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———文章编号:10094539(2018)增2007404・设计咨询・极限状态法设计铁路桥梁下部结构及检算分析吴海燕(中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063)摘要:2014年5月《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》(Q/CR—93002014)颁布,我国铁路桥涵全面采用极限状态法设计势在必然。本文以梅汕铁路为背景,选取两座工点桥梁,对其下部结构按极限状态法进行设计,并与容许应力法的设计结果进行比较。对比分析表明:对于墩身强度检算,极限状态法富余量较容许应力法略大,其余检算二者富余量差别不大。就下部结构设计部分,《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中拟定的荷载系数及参数基本能适用于当前铁路桥梁的设计需要。关键词:铁路桥墩极限状态法容许应力法桩基础下部结构中图分类号:U448.13;U441文献标识码:A—DOI:10.3969/j.issn.10094539.2018.S2.019RailwayBridgeSubstructureDesignwithLimitStateMethodandItsCheck-calculationAnalysisWuHaiyan(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.Ltd.。WuhanHubei430063,China)Abstract:InMay2014,ProvisionalSpecificationforRailwayBridgeandCulvertDesignwithLimitStateMethod(Q/CR—93002014)waspromulgated.RailwaybridgeandculvertdesignwithlimitstatemethodinChinaisinevitable.TakingtheMeishanRailwayasabackground,twobridgeswereselectedtodesignthesubstructurewithlimitstatemethodandcomparedwithallowablestressmethod.Thecomparisonandanalysisshowsthat:forthestrengthcalculation,themarginoflimitstatemethodislargerthanallowablestressmethod,forothercalculation,themargiRSofthetwomethodshavehttledifference.Forthesubstructuredesignpart,theloadcoefficientandparameterformulatedintheProvisionalSpecification如rRailwayBridgeandCulvertDesignwithLimitStateMethodcanbasicallybeappliedtotherequirementofcurrentrailwaybridgedesign.Keywords:railwaypier;limitstatemethod;allowablestressmethod;pilefoundation;substructure1概述容许应力法和极限状态法是工程设计领域常用的两种方法。目前许多发达国家的桥梁设计均已采用极限状态法,我国的建筑结构、公路结构等设计领域也已采用极限状态法。——收稿日期:20180328基金项目:铁四院软件开发课题(2017D003)作者简介:吴海燕(1984一),女,工程师,主要从事桥梁与隧道工程等方面工作。随着中国铁路尤其是高速铁路的飞速发展,铁路桥涵设计方法由容许应力法向更为科学合理的极限状态法转轨势在必然。2014年5月中国铁路总公司正式颁布了《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》,之后在各设计院选取工点进行试设计工作。截止2017年初,各院的试设计工作已基本完成,两种设计方法采用的规范转轨准备工作已进入收尾阶段。我国铁路桥涵全面推行采用极限状态法设计的日程已越来越近。74铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(增2{万方数据・设计咨询・本文以梅汕铁路为背景,选取两座工点桥梁,对其下部结构按极限状态法进行设计,并与容许应力法进行比较,说明两种方法的差异。2桥梁概况新建梅州至潮汕铁路位于广东省东北地区,设计时速250km,双线线间距4.6in,设计活载为ZK活载。设计选取跨长深高速公路大桥、水声村大桥两个具体工点桥。跨长深高速公路大桥孑L跨布置为—232—In简支梁+180—In钢桁梁+232m简支梁,墩高范围为7~11in,位于直线上;水声村大桥—孔跨布置为1232—m简支梁+124nl简支梁,墩高范围为9.5~13.5in,位于R=4500nl的曲线上。以上两座桥桥址处场地地震动峰值加速度为0.05g,地震动反应谱特征周期值为0.35s,抗震设防烈度为6度。3桥墩检算简支梁桥墩采用通桥(2017)4201一I的双线圆端形实体墩,简支钢桁梁桥墩采用矩形实体墩,尺Ⅱ寸由构造确定。简支梁采用通桥(2016)2229一I、的梁,简支钢桁梁采用本线特殊设计的梁。3.1桥墩检算内容3.1.1强度检算根据《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中9.4.1条的规定,中心受压和偏心受压构件的截面强度计算时,不考虑受拉区材料的工作,并假定受压区的法向应力图形为矩形,其轴向力作用点与受压区应力的合力点相重合。截面强度应按下面的公式检算:Ⅳ≤弘Ⅳ式中,为轴向力设计值(MN);,为抗压强度设计值(MPa);A为截面受压区的面积(in2)。3.1.2整体纵向弯曲稳定检算根据《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中9.4.1条的规定,受压构件的整体纵向稳定性应按下式计算:≤NNPtⅣcr2‘’d4TmEold习孚1焉Ⅳ式中,为作用于构件顶面的轴向压力设计值(MN);No,为构件顺长边或短边方向的纵向弯曲临界荷载值(MN)。3.1.3墩身截面合力偏心距《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》9.5.1条中规定混凝土及砌体实体构件截面上合力偏心距e。应符合下列规定:永久作用+主要可变作用组合:≤eo0.5S永久作用+主要可变作用+其他可变作用组合:≤≤圆形截面:e。0.5S;其它形状截面:e00.6S施工荷载或偶然荷载组合(地震组合除外)≤eo0.7S3.2桥墩检算结果桥墩检算结果见表1及表2。由于铁路桥墩尺寸通常由构造和刚度控制,故以上各项检算富余量大,均不控制设计。表1水声村大桥桥墩检算结果墩高墩身检算富余率墩号强度整体稳定偏心fa/NN。,。/NN。q/Neo/sl9.56.2876.8727.5062.53211.55.6716.3987.2552.243135.2536.057.0882.064、51l5.8176.5ll7.3112.316~812.55.396.1727.1442.129~11135.2536.057.0882.0610125.5296.2857.1992.18129.56.0927.4978.2861.91表2跨长深高速大桥桥墩检算结果墩高墩身检算富余率墩号强度整体稳定偏心fa/NNc。/NNe。,N80/s186.6137.1737.6492.8429.521.33223.67324.1685.073921.79924.18224.6365.19410.56.096.6237.3742.383。3同精度对比为了发现《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中可能存在的问题,以代表性简支梁桥墩水声村大桥3号墩为例,对墩身强度、稳定性、偏心逐项进行容许应力法和极限状态法同精度比较计算。水声村大桥3号墩全高13m,桥墩尺寸采用部颁通铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018l增2)75万方数据・设计咨询・“”用图通桥(2017)4201.I的双线圆端形实体墩。3.3.1荷载组合工况两种方法计算时外力组合工况见表3。表3外力组合工况工况容许应力法活载加载方式对应极限状态法组合类型号组合类型l主力双线单孔重载承载能力极限状态组合I2主力双线双孔重载承载能力极限状态组合I3主力+纵附双线单孔轻载Ⅲ承载能力极限状态组合4主力+纵附双线单孔重载Ⅲ承载能力极限状态组合5主力+纵附双线双孔重载Ⅲ承载能力极限状态组合6主力+横附双线双孔重载Ⅲ承载能力极限状态组合7主力单线双孔重载承载能力极限状态组合I8主力+纵附单线单孔轻载承载能力极限状态组合1119主力+纵附单线单孑L重载Ⅲ承载能力极限状态组合10主力+纵附单线双孑L重载Ⅲ承载能力极限状态组合11主力+横附单线双孔重载Ⅲ承载能力极限状态组合12主力+特载单线单孑L轻载Ⅵ承载能力极限状态偶然组合13主力+特载单线单孔重载Ⅵ承载能力极限状态偶然组合14主力+特载单线双孔重载Ⅵ承载能力极限状态偶然组合单线单孔轻载承载能力极限15地震组合纵向地震力Ⅶ状态地震组合单线单孑L重载16地震组合Ⅶ承载能力极限状态地震组合纵向地震力单线双孔重载17地震组合Ⅶ承载能力极限状态地震组合纵向地震力单线双孔重载18地震组合Ⅶ承载能力极限状态地震组合横向地震力19主力恒载+伸缩力Ⅱ承载能力极限状态基本组合20地震组合无车纵向地震力Ⅶ承载能力极限状态地震组合2l地震组合无车横向地震力Ⅶ承载能力极限状态地震组合无车断轨力+22主力+特载Ⅵ承载能力极限状态偶然组合伸缩力23主力双线单孔重载正常使用频遇组合I24主力双线双孔重载正常使用频遇组合I25主力+纵附双线单孔轻载Ⅲ正常使用频遇组合26主力+纵附双线单孑L重载Ⅲ正常使用频遇组合27主力+纵附双线双孔重载Ⅲ正常使用频遇组合28主力+横附双线双孔重载Ⅲ正常使用频遇组合29主力单线双孔重载正常使用频遇组合I30主力+纵附单线单孔轻载正常使用频遇组合HI31主力+纵附单线单孑L重载Ⅲ正常使用频遇组合32主力+纵附单线双孔重载正常使用频遇组合In33主力+横附单线双孔重载Ⅲ正常使用频遇组合34主力恒载+伸缩力正常使用频遇组合1I3.3.2墩底截面强度检算结果对比为便于比较,将两种方法的检算结果以富余量的形式展现,详见表4。富余量=1一黼)×-oo%76铁道建筑技术表4墩底截面强度检算比较工况号极限状态法富余量/%容许应力法富余量/%富余量差/%185.777.58.2284.876.48.4385.578.47.1484.876.98.0584.677.27.4684.178.65.5785.776.19.6885.377.77.6984.976.68.31084.576.38.21184.978.66.21282.672.410.21382.171.111.01481.871.010.71588.283.24.91687.882.35.51787.381.95.41887.582.O5.51987.681.16.52089.185.63.52l89.986.93.O2283.173.69.5通过以上结果可知:极限状态法的截面强度检算富余量大于容许应力法的富裕量,且很多工况下两种方法的富余量差距较大,在10%左右。3.3.3墩身整体稳定检算结果对比墩身整体稳定检算富余量及比较见表5。表5墩身整体稳定检算结果比较工极限状态法容许应力法富余量差/%况富余量/%富余量/%号顺桥向横桥向顺桥向横桥向顺桥向横桥向l88.690.392.694.0—4.O一3.7287.889.692.293.6—4.4—4.1388.890.892.594.2—3.7—3.4488.490.592.294.0—3.7—3.5587.889.991.893.6—4.1—3.8688.289.892.293.6—4.1—3.8788.990.592.894.2—3.8—3.7889.191.192.794.5—3.6—3.4989.O91.O92.694.4—3.6—3.4lO88.690.692.494.2—3.8—3.51189.190.692.894.2—3.7—3.61989.891.593.494.8—3.6—3.3由表5可知:极限状态法算得的桥墩整体稳定富余量小于容许应力法的富余量,因此采用极限状态法检算桥墩整体稳定性比容许应力法保守,但二者富余量差别在5%以内,差异不大。RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018I增2)万方数据・设计咨询3.3.4墩底截面偏心检算墩底截面偏心检算富余量及比较见表6。表6截面偏心检算结果比较工况号极限状态法富余量/%容许应力法富余量/%富余量差/%l78.778.00.7272.474.0一1.6373.965.08.9472.263.38.9579.971.78.2668.465.O3.4768.970.0—1.1870.260.OlO.2969.358.311.01073,565.O8.51165.261.73.61243.841.42.41343.541.42.11447.945.72.21577.477.40.O1676.876.80.O1780.080.O0.01872.272.20.O1982.478.04.42079.279.20.02184.984.9O.O2236.334.32.02380.978.O2.92475.274.01.22557.855.02.82655.553.32.22770.O68.31.72870.865.05.82972.2'70.02.23052.650.O2.63l51.548.33.13259.9.58.31.53367.761.76.13478.278.OO.2由表6可知:(1)承载能力极限状态偶然组合检算偏心距的富余量大于容许应力法检算的偏心距富余量,原因是极限状态法暂规中对偶然组合中的长钢轨作用力考虑了0.85的组合系数,而容许应力法无此折减。(2)承载能力极限状态地震力组合两种规范检算的偏心距富余量完全相同,原因是两种规范对应的荷载组合及偏心容许值完全相同。(3)对应容许应力法主+附加力工况的正常使用极限状态频遇组合两种规范检算的偏心距富余量略有差别,容许应力法检算结果偏安全,原因是正常使用极限状态荷载组合中风荷载考虑了0.6的准永久值系数,长钢轨作用力考虑了0.85的组合系铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY数,而容许应力法相应工况的荷载系数均为1。4桩基计算及对比根据地质资料,全桥采用桩基础,除水声村大桥1~7号墩按摩擦桩设计外其余按柱桩设计。桩基承台尺寸受构造和刚度要求控制,故两种方法采用相同的桩基布置。简支梁桥墩采用8根直径1.0m的桩基础,钢桁梁桥墩采用12根直径1.25m的桩基础。桥墩典型桩基尺寸见图1。采用同样的桩基布置和地质条晤等一詈{奇支梁桥墩基列幽oooo∈-G)-~-}一——一o~~o・OooO孙2皿^5QQ^5QQl§QQ^^12钢桁梁桥墩基础件,分别用容许应图1桥墩典型桩基布置(单位:cm)力法和极限状态法对各墩桩基础进行了计算及比较(桩长取0.5m的整数倍),计算结果见表7~表8。表7水声村大桥基础检算对比容许应力法极限状态法桩长差值墩墩高嵌岩桩基承载嵌岩桩基承载(极限一号桩长桩长深度力富余率深度力富余率容许)m“[P]/P。Rd/N。。19.528.51.06281.03一O.5211.5311.0230.51.03一O.5313311.01301.02一l4ll30.51.01301.03—0.551l311.02301.02一l612.5311.02301.03一l712.530.51.0230l—O.5812.52"/2.091.04272.091.060913181.981.06181.981.05O1012181.71.02181.71.01O111319.52.21.0819.52.21.10129.5111.611.05lO.51.111.03一O.5表8跨长深高速大桥基础检算对比容许应力法极限状态法桩长差值墩墩高嵌岩桩基承载嵌岩桩基承载(极限一号桩长桩长深度力富余率深度力富余率容许)“[P]/P。—l媳/Nl820.51.821.1l201.321.01一O.529.5201.321.0520.51.821.04O.539151.021.0315.51.521.020.5410.5151.721.10151.721.09O2018I增2)(下转第117页)万方数据・桥梁工程・[5][6][7][8]—实例[J].物探与化探,1997(5):377381.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范:GB—500072011[s].北京:中国建筑工业出—版社,2011:8698.中交公路规化设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范:JTGD—632007[S].北京:人民交通出版—社。2007:3344.李学文.管波探测法在广州地铁高架区间桥梁桩位勘—察中的应用[J].广州建筑,2006(5):5154.邱庆程,李伟和.跨孔地震CT层析成像在岩溶勘察中—的应用[J].物探与化探,2001(3):236240.(上接第77页)由表7和表8可知:墩身及基础尺寸、地质资料等外部条件相同的情况下,对摩擦桩,极限状态法算得的桩长略短,大部分少O.5in;对柱桩,除跨长深高速大桥2、3号钢桁梁墩的基础极限状态法算得的桩长长0.5in外,其余桥墩极限状态法算得的桩长与容许应力法相同或少0.5m。经分析:混凝土箱梁的自重比二期恒载大,而钢桁梁的自重比二期恒载小,而二期恒载的分项系数为1.4,远大于梁部自重的分项系数1.1,故而钢桁梁桥墩按极限状态法组合的荷载增量较多,导致了桩长反而比容许应力法的略长。5结束语本文采用极限状态法对梅汕铁路两座工点桥的桥墩及基础进行了设计,并选取代表性桥墩及基础,与容许应力法的计算结果进行了对比,得出如下结论:(1)墩身强度检算方面,极限状态法的富余量大于容许应力法的富余量,且很多工况下两种方法富余量差距较大,在10%左右,容许应力法检算偏安全。(2)墩身整体稳定性检算方面,两种方法检算结果差异不大,富余量差在5%以内。(3)墩身偏心检算方面,大部分工况下极限状态法的富余量较容许应力法的大,但大部分工况的富余量差均在5%以内。(4)桩基检算方面,外部条件相同的情况下,对简支梁桥墩的摩擦桩,极限状态法算得的桩长略短,大部分少0.5m;对简支梁桥墩的柱桩,极限状态法算得的桩长与容许应力法相同或少O.5m。综上所述,采用极限状态法计算下部结构,除墩身强度富余量较容许应力法略大外,其余检算二者富[9]中交第一公路工程局有限公司.公路桥涵施工技术规范:JrllG/TF—502011[s].北京:人民交通出版社,—2011:109121.[10]周婷.沪昆客专醴陵特大桥复杂地质岩溶桩基施工技—术[J].铁道建筑技术,2016(5):13.[11]黄敦.富湾特大桥溶洞桩基处理措施[J].山西建筑,—2008(23):333335.[12]张卫国.客运专线岩溶路基整治技术研究[J].铁道建—筑技术,2016(9):6871.[13]张豪,吴良木.九洲江大桥溶洞桩基施工[J].公路,—2006(7):345348.余量差别不大。由此可见,就下部结构设计部分,《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中拟定的荷载系数及参数基本能适用于当前铁路桥梁的设计需要。由于本文所列下部结构类型有限,后期需进一步通过大量不同类型的桥墩及基础的对比检算,进一步深入优化《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》中的荷载系数、计算公式和相关参数取值,在保证安全的基础上,进一步发挥极限状态法设计规范的优越性。参考文献[1]中国铁路总公司.铁路桥涵极限状态法设计暂行规范:Q/CR—93002014[s].北京:中国铁道出版社,2014.[2]中国铁路总公司.时速250公里客运专线(城际铁路)圆端形实体桥墩(双线):通桥(2017)4201-I[s].北京:中国铁路总公司,2017.[3]国家铁路局.铁路桥涵设计规范:TB—100022017[s].北京:中国铁道出版社,2017.[4]国家铁路局.铁路桥涵地基和基础设计规范:TB—100932017[S].北京:中国铁道出版社,2017.[5]国家铁路局.铁路桥涵混凝土结构设计规范:TB—100922017[s].北京:中国铁道出版社,2017.[6]铁道第三勘察设计研究院集团有限公司.铁路桥涵典型结构极限状态法试设计设计细则[R].天津:铁道第三勘察设计研究院集团有限公司,2016.[6]周津斌.容许应力法与极限状态法铁路桥墩设计对比—分析[J].铁道标准设计,2016,60(9):7478.[7]齐成龙,苏伟.铁路桥梁极限状态法与容许应力法可靠—度比较[J].河南城建学院学报,2016,25(6):2125.[8]高策,薛吉岗.铁路桥梁结构设计规范由容许应力法转换为极限状态法的思考[J].铁道标准设计,2012—(2):4145.[9]铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计手册:桥梁墩台[M].北京:中国铁道出版社,1999.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018l增2)117万方数据
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