁前移過(guò)程中,每個(gè)階段其彎曲應(yīng)力值相對(duì)較大,且出現(xiàn)的位置位于橫梁之上,而相應(yīng)的,剪切應(yīng)力值較小,其最大值位置均位于鋼板梁之上?;谝陨戏治?,得出在導(dǎo)梁前移過(guò)程中,在自重荷載作用下,其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的結(jié)論。

        2.5 頂推過(guò)程中導(dǎo)梁前端最大下?lián)?/p>

        鋼箱梁頂推前移時(shí)需注意隨時(shí)觀察導(dǎo)梁前端下?lián)衔灰魄闆r。鋼箱梁在頂推到最大懸臂工況下時(shí),即當(dāng)其前端位置上墩前,此時(shí)導(dǎo)梁前端下?lián)线_(dá)到極值。經(jīng)計(jì)算分析,導(dǎo)梁前移過(guò)程中各懸臂工況下其前端最大下?lián)衔灰圃?6~162mm之間。

        3 頂推過(guò)程受力分析

        3.1 計(jì)算工況劃分

        鋼梁的特征工況主要為鋼梁頂推至每一跨間的最大懸臂狀態(tài)及其后上墩狀態(tài),因而選取以下15個(gè)工況作為計(jì)算工況:

        工況1:鋼箱梁前移到2#墩上墩前;

        工況2:鋼箱梁前移到2#墩上墩后;

        工況3:鋼箱梁前移到L1#墩上墩前;

        工況4:鋼箱梁前移到L1#墩上墩后;

        工況5:鋼箱梁前移到3#墩上墩前;

        工況6:鋼箱梁前移到3#墩上墩后;

        工況7:鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

        工況8:鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

        工況9:鋼箱梁前移到L3#墩上墩前;

        工況10:鋼箱梁前移到L3#墩上墩后;

        工況11:鋼箱梁前移到L4#墩上墩前;

        工況12:鋼箱梁前移到L4#墩上墩后;

        工況13:鋼箱梁前移到5#主塔上墩前;

        工況14:鋼箱梁前移到5#主塔上墩后;

        工況15:鋼箱梁前移到5#主塔尾端最大懸臂處。

        3.2 頂推過(guò)程各工況下支點(diǎn)反力

        本次頂推施工邊跨鋼梁在前行過(guò)程中需越過(guò)6個(gè)橋跨段,因而將施工方式分成6個(gè)節(jié)段推進(jìn)。為減小尾端懸臂引起的較大反力及鋼梁應(yīng)力,在頂推ZL1節(jié)段時(shí)不拼裝其鋼橫梁,直到頂推完畢后再拼裝ZL1節(jié)段鋼橫梁。隨著頂推的進(jìn)行,鋼梁節(jié)段不斷增加,懸臂跨度變大,結(jié)構(gòu)整體受力體系亦隨之發(fā)生改變,支撐點(diǎn)反力亦反復(fù)變化。分析得出,墩支點(diǎn)最大支反力出現(xiàn)在工況14狀態(tài)下,位置位于2#墩,其值為6063kN。

        3.3 抗傾覆計(jì)算

        在工況1情況下,即首批鋼梁頂推至2#墩前端上墩前,此時(shí)抗傾覆最不利,鋼箱梁最大懸臂為40m,而施工平臺(tái)上鋼梁簡(jiǎn)支段為42m,偏于安全考慮,將導(dǎo)梁當(dāng)作均布荷載進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)梁重量為18.2kN/m,后支點(diǎn)的支反力為626kN??箖A覆系數(shù)為K=抗傾覆力矩/傾覆力矩=(123.3×42×21)/(626×42+123.3×18×9+18.2×22×29)=1.88>1.4,所以滿足抗傾覆要求。

        3.4 鋼梁受力分析

        通過(guò)MidasCivil軟件計(jì)算可得各工況狀態(tài)應(yīng)力值(見(jiàn)表3),由表中數(shù)據(jù)可知,鋼梁最大彎應(yīng)力出現(xiàn)在工況1、9、11、13狀態(tài),為90.8MPa<210MPa;而在工況13、14作用下的剪應(yīng)力值最大,達(dá)到19.7MPa<120MPa,符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

        4 結(jié)語(yǔ)

        近年來(lái),頂推法作為橋梁施工的一種方法正在被普遍使用,對(duì)其施工受力性能的研究也不斷深入。使用頂推法施工時(shí),為了減小主梁的受力和撓度,往往需要采用臨時(shí)墩和導(dǎo)梁等輔助設(shè)備。本文通過(guò)有限元分析了鋼箱梁在頂推施工過(guò)程中的受力情況,可得出以下結(jié)論:

        (1)鋼梁在工況1、9、11、13狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力最大,均為頂推過(guò)程中鋼梁上墩前;

        (2)頂推過(guò)程中各墩頂支點(diǎn)反力均較小,最大為6066kN,箱梁抗傾覆穩(wěn)定性為1.88,滿足規(guī)范要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]喬亞?wèn)|.鋼箱梁頂推施工鋼板梁式鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2011(3):132-136.

        [2]龐建國(guó).鋼箱梁頂推箱型導(dǎo)梁設(shè)計(jì)與施工[J].中國(guó)公路,2012(2):116-117.

        [3]JTJ025-86,公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [4]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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