国际研究参考

隧道拱桥计算分析

 

1 工程概况

张家寨隧道K45+022-K45+046 溶洞段总长24m,该段原设计为III 级围岩,衬砌采用C-IIIa。由于发现溶洞,变更为V 级围岩,采用环形开挖预留核心土法开挖,溶洞处理段衬砌进行加强,K45+022~K45+030 段工字钢中心间距 60cm、K45+030~K45+046 段工字钢中心间距50cm)并环闭成环,钢拱架之间采用φ20mm 的钢筋作为连接钢筋,环向每0.5m 一道。外层钢拱架外侧为4cm 厚C25 喷射混凝土,然后进行复喷,第一层喷射混凝土的总厚度为26cm。然后进行第二层钢拱架的施工,钢拱架为I20b,钢拱架之间采用直径为20mm 的钢筋作为连接钢筋,环向每50cm 一道。第二层钢拱架喷射混凝土厚度为24cm。C30 混凝土护拱厚200cm,护拱内外层钢架拱脚处各设置2 根φ42×4mm锁脚锚管,L=4.0m。二衬衬砌采用80cm C30 钢筋混凝土。

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2.1 荷载取值(见表1)

表1 荷载取值序号 荷载名称 取值 单位 备注1钢筋混凝土自重 26 kN/m3 2模板、次龙骨自重 1.5 kN/m2 3施工人员及设备荷载 3 kN/m2 4 倾倒混凝土产生的冲击荷载 2 kN/m2 5混凝土振捣荷载 2 kN/m2 6施工材料堆放荷载 2.5 kN/m2 7 I16 工字钢 0.3 kN/m 共设置6 道8 I20b 工字钢自重 0.4 kN/m

根据设计图纸拱圈厚度为1.5m,跨度24m,宽度12.65m。

2.2 拱架计算

(1)主拱圈支架采用I20b 工字钢搭设,按拱圈弧度加工,工字钢间距取200mm,支架计算跨度l=mm[1],各参数取值如下:

抗弯拉强度设计值:[σ]=205MPa;

弹性模量:E=2.1×105MPa;

截面抵抗距:W=250.2cm3;

惯性矩:I=2502cm4。

(2)拱圈支架验算(拱圈厚1.5m)。

荷载组合:

则 q=[1.2×(26×1.5×0.2+1.5×0.2+0.3×0.2×6/24+0.4)+1.4×(3+2+2+2.5)×0.2]=12.875kN/m;

计算模型:支架上端按照均布荷载布置见图1。

图1 均布荷载布置

采用迈达斯建模计算结果,见图2~图6。

根据模型计算最大组合应力值为109.6MPa<[σ]=205MPa;

强度满足要求。

挠度验算(按强度荷载组合进行计算),见图7。

图2 弯矩

按照模型计算得最大挠度值 25.8mm <[f]=/400=56.25mm;

扰度满足要求。

由于水平力较小,不计算。

图3 弯矩产生的应力

图4 轴力

图5 轴力产生的应力

图6 组合应力

2.3 模板验算

拱圈底模采用满铺15mm 覆膜多层板或竹胶板,计算宽度取1m,截面抗弯模量 W=1/6×bh2=1/6×1000×152=mm3,截面惯性矩 I=1/12×bh3=1/12×1000×153=mm4。

图7 挠度验算

按三跨连续梁计算,模板跨度取l=200mm。

弹性模量:E=9×103MPa;

容许应力:[σ]=12MPa;

容许剪应力:[τ]=1.5MPa;

根据设计图纸拱圈厚度1.5m;

荷载组合:

则 q=[1.2×(26×1.5×1+1.5×1)+1.4×(3+2+2+2.5)×1]=61.9kN/m;

强度验算:

最大弯矩 Mmax=0.08×ql2=0.08×61.9×2002=N·mm;

最 大 弯 应 力 σmax=Mmax/W=/=5.28N/mm2<[σ]=12MPa;

故强度满足要求。

抗剪验算:

剪力 Q=0.6ql=0.6×61.9×200mm=7.5kN;

最大剪应力τmax=3Q/2bh=3×7.5/(2×1000×15)=0.75N/mm2<[τ]=1.5MPa;

满足要求。

挠度验算:

最大挠度fmax=0.677ql4/100EI=0.677×61.9×2004/(100×9000×)=0.265mm<[f]=L/250=200/250=0.8mm;

验算符合要求。

3 总结

通过受力分析,拱架模板符合要求,可以作为类似项目借鉴。

[1] 曾勇,吴秀平,陈元曦,等.拱桥施工的吊塔与扣塔连接构造局部受力分析[J].低温建筑技术,2020,42(3):42-44,78.

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