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        鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)例研究

        2021-04-02 04:03:34胡玉珠
        高速鐵路技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:斜拉橋型梁端

        黃 毅 劉 偉 胡玉珠

        (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

        矮塔斜拉橋是一種采用斜拉索進(jìn)行體外加勁的混凝土梁橋,通常認(rèn)為該種橋型是介于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋之間的一種組合體系橋型,具有塔矮、梁剛、索集中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。1988年,法國設(shè)計(jì)師Jacgues Mathivat正式提出了矮塔斜拉橋的概念,并指出該類橋型的受力特點(diǎn):以主梁為主要承載結(jié)構(gòu),分擔(dān)大部分荷載,斜拉索對主梁起加勁作用且承擔(dān)一部分荷載,相當(dāng)于體外預(yù)應(yīng)力索。自此之后,矮塔斜拉橋在世界范圍內(nèi)得到了推廣應(yīng)用。我國于2000年建成首座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋[2](公鐵兩用橋)。隨后,又相繼建成了京滬高鐵天津聯(lián)絡(luò)線大橋(64.6+115+115+64.6)m[3]、懷邵衡鐵路沅江特大橋(90+180+90)m[4]、商合杭鐵路潁上特大橋(94.2+220+94.2)m[5]、蒙華鐵路漢江特大橋(72.5+116+248+116+72.5)m[6]等多座矮塔斜拉橋。

        上述工程的順利建成,極大地促進(jìn)了矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展,逐步形成了較為完整的綜合技術(shù)體系。但受工程建設(shè)環(huán)境等的限制,該類橋梁在設(shè)計(jì)技術(shù)上仍存在一定的個案性特征,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,仍需根據(jù)工程的實(shí)際條件開展有針對性的設(shè)計(jì)研究。本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋工程為依托,針對矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)過程中存在的梁部無索區(qū)長度、索間距等關(guān)鍵性參數(shù)的確定問題開展研究,以期進(jìn)一步豐富該類橋梁的設(shè)計(jì)方法。

        1 工程概況

        渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋位于重慶市武隆縣巷口鎮(zhèn)涼水村長途河附近,大橋跨越河谷及兩岸道路,線路主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

        表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

        經(jīng)多方案比選和論證,同時綜合考慮橋址地形地質(zhì)、橋梁跨度、凈空及受力特點(diǎn)等影響因素,提出了矮塔斜拉T構(gòu)橋型的設(shè)計(jì)方案。

        2 總體設(shè)計(jì)方案

        參考類似工程,初步擬定長途河大橋設(shè)計(jì)方案為:主橋采用(132+ 132) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉T構(gòu),塔—墩—梁固結(jié),墩高79 m;主墩基礎(chǔ)采用直徑2.5 m鉆孔灌注樁,其余橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.50 m或1.25 m鉆孔灌注樁;引橋簡支梁采用支架現(xiàn)澆施工。全橋總布置圖如圖1所示。

        圖1 全橋總布置圖(cm)

        2.1 主梁構(gòu)造

        主梁設(shè)計(jì)為單箱雙室變高度直腹板截面,等高段橫斷面,如圖2所示。箱梁頂寬14.1 m,箱寬11.3 m,主墩頂支點(diǎn)截面梁高13 m,邊支點(diǎn)截面高7 m,截面高度按二次拋物線變化。箱梁頂板厚42 cm,腹板厚40~90 cm,底板厚52~110 cm。由于塔-梁-墩固結(jié)且根據(jù)改善局部受力的需要,橋塔位置箱梁底寬兩側(cè)各加寬210 cm,墩梁固結(jié)下腋處和箱體內(nèi)設(shè)置倒角[7]。斜拉索與主梁之間采用箱外混凝土齒塊錨固,錨固處對應(yīng)設(shè)置箱內(nèi)橫梁。

        圖2 主梁等高段橫斷面圖(cm)

        2.2 塔墩構(gòu)造

        本橋墩-梁-塔固結(jié),塔柱縱向?yàn)槿俗中?,塔?8 m。上塔柱采用矩形實(shí)體截面,距離梁頂面17.5 m至塔底段順橋向分肢,單肢截面順橋向?qū)?.4~2.8 m,橫向橋等寬2.7 m,構(gòu)造如圖3所示。主墩采用矩形空心墩,墩高79 m,墩頂截面尺寸11×15.5 m(縱×橫),墩身縱向直坡,橫向坡比1∶25。塔柱采用C50鋼筋混凝土,橋墩梁底以下8 m范圍墩身采用C55鋼筋混凝土,其余墩身采用C40鋼筋混凝土。

        圖3 橋塔構(gòu)造圖(cm)

        2.3 斜拉索

        斜拉索采用61-15.2 mm及73-15.2 mm的無粘結(jié)鋼絞線,斜拉索在上塔柱采用分絲式抗滑鞍座穿過[8]。斜拉索關(guān)于索塔對稱布置,全橋初擬設(shè)計(jì)共18對斜拉索,最內(nèi)側(cè)索距離塔中心38 m,索在梁上的縱向間距為8 m,在塔上的豎向間距為1.5 m,最外側(cè)索的水平夾角為19.8°,如圖4所示。

        圖4 斜拉索布置示意圖

        2.4 基礎(chǔ)

        主墩基礎(chǔ)采用18根2.5 m鉆孔灌注樁,按照柱樁設(shè)計(jì),行列式布置,樁長12 m,承臺尺寸為(29 × 17 × 5) m,基礎(chǔ)布置如圖5所示。

        圖5 主墩基礎(chǔ)布置圖(cm)

        3 斜拉索布置范圍及間距優(yōu)化設(shè)計(jì)

        矮塔斜拉橋與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋相比,最大區(qū)別就在于斜拉索的體外加勁作用,斜拉索的布置范圍、角度等參數(shù)直接影響其工作效率及材料用量。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,需對矮塔斜拉T構(gòu)橋型的無索區(qū)長度、索間距兩個主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多工況對比分析,以確定其較優(yōu)取值。

        3.1 計(jì)算模型

        采用Midas civil有限元軟件,建立矮塔斜拉T構(gòu)主梁的模型并計(jì)算。模型中,主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主梁共分為127個單元,其中主梁、塔、墩設(shè)置為梁單元,斜拉索采用僅受拉的桁架單元模擬。整體計(jì)算模型如圖6所示。

        圖6 計(jì)算模型圖

        3.2 斜拉索布置范圍

        保持梁上索間距(L2=64 m)不變,調(diào)整無索區(qū)梁端L1及塔根無索區(qū)L3長度(如圖7所示),設(shè)置3種分析方案:①L1=36 m,L3=32 m;②L1=30 m,L3=38 m;③L1=24 m,L3=44 m。

        圖7 有、無索區(qū)參數(shù)示意圖

        采用上述計(jì)算模型,分別計(jì)算得到不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、內(nèi)力變化的情況,如表2所示。

        表2 無索區(qū)長度對比表

        由表2可以看出:

        (1)拉索布置越靠近梁端,梁端轉(zhuǎn)角越小,跨中活載撓度也越小。其原因在于梁部為變高度箱梁,越靠近邊支點(diǎn)梁體剛度越小,斜拉索對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)則越大。

        (2)對梁部內(nèi)力,拉索布置越靠近主塔,塔根主梁負(fù)彎矩越小,有利于減小中支點(diǎn)梁高,但同時邊支點(diǎn)附近無索區(qū)正彎矩相應(yīng)增大,需配置更多的底板預(yù)應(yīng)力鋼束。

        綜上所述,本橋設(shè)計(jì)為兼顧結(jié)構(gòu)剛度與內(nèi)力,選擇方案②作為設(shè)計(jì)選型結(jié)論,梁端無索區(qū)長30 m,塔根無索區(qū)長38 m。

        3.3 梁上索間距

        保持斜拉索組數(shù)及規(guī)格一致,且主塔根部無索區(qū)長度不變,對索間距分別為7 m、8 m、9 m時進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。

        表3 索間距對比表

        由表3可以看出:

        (1)索間距越大,梁端轉(zhuǎn)角越小,跨中活載撓度也越小,即增大拉索覆蓋梁部范圍有利于提高梁體剛度。

        (2)對梁部內(nèi)力而言,索間距越小,主梁塔根處負(fù)彎矩越小,邊支點(diǎn)無索區(qū)正彎矩越大。索間距從9 m變至7 m時,主梁塔根處負(fù)彎矩降低12.2%,無索區(qū)正彎矩增大7.5%,負(fù)彎矩降低效應(yīng)更顯著。適當(dāng)加密索間距有利于控制T構(gòu)根部梁體負(fù)彎矩,降低主梁高度。因此,結(jié)合工程實(shí)際條件,本橋設(shè)計(jì)索間距采用8 m。

        4 矮塔斜拉T構(gòu)橋型適應(yīng)性探討

        對于鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋,主梁剛度較大,斜拉索起體外加勁作用。相比于其他同規(guī)模的橋型橋式,該類橋型的競爭力在于斜拉索的作用大小。本節(jié)通過分析斜拉索對改善梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及剛度的貢獻(xiàn),來進(jìn)一步探討該橋型的適用性。

        4.1 斜拉索對主梁內(nèi)力的影響

        以本工程為例,統(tǒng)計(jì)得到典型施工工況下斜拉索對梁部荷載的分?jǐn)偙壤?,如?所示。

        從表4可以看出,主梁施工過程中,結(jié)構(gòu)荷載以恒載為主,斜拉索豎向分力占上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的27%以上。而在ZK活載作用下,由于主梁剛度遠(yuǎn)大于拉索剛度,斜拉索僅占活載比例的6.5%。二者疊加后,由于外荷載中恒載比例較大,主力工況下斜拉索對梁部荷載的分?jǐn)傉急冗_(dá)26%。

        表4 主要工況下斜拉索荷載占比表

        4.2 斜拉索對主梁剛度的影響

        通過調(diào)整斜拉索剛度或梁體高度,分析拉索對主梁剛度的影響,結(jié)果如表5、表6所示。

        表5 拉索剛度影響效應(yīng)表

        表6 主梁剛度影響效應(yīng)表

        從表5、表6可以看出:(1)拉索自身剛度變化對主梁剛度影響甚微;(2)成橋運(yùn)營工況下,斜拉索對梁體剛度的貢獻(xiàn)很小,結(jié)構(gòu)剛度主要由主梁提供,梁高對梁體剛度有著決定性作用。

        4.3 矮塔斜拉T構(gòu)橋型適應(yīng)性分析

        (1)鐵路梁橋上部結(jié)構(gòu)自重較大,采用矮塔斜拉加勁可有效調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力。斜拉索實(shí)質(zhì)作用相當(dāng)于體外預(yù)應(yīng)力,利用大偏心距的優(yōu)勢充分發(fā)揮拉索作用,降低主梁0號塊負(fù)彎矩峰值,從而降低梁高,節(jié)省梁部圬工,提高結(jié)構(gòu)的跨越能力。

        (2)矮塔斜拉T構(gòu)與矮塔斜拉三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有所不同。

        ①結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面:從外部邊界條件看,T構(gòu)橋型為靜定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)荷載決定其內(nèi)力分布;而三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),可通過邊跨配跨將恒載下的主跨跨中正彎矩轉(zhuǎn)化為支點(diǎn)負(fù)彎矩,充分發(fā)揮變高度梁的截面效率??梢姡瑹o論是T構(gòu)還是三跨連續(xù)結(jié)構(gòu),均可以通過矮塔斜拉加勁改善梁體彎矩分布,優(yōu)化鋼束配置,降低截面高度。

        ②結(jié)構(gòu)剛度方面:三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)通常由主跨控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),邊跨跨度一般為主跨的0.5~0.7倍,能有效降低主跨跨中活載撓度,采用矮塔斜拉加勁亦能有效增加主跨剛度,因此具有較大的跨越能力,橋型適應(yīng)性更強(qiáng)。而T構(gòu)兩個邊跨完全相同,上部結(jié)構(gòu)剛度主要靠梁體自身提供,跨度越大矮塔斜拉加勁效率越低,斜拉索功效顯著降低,因此,鐵路橋梁采用矮塔斜拉T構(gòu)不宜將跨度做得過大。

        (3)高速鐵路橋梁鋪設(shè)無砟軌道,對靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角要求嚴(yán)格(橋臺與橋梁之間θ≤1‰,相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤2‰)[9],采用大跨度T型剛構(gòu)橋型,容易出現(xiàn)梁端轉(zhuǎn)角控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況,導(dǎo)致轉(zhuǎn)角剛度控制截面梁高,造成梁部材料強(qiáng)度未充分利用。在此情況下再采用矮塔斜拉進(jìn)行加勁,一是對梁部剛度提高十分有限;二是拉索加勁對梁體內(nèi)力改善主要體現(xiàn)在降低0號塊負(fù)彎矩、優(yōu)化體內(nèi)束用量方面,其作用功效相對有限。因此,矮塔斜拉T構(gòu)橋型在無砟軌道橋梁上的適用性相對有限,可采用梁端設(shè)置過渡短梁等方式解決轉(zhuǎn)角問題,方能發(fā)揮此種橋型的優(yōu)勢。而對梁端轉(zhuǎn)角要求相對寬松的有砟軌道鐵路(200 km/h客貨共線鐵路及城際鐵路要求橋臺與橋梁之間θ≤3‰,相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤6‰;高速鐵路要求橋臺與橋梁之間θ≤2‰,相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤4‰)[10],采用此種橋型能夠充分發(fā)揮矮塔斜拉加勁改善梁體內(nèi)力的特點(diǎn)[11],降低體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束用量指標(biāo),減小截面高度,以提升結(jié)構(gòu)跨越能力。

        5 結(jié)論

        本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃_展了矮塔斜拉T構(gòu)橋拉索布置范圍及索間距對梁體受力及剛度的影響規(guī)律分析,探討了矮塔斜拉T構(gòu)橋型的適用性,得到以下主要結(jié)論:

        (1)斜拉索靠近主塔布置、適當(dāng)加密索間距、提高塔高有利于減小梁部負(fù)彎矩峰值。

        (2)矮塔斜拉T構(gòu)橋的斜拉索相當(dāng)于主梁體外預(yù)應(yīng)力束,其主要作用在于調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力,對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較小,主梁剛度主要由梁體自身提供。

        (3)鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮地形地質(zhì)、跨度、凈空及橋型受力特點(diǎn)等條件,把握好結(jié)構(gòu)剛度與主梁截面強(qiáng)度的平衡點(diǎn)。

        (4)矮塔斜拉T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)較適于有砟軌道鐵路橋梁。

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