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        上跨鐵路站場咽喉區(qū)連續(xù)鋼箱梁設計與施工

        2023-02-21 16:17:44朱永兵
        城市道橋與防洪 2023年1期
        關鍵詞:導梁站場鋼箱梁

        朱永兵

        (中鐵上海設計院集團有限公司,上海市 200070)

        0 引言

        隨著社會經濟的快速發(fā)展,城市平面交通系統(tǒng)不能滿足日常出行需求,逐漸向立體化交通方向發(fā)展。市區(qū)內的高架橋梁建設往往會受到諸多因素的制約,如跨越鐵路、公路、航道及重要管線等。常要求在施工時盡量減小對橋下交通、河道通航行洪及堤防安全的影響,促進了轉體、頂推等施工工藝的快速發(fā)展[1-9]。

        當城市高架橋梁需要同時跨越多條既有運營鐵路線時,采用頂推施工工藝,跨徑大、施工便捷且對鐵路運營影響小的優(yōu)勢,具有廣闊的應用前景[10-12]。連續(xù)鋼箱梁是常見橋梁結構形式,自重輕、強度高、跨越能力強、施工周期短的特點,可在工廠預制,運輸?shù)浆F(xiàn)場后拼裝,其輕質高強的特點可以做到較大的懸挑長度,非常適合頂推施工工藝,同時借助頂推設備鋼導梁的作用,使得頂推跨徑進一步增大[13-15]。

        本文以呼和浩特市巴彥淖爾路快速路跨越跨呼和浩特西站場咽喉區(qū)工程為例,對新建橋梁從建設環(huán)境、施工條件、經濟性等方面進行了橋式方案比選,推薦三跨連續(xù)鋼箱梁頂推施工跨越鐵路咽喉區(qū),介紹該橋的結構設計、頂推施工方案,并對結構受力、施工階段受力進行計算分析,可為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        本項目為城市快速路,是中心城“三環(huán)二橫六縱”快速路網(wǎng)的組成部分,是新機場與中心城的主要聯(lián)系通道,見圖1。同時也是公交主通道和市政管線走廊。該項目的實施,對于緩解西部區(qū)域的交通壓力,疏散中心城過境和出入境交通具有重要意義。

        圖1 工程整體效果圖

        本節(jié)點跨越某站場咽喉區(qū),站場范圍內共有16 股鐵路股道,其中包括京包客專、唐呼線及站場線,均為電氣化鐵路。現(xiàn)狀地面道路采用六處8 m+12 m+8 m框架橋下穿鐵路站場咽喉區(qū)??蚣軜蜷L度根據(jù)股道分布情況在12.6~44.7 m 不等,且各框架之間排列緊湊。

        本工程高架橋上跨鐵路,與現(xiàn)狀下穿道路互為上下兩層,設計道路中心線與站場股道線夾角在78°~90°之間,橋梁平面位于直線上,立面位于0.3%的縱坡上,為雙向八車道。

        2 主要設計標準

        道路等級:主路城市快速路。

        汽車荷載:城-A 級荷載,跨鐵路橋及相鄰跨按照1.3×城-A 級荷載設計。

        橋下凈空:滿足電氣化鐵路凈空要求,并滿足頂推施工限界要求,接觸網(wǎng)支柱頂部距離梁底按照2.6 m空間預留。

        設計速度:60 km/h。

        橋梁設計安全等級:一級。

        橋梁設計基準期:100 a。

        防撞等級:上跨客專段及鄰跨設置兩級防護。

        抗震設防標準:橋梁地震烈度為8度,水平向設計基本地震動加速度峰值為0.20g,橋梁為乙類,抗震措施按9 度設防。

        3 總體設計

        3.1 方案比選

        為確保鐵路運營安全,減少對鐵路的干擾,根據(jù)現(xiàn)場及周邊工程條件,現(xiàn)對頂推連續(xù)鋼箱梁方案和轉體斜拉橋方案進行比選。

        方案一采用61 m+62 m+67 m 連續(xù)鋼箱梁,見圖2。兩個主墩在六個框架橋的間隙內立墩,且采用門式墩結構跨越下層道路,門式墩內壁與框架內壁齊平,對下穿道路影響較小。施工方案采用步履式頂推施工,在引橋位置拼裝后,利用鐵路天窗點頂推至設計位置。

        圖2 方案一:(61+62+67)m 頂推連續(xù)鋼箱梁(單位:m)

        方案二采用111 m+222 m+111 m 雙塔單索面斜拉橋,見圖3。主塔位于現(xiàn)狀道路中間,壓縮了道路的通行斷面。施工方案采用轉體施工,主橋在平行于鐵路方向拼裝后,利用鐵路天窗點轉體至設計位置,對鐵路影響較小。

        圖3 方案二:(2×110+2×112)m 轉體斜拉橋(單位:m)

        上述兩個方案比較見表1。

        表1 上跨鐵路橋梁方案影響對比

        轉體斜拉橋方案雖然有對鐵路的影響小的優(yōu)勢,但也有明顯的缺點:轉體前平行于鐵路施工,以及轉體時旋轉半徑大,需額外征用臨時用地,造成較大拆遷;同時,斜拉橋主塔壓縮了輔路斷面,對輔路交通組織影響較大,整體投資較大。

        頂推連續(xù)鋼梁方案在站場咽喉區(qū)內布設少量橋墩,施工時對鐵路影響有限,鋼梁施工過程均在既有征地紅線范圍內進行。對現(xiàn)狀道路基本無影響,且造價相對較小。故推薦頂推連續(xù)鋼箱梁方案。

        3.2 主橋結構設計

        主橋上部采用三跨等高連續(xù)鋼箱梁設計,分為上下行兩幅橋,考慮到主橋上跨客運專線需設置兩級防護,單幅橋面寬度較標準段17.0 m 加寬至20.1 m。主橋采用單箱四室分離式斷面。鋼箱梁線路中心線處梁高3.0 m。根據(jù)受力位置的不同,鋼箱梁各板件采用變厚度設計,一般截面頂板厚16 mm,底板厚20 mm,中支點處頂板加厚至30 mm,底板加厚至28 mm;邊支點處頂板加厚至20 mm,底板加厚至25 mm。頂板和底板采用U 型加勁肋,腹板采用板肋加勁肋。單箱四室共8 道腹板,腹板厚16 mm。縱向每隔3 m 設置一道橫隔板,實腹式和空腹式橫隔板交替布置,橫隔板板厚14 mm,支點處橫隔板布置稍密,橫隔板板厚28 mm。橫斷面見圖4。

        圖4 單幅主橋橫斷面(單位:cm)

        主橋下部采用預應力混凝土門式墩橫跨現(xiàn)狀道路。確保下穿道路的交通功能不受本工程影響。橫斷面見圖5。

        圖5 主橋橫斷面圖(單位:cm)

        3.3 施工方案

        本橋采用多點步履式頂推施工。與拖拉式相比,步履式具有對臨時墩產生水平力較小和安全可靠的優(yōu)點。

        本工程左右幅橋分別進行頂推施工。在小里程側搭設拼裝平臺,單幅鋼箱梁總長度約190 m,采用鋼梁分節(jié)段拼裝,拼裝一段頂推一段的施工方案,直至頂推就位,見圖6。最大頂推重量約2 660 t,最大頂推距離230 m,跨間不設臨時墩,在墩頂布置步履式頂推裝置。鋼導梁重約80 t,由2 片等高度工字形梁組成,橫向中心距7.5 m,導梁長47.0 m。導梁根部與鋼箱梁相對應豎腹板等高,高度為2.85 m,前端底板逐漸抬高0.62 m。圖6 為頂推支架橋墩布置圖。

        圖6 頂推支架橋墩布置圖

        本鋼梁頂推主要步驟如下:

        (1)搭設拼裝支架、頂推平臺,設置滑道;

        (2)拼裝A 節(jié)段鋼箱梁及導梁;

        (3)在多次天窗點中完成第1 次頂推,導梁伸至10# 墩處;

        (4)拼裝B 節(jié)段鋼箱梁;

        (5)依次類推,直至主梁頂推到設計位置。

        (6)拆除導梁、滑道、拼裝平臺;

        (7)安裝永久支座、落梁;

        (8)進行后續(xù)橋面系等施工。

        4 主梁受力分析

        4.1 計算模型

        本文對單幅橋梁結構計算采用Midas Civil 空間有限元軟件,建立三跨等高連續(xù)鋼箱梁有限元模型,并考慮了下部結構門式墩變形對結構受力的影響。主梁、橋墩按照實際截面特性采用梁單元模擬,結構計算模型見圖7。計算荷載主要包括恒載、汽車荷載、制動力、風荷載、溫度作用等。

        圖7 空間有限元計算模型

        4.2 施工階段受力分析

        (1)抗傾覆及最大支反力

        頂推最不利傾覆工況發(fā)生在導梁前支腿落在10# 墩之前的最大懸臂狀態(tài),此時傾覆彎矩為110 915 kN·m,抗傾覆彎矩為191 549 kN·m,得到縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.73,大于1.3 的要求。

        頂推過程中最大支反力位于11# 墩頂處,發(fā)生在頂推完成工況,反力大小為10 291 kN。

        (2)位移

        頂推過程導梁前端最大撓度為47.7 cm,出現(xiàn)在導梁處于最大懸臂狀態(tài)時,此時主梁懸臂端最大撓度為10.7 cm。

        (3)強度

        頂推過程主梁最大拉應力為87.3 MPa,最大壓應力為-96.8 MPa;導梁最大拉應力為109.4 MPa,最大壓應力為-109.4 MPa。施工過程受力滿足要求。

        4.3 運營階段受力分析

        4.3.1 支座反力

        標準組合下中支點最大支反力為26 657 kN,最小支反力為17 365 kN;邊支點最大支反力11 663 kN。最小反力為6 267 kN。支座均未脫空,且有較大壓力儲備。

        4.3.2 結構變形

        連續(xù)鋼梁的豎向撓度見表2,結果表明主梁變形滿足要求。

        表2 靜活載作用位移

        4.3.3 鋼梁強度計算

        (1)鋼梁第一體系計算

        鋼梁強度計算需考慮剪力滯效應及局部穩(wěn)定的影響,按現(xiàn)行《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》(JTG D64—2015)計算,跨中剪力滯折減系數(shù)為1.0,距支點12 m附近至支點處剪力滯折減系數(shù)由1.0 變到0.909;跨中頂板、底板受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.997?;窘M合下頂板最大拉應力為147.9 MPa,最大壓應力為152.2 MPa。

        (2)鋼梁第二體系計算

        以橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體,建立以橋面系為承力載體的第二體系受力模型??v肋支承在主梁腹板、橫隔板上,考慮自重、鋪裝、汽車活載等作用。橋面板頂板U 肋第二體系計算跨徑取3 m,將U 肋和頂板組成的截面等效為工字截面;頂板板肋第二體系計算跨徑取1.5 m,將板肋和頂板組成的截面等效為T 型截面。計算有效寬度根據(jù)《公路鋼結構設計規(guī)范》(JTG D64—2015)5.1.8.2 確定。根據(jù)圣維南原理,建立3 個橫梁間距的橋面系模型,其計算結果取中間段值。

        計算可得,由頂板和U 肋構成的第二體系最大拉應力為106.2 MPa,最大壓應力為-72.3 MPa;由頂板和板肋構成的第二體系最大拉應力為74.2 MPa,最大壓應力為-52.5 MPa。故取由頂板和U 肋構成的第二體系應力與第一體系相疊加,作為頂板的強度設計值??紤]了第一、第二體系應力疊加的強度結果見表3。計算結果表明:鋼箱梁正應力、剪應力均滿足規(guī)范要求。

        表3 鋼箱梁應力計算結果匯總

        4.2.4 鋼結構疲勞驗算

        根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》(JTG D64—2015)第5.5.2條,采用疲勞荷載模型I 等效的車道荷載對鋼主梁進行疲勞驗算。

        主梁最大正應力幅為24.6 MPa,最大剪應力幅為6.3 MPa,根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》附錄C表C.0.2,疲勞細節(jié)類別為50 MPa。經計算疲勞強度為51.6 MPa,允許正應力幅為36.85 MPa,剪應力幅為22.85 MPa,根據(jù)應力幅分析可知,主梁疲勞強度滿足要求。

        5 減小橋梁對鐵路運營影響的措施

        (1)跨鐵路橋梁采用步履式頂推方法施工,過程中嚴格按照《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》執(zhí)行。

        (2)為保證鐵路運營安全,需要對既有橋墩、軌道的變形進行安全監(jiān)測。監(jiān)測范圍主要包括施工范圍內可能影響的鐵路橋墩,前后約0.3 km 范圍內的軌道幾何狀態(tài)進行監(jiān)測。

        (3)上跨既有鐵路的橋梁及相鄰跨兩側設置堅固的防拋免維護裝置,其高度不低于2.5 m,防拋免維護裝置基礎必須與橋梁預埋件聯(lián)結,確保其強度、穩(wěn)定性滿足要求。

        (4)橋梁兩側安裝異物監(jiān)測設備,實時監(jiān)控橋面異物侵限狀況。

        6 結語

        本文以城市高架跨越鐵路站場咽喉區(qū)工程為例,通過方案比選、結構設計、頂推施工階段分析,得到主要結論如下:

        (1)跨越鐵路站場咽喉區(qū)應因地制宜地進行方案比選,本工點跨越鐵路站場咽喉區(qū)采用連續(xù)鋼箱梁頂推方案合理可行。新建橋梁采用門式墩結構,保證了既有道路的正常使用功能,提高了通行效率,對鐵路安全影響小。

        (2)連續(xù)鋼箱梁結構設計合理,施工階段受力合理,運營階段剛度、強度、疲勞檢算均滿足規(guī)范要求。

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