隧道简易仰拱栈桥设计

隧道简易仰拱栈桥设计

张华军

张华军ZhangHuajun（中铁十四局集团水利水电分公司，济南250014）

（ChinaRailway14BureauofWaterConservancyandHydropowerEngineeringGroupCo.，Ltd.,Ji'nan250014，China）

摘要：文章介绍了纵横梁系的协同作用。通过有限元计算，确定最终结构类型。设计检算采用midascivil通用有限元程序，计算的准确性主要依赖荷载、模型等的选择。

Abstract:Thispaperdescribesthesynergisticeffectofverticalandhorizontalbeamsystem,determinesthefinalstructuretypethroughfiniteelementcalculations.Thedesignandcheckingusethemidascivilfiniteelementprogram,theaccuracyofcalculationdependsonthechoiceofloadsandmodels.

关键词：仰拱栈桥；梁单元；板单元；协同作用

Keywords:inverttrestle；beamelement；plateelement；synergisticeffect

中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）10-0073-01

1概述

本设计为沪昆客运专线长昆湖南段9标中铁十四局项目经理部二分部使用隧道简易仰拱栈桥，为保证隧道耐久性根据《铁路隧道施工技术指南》TZ204-2008要求“仰拱或底板混凝土应整体浇注，一次成型”。施工中为保证开挖、仰拱、衬砌流水作业。防止仰拱施工和开挖之间的干扰，特设置栈桥跨越仰拱施工段，保证出碴车辆通行。根据设计院施工图要求，仰拱分段长度为6~12m。分部设计两个方案，方案1：总长22m仰拱，跨越能力为14m，能够保证12m长仰拱施工段。方案2：总长12m，跨越能力为8m，能够保证6m仰拱施工段。通过两种方案的检算比选，最终确定最优方案。

隧道用简易仰拱栈桥具体结构见隧道简易仰拱断面图。结构形式为片式结构，主梁和横向联系梁采用型钢。连接采用全断面焊接，桥梁为1cm厚压花钢板。为保证栈桥在集中汽车荷载作用下局部失稳，按《钢规》设置加劲肋。为保证车辆上桥的牵引坡度，在栈桥两端斜切工字钢纵梁设置纵坡，并采用横向加劲钢板和工字钢腹板形成网格，最后设置桥面钢板，充分保证栈桥刚度均匀。桥面宽为单幅80~100cm左右，设置左右幅，车道宽度1.8m，能够满足施工需要。

2设计计算

2.1设计荷载的选取：考虑到隧道内出行车辆主要有挖掘机（25t）、装载机（15t）、运碴车（满载50t）。荷载选用最不利荷载50t运碴车荷载。为简化计算，将车辆轴重简化为合力集中活载50t。不考虑移动车辆动力效应，但考虑1.3冲击系数。

2.2模型选用：采用midascivil有限元程序，纵梁、横向联系梁均为梁单元，考虑纵横梁之间的受力协同作用。本计算，方案1（14m）共考虑一副60个节点，102个梁单元。方案2（8m）共考虑一副36个节点，59个梁单元。荷载工况选择：1.2×恒载（自重）+1.4×活载（汽车荷载）采用极限状态法设计，汽车荷载控制设计。

2.3计算数据分析：本次计算主要考虑栈桥的变形和应力分析，因此在建立模型时要注意构件截面形状的准确性。

2.3.1方案一计算结果根据计算分析梁体最大组合应力为σ=193.4N/mm2≤[σ]=300N/mm2满足《钢规》要求。最大挠度为52mm≤L/250=56mm满足《钢规》要求。选用纵梁为56a工字钢，横梁为18号工字钢。材料类别为Q345。

2.3.2方案二计算结果根据计算分析梁体最大组合应力为σ=268.9N/mm2≤[σ]=300N/mm2满足《钢规》要求。最大挠度为28mm≤L/250=32mm满足《钢规》要求。选用纵梁为36b工字钢，横梁为18号工字钢。材料类别为Q345。

2.3.3方案一纵梁连接焊缝计算：考虑到纵梁焊接接头的受力特点如图2-4所示，剪力由腹板焊缝承受，弯距由翼缘连接焊缝承受。单根工字钢自重荷载qk=1.06KN/m，集中力F=81.25KN。在焊缝所在的截面Mmax=295KN/m，Qmax=52KN。

2.3.4翼缘焊缝计算如图3计算。N=M/H=295/0.56=526KNlw=20×2+14.6-2hf=20×2+14.6-2×1=52.6cmσ=N/(0.7hf×lw)=526×10E6/(0.7×10×52.6×10)=142N/mm≤[σ]=200N/mm满足要求，且有足够保险系数。构造要求根据《钢规》8hf≤lf≤60hf满足。

2.3.5腹板焊缝计算建模：在方案1中由于接长工字钢设置焊缝，腹板三面焊缝计算采用板单元，三面固结。共使用9个板单元，20个节点。15号节点施加52/2=26KN剪力，计算结果如下：

（上、下侧）Nx=8.4KN，Ny=-18.4KN。左侧Nx=0KN，Ny≈0KN。仅对上、下侧计算。

根据《钢规》τ=Nx/（0.7hf×lw）=8.4×10E3/（0.7×10×190）=6.3N/mm；σ=Ny/（0.7hf×lw）=18.4×10E3/（0.7×10×190）=13.8N/mm；σ=13N/mm≤[σ]=200N/mm。满足要求。

3方案对比

通过以上计算可知，两个方案均满足规范及设计要求。但方案一总长22m，单幅重量为9t，方案二总长12m，单幅重达4t。重量悬殊很大，但方案二也满足图纸要求。造价方案一每桥13万元左右，方案二每桥6万元左右。且从安全角度来讲方案二相比方案一更可靠。在施工中通过方案比选选择方案二。

在隧道施工中为保证满足《铁路隧道工程施工技术指南》要求“仰拱填充和底板混凝土强度达到5MP后允许行人通行，达到设计强度的100%后允许车辆通行”，为保证隧道施工流水作业不间断，每个隧道施工工作面设置两套栈桥交叉使用。通过以上设置，施工作业顺利，工期得到保证。

4结语

通过本次设计，发现在施工结构设计中同样要以有关设计规范为基准。无论从荷载的选择及组合，还是计算过程采用的方法。结构的设计力求和采用的模型吻合，并考虑全面，只有这样才能保证结构的安全性。这次隧道用简易仰拱栈桥的设计严格执行相关设计规范，计算相对科学、设计相对合理，在使用过程中得到了验证。

参考文献：

[1]最新钢结构实用设计手册.广西科学技术出版社.

[2]公路桥涵设计通用规范.JTGD60-2004.