隧道仰拱台车结构验算计算书

隧道仰拱台车结构验算计算书

2016年5月21日

目录

一、工程概况.................................................. 1

1.1 工程背景 ........................................................ 1 2.2 结构概况 ........................................................ 1

二、依据........................................................ 4

2.1 规范 ............................................................ 4 2.2 工况环境 ........................................................ 4

三、载荷分析.................................................... 4 四、整体结构分析................................................ 6

4.1 材料及其特性 .................................................... 6 4.2 模型建立 ........................................................ 6 4.2 载荷加载 ........................................................ 7 4.3 结果分析 ........................................................ 8

五、细部分析................................................... 11

5.1 栈桥分段处连接螺栓校核 ......................................... 11 5.2 支腿处连接副 ................................................... 13 5.3 主引桥处连接副 ................................................. 14

一、工程概况 1.1 工程背景

现代隧道结构复杂，工期短、质量高，对施工工艺的创新提出了较高的要求。隧道施工主要由：开挖、衬砌、装修三道工序组成。影响隧道使用寿命和隧道建设周期的主要因素由开挖及衬砌两道工序决定。这两道工序在隧道狭小的空间内同时进行，要求施工质量的同时不能互相干扰，这对施工方法和施工管理提出了极高的要求。目前的施工方法是：首先在隧道前方进行开挖作业；然后在后方进行衬砌作业。开挖作业按围岩状况选择开挖方式并配合相应的衬砌方式。各施工作业相间，依序进行。每一个环节的作业要求要严格紧密配合才能保证计划工期，控制建设投资不超预算。隧道仰拱及二次衬砌混凝土让隧道在开挖完成后形成一封闭受力结构，承受围岩压力，防止隧道崩塌，其质量决定了隧道的使用寿命。仰拱填充混凝土则起到缓冲作用，其质量影响到车辆行驶的安全性和舒适性； 附属的水沟及电缆槽等构造质量影响隧道能否正常使用。因而，仰拱、仰拱填充及水沟等附属构造的质量、施工工序时间、对隧道建设至关重要，也是目前隧道施工的难点和重点。以目前隧道施工最常见的台阶开挖方式为例，隧道施工中，仰拱及仰拱填充施工流程为：施工准备→仰拱开挖基底处理→初期支护铺设防水层→钢筋绑扎、安装仰拱模板→仰拱混凝土灌注→仰拱脱模→中心水沟测量放样→中心水沟立模→仰拱填充混凝土灌注→养护至强度满足机械行走→结束。仰拱中部因坡度较小，可用人工摊铺方式，两侧采用模筑混凝土。安装两侧仰拱模板安装时在钢筋网上焊接钢筋支撑杆，再将小钢模点焊于支撑杆上安装仰拱模板；仰拱混凝土浇注完后，脱模时再用割枪割除焊点后拆下仰拱模板。以上工序全用人工进行，工作量大，模板安装质量难于控制，每延米需消耗20-30 公斤支撑钢筋，造成较大浪费。

2.2 结构概况

主桥主要采用三排HN600×200×11×17工字钢及其两排δ14mm厚的板肋组成单榀栈桥，具体详见下图所示：

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图 1 栈桥的立面图

纵向布置按照600mm到900mm间距布置横向加劲板（14mm），详见下图所示

图 2 栈桥横向加劲图

引桥采用I40B和I20B工字钢材料构成，具体详见下图所示：

图 3 引桥的结构图

栈桥的主体尺寸24.1m×3.05m具体详见下图所示：

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图 4 栈桥的长度

图 5 栈桥宽

引桥和栈桥的主体结构材料汇总如下所示：

表格 1 栈桥材料汇总

序号 1 2 3 4 5 6 7 材料名称 钢板 钢板 钢板 钢筋 H型钢 工字钢 工字钢 材质 Q235B Q235B Q235B Q235B Q235B Q235B Q235B 规格 重量（Kg） 14 20 10 D16 HN400*200*8*13 I20B I40B 第3页

材质 规格 重量（Kg） Q235B HN400*400 Q235B HN600*200 合计 材料重量为理论净重，不包含履带、仰拱模板、轮子等重量。 序号 8 9 材料名称 H型钢 H型钢 二、依据 2.1 规范

1）钢结构设计手册

2）钢结构设计规范 GB50017-2003 3）公路钢结构桥梁设计规范 4）钢结构高强度螺栓连接规程

2.2 工况环境

隧道主要车辆：罐车、运渣车、转载机、吊车等，罐车的考虑。具体总重详见下表所示：

表格 2 工况环境

序号 车辆名称 1 2 3 4 罐车 运渣车 转载机 吊车 总重（t） 60 40 18 29.7 备注 混凝土容重按2.3吨/m³计算 含工作时 设备自重部分来源于三一重工官网相关数据。 移动栈桥主要功能—为仰拱施工提供临时通道。因此移动栈桥主要承载为运输设备。

三、载荷分析

根据工况环境可知，罐车过桥为危险。

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图 6 罐车在栈桥

考虑到罐车后轮重量分配较重，无法较为准确的分配，因此车辆重量全部集中在后轮上。后轮的相关尺寸图如下所示：

图 7 罐车后轮重量

考虑轮胎和栈桥面为柔性接触，每个后轮与栈桥接触面约为100×530mm，具体尺寸如下所示。

图 8 栈桥与车接触面

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栈桥上同时只允许一辆车通过，参考文献《汽车等效均布荷载的简化计算》，选用动载系数为1.2，因此每个轮子的位置的压力P：

P=1.2×60÷4÷（0.53×0.1）=339（t/㎡）

不考虑疲劳强度。

图 9 结构受力简图

根据结构受力简图可知，当a=b时，结构扰度、剪力、弯矩等为最大，因此在分析过程中只考虑车辆在运行在中间时的受力分析。

四、整体结构分析 4.1 材料及其特性

根据要求，结构主体材料规格为工字钢和钢板。材质为Q235B。按《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ025-86中规定的临时结构容许应力系数提高1.3取值。

表 1 材料特性

材质 厚度 ≤16 抗拉、抗压 和抗弯 185MPa 180MPa 280MPa 抗剪强度[τ] 105MPa 100MPa 160MPa 容许挠度值 L/500 L/500 Q235B Q235B 16—40 45#钢 表中：L为跨度，许用挠度按照钢结构设计规范的附表A取值。 L表示支撑点中心距离，因此L=14100mm。

4.2 模型建立

模型只建立了主桥和支撑主桥结构，具体详见下图所示：

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图 10 栈桥模型

模型中只包含栈桥不含引桥。

4.2 载荷加载

工况1：罐车行走在栈桥的中心位置，如下所示

图 11 车辆在栈桥中心位置运行

工况2：车辆行走过程偏离栈桥中心。

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图 12 车辆偏离中心运行过程

4.3 结果分析

工况2下的结果分析：

图 13 工况2+自重的Z方向变形

图 14工况2+自重的Y方向变形

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图 15工况2+自重的X方向变形

图 16工况2+自重组合应力

图 17工况2+自重Z方向剪切应力

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图 18 工况2+自重Z方向Y剪切应力

根据分析结果可知：最大变形为Z方向28mm，28mm÷14100mm=1.98‰＜L/500；最大应力159MPa<185MPa;最大的剪切应力85.7MPa<105MPa；因此满足工况要求。

工况1下结果分析：

图 19 工况1+自重下变形

图 20工况1+自重下组合应力

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图 21 工况1+自重下Y方向剪切应力

图 22 工况1+自重下Z方向剪切应力

根据分析结果可知：最大变形为Z方向21.1mm，21.1mm÷14100mm=14.9‰＜L/500；最大应力128MPa<185MPa;最大的剪切应力74.7MPa<105MPa；因此满足工况要求。

五、细部分析

5.1 栈桥分段处连接螺栓校核

为了方便运输，栈桥分为4.5m和11.5m，分段处采用M20×75高强螺栓连接（10.9级），连接节点详见：

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图 23 分段节点三维图

图 24 分段节点立面图

连接平面的喷砂处理，抗滑移系数为0.45,10.9级高强螺栓的预紧力为155KN，在计算过程中只考虑受力最大工字钢的螺栓。

首先考虑竖向的螺栓，竖向螺栓抵抗结构剪力，根据计算，该处的剪力FZ=203KN，Fy=44KN，合力为208KN，根据规范可知每个高强度螺栓的承载力设计值为0.9×1×0.45×155=62.775KN，因此该工字钢处的高强螺栓的承载力为62.775×12=753.3KN＞208KN，因此竖向螺栓满足要求。

考虑到工字钢上翼缘受压，下翼缘受拉，因此下翼缘的连接处螺栓主要承载下翼缘受拉的，按照最大拉力校核下端螺栓，根据计算可知最大拉力为260KN，根据规范可知每个高强度螺栓的承载力设计值为0.9×1×0.45×

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155=62.775KN，因此该工字钢处的高强螺栓的承载力为62.775×20=1255.5KN＞260KN。

5.2 支腿处连接副

支腿处为了能适应地面不平的环境，采用转动销连接，三维详见下图所示。上述计算可知，最大支反力为942KN。

图 25 支腿处连接副

图 26 连接销的连接尺寸

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因此连接销和钢板的挤压强度为

157MPa<180MPa<260MPa。

连接销的剪切应力τ=942÷（π×0.12÷4）=120MPa<160MPa。 因此连接副满足强度要求。

5.3 主引桥处连接副

主引桥连接采用6副铰耳连接，铰耳连接板的厚度为20mm，连接销的直径为50mm，该处连接布置详见下图所示：

图 27 主引桥连接布置

计算简化把72吨平均分配到每个铰耳上，因此接销和钢板的挤压强度为δ=72÷6×10÷0.05÷0.02=120MPa<180MPa<260MPa。

连接销的剪切应力τ=72÷6×10÷（π×0.052÷4）=61MPa<160MPa。 因此连接位置强度满足要求。

图 28 主引桥连接处铰耳的焊接技术要求

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根据上图技术要求可知，铰耳与端板采用熔透焊接，强度高于母材，如下为铰耳板的分析结果。

图 29 铰耳应力云图

图 30 最大剪切应力

根据上述分析结果可知，铰耳板最大应力为168MPa<180MPa,最大剪切应力36MPa<100MPa。因此，满足要求。从应力图可知，铰耳在与连接销拟合位置存在应力最大，因此在实际生产中建议加强该位置的板厚。

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