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      鐵路頂進框架式橋涵鋼軌樁后背設(shè)計及計算探析

      2016-10-21 11:01:35劉云龍
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年5期

      劉云龍

      摘 ?要:在鐵路新建或改建工程中,涵洞以及框構(gòu)橋頂進施工頗為多見。大量工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,要確??驑?gòu)橋頂進施工質(zhì)量,首先要抓好后背設(shè)計。后背作業(yè)是框架式橋涵頂進施工過程中的臨時性措施,其設(shè)計情況是否科學合理,質(zhì)量是否達標,直接和整個框架橋頂進工程建設(shè)情況密切相關(guān),對于工程總投資和施工進度、工期等指標有著極為重要的影響。如果后背設(shè)計超量,就會導致不必要的成本支出,投資超標。如果后背設(shè)計不足,則又有可能給頂進施工帶來不可預(yù)估安全隱患,比如產(chǎn)生開裂和偏移等質(zhì)量問題,降低工程質(zhì)量和施工速度,嚴重時甚至會給鐵路工程的正常使用帶來威脅。

      關(guān)鍵詞:鐵路工程框架;涵頂進設(shè)計;計算鋼軌樁后背

      引言

      我國幅員遼闊,國土面積廣大,鐵路運輸需求很高。同時,復雜多變的地理、地質(zhì)條件也給鐵路工程施工帶來許多困難。在鐵路工程建設(shè)過程中,經(jīng)常遇到需要修建、改造涵洞的情況??蚣芎斶M設(shè)計是其中的重要環(huán)節(jié),而工作坑后背墻的選擇計算又成為重中之重,由于涉及內(nèi)容廣泛,計算難度較大。加強框架涵頂進后背設(shè)計及相關(guān)配套計算研究,對于提高涵洞改造工程設(shè)計水平,保障涵洞改造工程質(zhì)量,維護我國鐵路運輸安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)具有十分重要的意義。作者結(jié)合某項工程實例,試對鐵路框架涵頂進后背設(shè)計計算進行分析、探討,希望可以對廣大設(shè)計同行開展鐵路設(shè)計工作有所幫助。

      1 后背的主要類型以及對應(yīng)用途

      現(xiàn)階段,我國鐵路框架式頂進施工常用的后背種類主要重力式后背、鋼筋砼拼裝式后背、板樁式后背三種情況:其中,重力式后背又稱之為漿砌片石后背,該種后背形式主要用于小規(guī)模的工程施工,具有工藝簡單、方便易行,對施工設(shè)備需求不高等特點,尤其對大型起吊、打樁設(shè)備及運輸工具沒有需求,施工成本相對低廉,但由于該后背形式在最大頂力和穩(wěn)定可靠性方面缺乏足夠優(yōu)勢,所以不能用于大型工程施工之中。鋼筋砼拼裝式后背,顧名思義,該后背由多種鋼筋混凝土預(yù)制件構(gòu)成,相對于重力式后背,提供的頂力更大,相對于下文要介紹的板樁式后背,施工用料,主要是鋼質(zhì)材料更少,組裝工藝較為簡單,鋼料可以循環(huán)重復使用,造價較易受控制,同時,鋼筋砼拼裝式后背由于預(yù)制件質(zhì)量沉重,施工時對于運輸條件和吊裝設(shè)備具有一定要求,主要應(yīng)用于對于頂力需求較大,工點相對集中的工程環(huán)境。板樁式后背是目前大型鐵路施工中最為常見的后背設(shè)計形式。該種形式后背由組成較為復雜,涉及多種型鋼、后背粱和后背填土,綜合性能水平較好。具體特點如下:一是該種形式的后背可以通過先打人板狀再進行工作坑施工的方式,降低后背填土用量,并使得樁后土質(zhì)更為緊密結(jié)實。二是材料重復循環(huán)利用水平高,總體成本較易控制,對于需求大頂力的施工場合,相對重力式后背、鋼筋砼拼裝式后背在施工成本上更具優(yōu)勢。三是在使用鋼軌后背樁的前提下,可以大量使用鐵路正線上替換下來的舊軌料,不但節(jié)約了資源,提高了環(huán)保水平,對于降低工程造價也是一個重要的支持與促進。正是因為這個原因,現(xiàn)階段大型頂進施工多數(shù)采用鋼軌樁后背的設(shè)計形式。

      2 工程概況

      某下穿立交橋設(shè)計為1-7.0m框構(gòu)橋,外輪廓全寬為8.3m,橋長19.07m,內(nèi)摩擦角ψ=30°,土容重γ=18KN/m3,經(jīng)計算最大頂力為942.4t,采用鋼軌樁后背,后背寬度B=10.3m,以下對所采用鋼軌樁后背進行設(shè)計計算。

      3 鋼軌樁后背設(shè)計計算

      3.1 樁后土壓力計算

      樁長H=6.1m,h1=4.0m,h2=2.1m

      計算如下:

      (1)樁后土破裂角tgθ=tg(45°-ψ/2)=tg30°,θ=30°

      (2)推力系數(shù)λ=tgθ/tg(θ+ψ)=1/3

      (3)主動土壓強度σh=γ·h1·λ=2.4t/m2

      3.2 鋼軌樁入土深度計算

      (1)被動土壓系數(shù)λp=tg2(45°+ψ/2)=3

      (2)主動土壓系數(shù)λa=tg2(45°-ψ/2)=0.333

      (3)設(shè)基坑底面以下同一深度h0內(nèi)主動土壓強度為σa,被動土壓強度為σp,基坑底面樁后產(chǎn)生主動土壓力的土層深度為y,則有:

      σp-σa=γ·h0(λp-λa),(σp-σa)/h0=γ(λp-λa)=4.8t/m

      可得y=σh/4.8=0.5m

      (4)所有外力對樁頂A點的力矩

      P1=σh·h1/2=4.8t,P2=σh·y/2=0.6t,∑P=P1+P2=5.4t

      M1=P1·2h1/3=12.8t-m,M2=P2·(h1+y/3)=2.5t-m

      ∑MA=M1+M2=15.3t-m

      設(shè)D0為在深度y下所需的附加深度,則:

      1/2·[γ(λp-λa)D0]·D0·[2D0/3+y+h]=∑MA

      解得D0=1.103m

      故鋼軌樁需打入基坑底面以下總深度為:

      h2=y+D0=1.603m

      現(xiàn)采用h2=2.1m,則D0=h2-y=1.6m

      (5)鋼軌樁頂拉桿的拉力

      設(shè)鋼軌樁頂拉桿拉力為T

      P3=σD0·D0/2=12.29t,T=∑P-P3=-6.89t

      T為負值,即拉桿頂端A點沒有承受拉力,故可不設(shè)拉桿。

      (6)鋼軌樁穩(wěn)定檢算

      傾倒力矩為樁后主動土壓力對A點的力矩總和∑MA,抵抗傾倒力矩后基坑底面以下樁前被動土壓力P3對A點力矩∑M3。

      ∑M3=P3(2D0/3+y+h1)=68.41t-m

      穩(wěn)定系數(shù)K=∑M3/∑MA=4.47>1.3(可)

      (7)鋼軌樁截面計算

      經(jīng)計算每米后背需要截面模量W=2034.3cm3

      采用P50kg鋼軌,正倒扣布置,每根鋼軌的平均截面模量w=263.3cm3。

      若每米后背用P50kg鋼軌9根正倒并列,可提供截面模量W'=9·w=2369.7>2034.3cm3(可)

      每米后背提供最大頂力EP=γ/2·H2·λp=100.47t

      本橋最大頂力為942.4t,后背寬度B=10.3m,每延米承受頂力:

      E0=942.4/10.3=91.50t/m,EP>E0(可)

      需鋼軌樁總長度為L=10.3×9×6.1=565.47m

      總重量為G=29.13t

      4 結(jié)束語

      隨著我國鐵路與社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,新增道路穿越鐵路以及既有平交道口改立交等工程將會大大增加,而其中大多要依靠頂進施工的方法。通過分析檢算,利用既有資源,合理設(shè)置后背,能夠確保施工以及鐵路行車的安全,對鐵路頂進橋涵后背施工設(shè)計具有一定指導意義。

      參考文獻

      [1]孫亦環(huán).鐵路橋涵[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

      [2]TB10415-2003,J286-2004.鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準[S].

      [3]橋涵頂進設(shè)計與施工[S].北京:中國鐵道出版社,1983.

      [4]橋梁設(shè)計通用資料[S].北京:中國鐵道出版社,1994.

      [5]TB10002.1-2005.鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

      [6]TB10002.3-2005.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

      設(shè)計規(guī)范[S].

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