CN103485286A

CN103485286A - 一种箱梁预制节段箱室加固方法

Info

Publication number: CN103485286A
Application number: CN201310463986.1A
Authority: CN
Inventors: 郑福建; 卿三惠; 王波; 何开伟; 刘泽; 金洲; 王莉
Original assignee: China Railway Erju Co Ltd
Current assignee: China Railway Erju Co Ltd; China Railway No 2 Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: CN103485286B

Abstract

本发明涉及土木工程领域，特别涉及一种箱梁预制节段箱室加固方法；本发明公开的方法首先在确定一系列基础数据后，对箱室上与架桥机支腿接触的梁部进行局部承压检算、顶板进行冲切检算，合格后用有限元分析软件对箱室上与架桥机支腿接触位置的箱室腹板进行偏心受压受拉检算，然后在有限元分析软件里设定不同支撑结构，以偏心受压受拉检算中得到的某一数值为主要环境初始数据对每种支撑结构分别进行有限元分析，得到合格的多组解决方案，选择最优方案后最终进行选材；本发明的目的在于提供一种计算科学、节省材料、实施方便的箱梁预制节段箱室加固方法。

Description

一种箱梁预制节段箱室加固方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别涉及一种箱梁预制节段箱室加固方法。

背景技术

在架设桥梁过程中，一般的箱梁采用预制工艺，安装时运用架桥机对箱梁预制节段成品进行安装，安装时架桥机为两个支撑，一个支撑在桥墩上，另一个则支撑在已安装好的上一节箱梁预制节段的梁端，由于箱梁预制节段为中空结构，架桥机的自重加上待安装箱梁预制节段的重量非常大，与架桥机其中一个支撑接触的箱梁梁端往往会由于无法承受这么大的重量而产生裂纹甚至变形，所以会对该箱梁梁端位置的箱室进行加固，现有技术一般根据经验或者简单计算采用若干的桁架结构支撑，这种方法推算出的支撑结构都比较庞大、复杂，用材比较多，实施起来比较麻烦。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种计算科学、节省材料、实施方便的箱梁预制节段箱室加固方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种箱梁预制节段箱室加固方法，其步骤为：

步骤A、对基础数据进行取值，基础数据包括：架桥机的重量和其支腿支撑位置数据、待安装箱梁预制节段的重量、已安装箱梁预制节段和待安装箱梁预制节段的整体尺寸、已安装箱梁预制节段和待安装箱梁预制节段的混凝土硬度、架桥机支腿底面积；

步骤B、根据所述基础数据，对已安装箱梁预制节段的箱室上与架桥机支腿接触的梁部进行局部承压检算；

步骤C、根据所述基础数据，对已安装箱梁预制节段的箱室上与架桥机支腿接触的顶板进行冲切检算；

步骤D、根据所述基础数据，用有限元分析软件进行建模，在有限元分析软件中对已安装箱梁预制节段的箱室上与架桥机支腿接触位置的箱室腹板进行偏心受压受拉检算；

步骤E、抽取出步骤D中有限元分析软件得出的箱室腹板最薄弱处不合格的应力值，与步骤D中根据箱室腹板混凝土硬度确定的标准应力值求差得到应力差值A；

步骤F、在有限元分析软件里步骤D中的建模里设定不同支撑结构和支撑位置，以应力差值A为主要环境初始数据对每种支撑结构分别进行有限元分析，重复步骤D，得到合格的多组解决方案；

步骤G、根据施工成本、施工效率选择方案；

步骤H、从有限元分析软件中抽取出步骤G中所选方案支撑结构的支撑受力数据，根据该数据对支撑结构进行支撑计算，对支撑部件进行验证选材；

步骤I、实施支撑结构方案。

优选的，步骤A中还需对桥墩支撑垫石尺寸进行取值，结合所述基础数据，对与架桥机另一支腿接触的桥墩支撑垫石进行局部承压检算。

优选的，步骤D中对箱室腹板进行偏心受压受拉检算时，在有限元分析软件中分析出箱室腹板最薄弱截面处的弯矩和轴力，在截面上分对对X、Y两个方向进行强度检算，X方向为施工桥梁的里程方向，Y方向为与X方向垂直的横截方向；

强度检算后确定偏心受压的类型，大偏心受压情况下检算最大混凝土正应力、最大受压钢筋应力、最大受拉钢筋应力，小偏心受压情况下只检算最大混凝土正应力、最大受压钢筋应力。

优选的，实施步骤H时，对材料长度进行取值，算出此时满足受力要求的情况下材料的细长比，根据细长比选取构件类型，计算出该构件的临界应力a，然后选取临界应力大于a的材料即可。

优选的，步骤F选择的支撑结构为：在顺桥向、横桥向均加两道支撑，第一道支撑为单柱撑，第二道支撑为三角撑，在有限元分析软件中对两个单柱撑、两个三角撑进行不同支撑位置的建模，对每一组支持位置的方案进行步骤B～步骤D的检算；这样的支撑结构更节省材料，实施起来更方便。

优选的，所述单柱撑和三角撑单个组合为一组，一共两组，支撑位置为已安装箱梁预制节段的箱室上与架桥机支腿接触的顶板正下方，单柱撑在顺桥向靠前于三角撑，单柱撑、三角撑的横桥向布置位置以顺桥向中心线对称。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

计算科学、节省材料、实施方便。

附图说明：

图1为本发明中箱梁预制节段的安装原理图和对应的俯视图。

图2为本发明实施例中选择的内支撑方式的自由视图。

图3为本发明实施例中选择的内支撑方式的前视图。

图4为本发明实施例中箱室横桥向截面视图。

图中标记：1-RA支腿，2-RB支腿，3-架桥机，4-已安装箱梁预制节段，5-待安装箱梁预制节段，6-桥墩，7-过渡节。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明的实施例为东莞市城市轨道交通R2线2312标，使用架桥机3为DP50/30-A3上行式节段拼装架桥机3；根据图1，安装箱梁预制节段时，架桥机3的RA支腿1支撑在已安装箱梁预制节段4的梁端，RB支腿2支撑在桥墩6上，待安装箱梁预制节段5悬挂在架桥机3上；

第一步：确定相关基础数据后，对RB支腿2放置在桥墩6支撑垫石处的局部承压检算：

支撑垫石尺寸为，700mm*700mm；架桥机3支腿底面积为490mm*490mm。静载试验时，RB支腿2反力为2710KN，检算时桥梁重要系数取1.1。

根据公式γ₀F_ld≤1.3η_sβf_cdA_ln得：

γ₀F_ld=1.1*2710=2981Kn

β = \sqrt{\frac{700 * 700}{490 * 490}} = 1.43

1.3η_sβf_cdA_ln=1.3*1.0*1.43*18.4*490*490/1000=8213Kn≥2981Kn

架桥机3RB支腿2处，在静载试验的工况下，桥墩6支撑垫石处满足受力要求。

第二步：对箱室上与架桥机3RA支腿1接触处梁部进行局部承压检算：

根据《公路钢筋图及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第5.7规定，取架桥机3所以工况RA支腿1反力最大时，对梁进行局部承压检算。

综合所有工况，RA支腿1反力最大为1110KN，此时架桥机3支腿底面积为490mm*490mm。

γ₀F_ld=1.1*1110=1221Kn

1.3η_sβf_cdA_ln=1.3*1.0*1.0*22.4*490*490/1000=6992Kn≥2981Kn架桥机3RA支腿1处，在静载试验的工况下，梁面处局部承压满足受力要求。

第三步：对箱室上与架桥机3RA支腿1接触处的顶板进行冲切检算：

根据《公路钢筋图及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第5.6规定，对支腿处顶板受冲切进行检算。

对顶板抗冲切检算，顶板厚340mm，不考虑顶板预应力产生的压应力。

根据公式γ₀F_ld≤(0.7β_hf_td+0.15σ_pc,m)U_mh₀可得：

γ₀F_ld=1.1*1110/490*120=299Kn

(0.7β_hf_td+0.15σ_pc,m)U_mh₀=(0.7*0.988*1.83+0)*1760*340/1000=757Kn≥299Kn

架桥机3RA支腿1处，箱室顶板满足局部受冲切要求。

第四步：对箱室上与架桥机3RA支腿1接触位置的箱室腹板进行偏心受压检算：

偏心受压检算时，采用板单元模拟，来分析箱室腹板做薄弱截面处所分担的弯矩和轴力。

RA支腿1处的反力按面荷载加到箱室顶板处q=1110/0.49/0.49=4623kN/m²。

通过有限元分析软件计算，箱室腹板最薄处为过渡节7，如图4，此处腹板厚39cm，钢筋为N5、N5a，直径为φ16，布置间距为15cm，所分担的弯矩M=350kN.m，轴力N=440kN。

对过渡节7处腹板按偏心受压构件检算：

过渡节7截面--X方向强度检算（X方向为施工桥梁的里程方向）：

计算资料数据：

截面尺寸bxh=1.0000m x0.3900m

构件的计算长度L0=1.8000m

截面内力:N=440.0000KN,M=350.0000KN

安全系数：K=1.60

钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比：n=10.00

混凝土的弹性模量：Eh=35500000.00KPa

截面所配钢筋面积：受拉区Ag=0.001407m^2受拉区Ag'=0.001407m^2

钢筋重心至截面边缘距离：受拉区a=0.035000m受拉区a'=0.035000

判断大小偏心受压：

换算截面的面积(计入混凝土全截面及钢筋):

A0=b*h+n*(Ag+Ag')=0.418140m^2

截面边缘至换算截面重心轴的距离(计入混凝土全截面及钢筋):

受压区y2=(b*h*h*0.5+n*Ag*(h-a)+n*Ag'*a')/A0=0.195000m

受拉区y1=h-y2=0.195000m

换算截面对其重心轴的惯性矩(计入混凝土全截面及钢筋):

I0=1.0/12.0*b*h*h*h+n*Ag*(y1-a)*(y1-a)+n*Ag'*(y2-a')*(y2-a')=0.005664m^4

受压区核心距:K2=I0/(A0*y1)=0.069461m

截面惯性矩:Ih=1/12*b*h^3=1/12*1.0000*0.3900^3=0.0049(m^4)

偏心距:e0=M/N=350.0000/440.0000=0.7955(m)

刚度修正系数:α=0.1/(0.2+e0/h)+0.16=0.1/(0.2+0.7955/0.3900)+0.16=0.2047

偏心增大系数:η=1/(1-KN/(α*л^2*Eh*Ih/l0^2))

=1/(1-1.6000*440.0000/(0.2047*3.141593^2*35500000.0000*0.0049/1.8000^2))=1.0065

修正偏心距:e'=η*e0=1.0065*0.7955=0.8006(m)

e'=0.8006>K2=0.0695，属于大偏心受压。

强度检算：

受压边缘距N作用点距离：

g=e'-h/2=0.8006-0.3900/2.0=0.6056(m)

受压钢筋距N作用点距离：

eg'=e'-h/2+a'=0.8006-0.3900/2.0+0.0350=0.6406(m)

受拉钢筋距N作用点距离：

eg=e'+h/2-a=0.8006+0.3900/2.0-0.0350=0.9606(m)

计算三次方程参数：

p=6*n/b*(Ag'*eg'+Ag*eg)-3*g^2

=-0.9651

q=-6*n/b*(Ag'*eg'^2+Ag*eg^2)+2*g^3

=0.3317

将参数代入方程，得三次方程：

y^3+(-0.9651)y+(0.3317)=0

解方程得:

y=0.7018(m)

由此得:

x=y-g=0.7018-0.6056=0.0961(m)

混凝土正应力为：

σh=N*e'/(b*x*(h/2.0-x/3.0)/2.0+n*Ag'*(x-a')*(h/2.0-a')/x+n*Ag*(h-x-a)*(h/2.0-a)/x)=22.9847(Mpa)>[σb]=21.8400MPa（超限）

受压钢筋应力为：

σg'=n*σh*(x-a')/x

=146.1782MPa<=[σs]=230.0000MPa（通过）

受拉钢筋应力为：

σg=n*σh*(h-x-a)/x

=618.7960MPa>[σs]=230.0000MPa（超限）

这里的21.8400MPa和230.0000MPa是根据箱梁预制节段采用的是C50混凝土，查阅铁路钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)所得。

裂缝宽度检算：

钢筋表面形状影响系数:K1=0.80

荷载特征影响系数:K2=1+α*M1/M+0.5*M2/M=1.50

与受拉钢筋相互作用的受拉混凝土面积Acl=0.070000000m²

单根钢筋的截面积Asl=0.000201062m²

考虑成束钢筋的系数β=1.00

受拉钢筋有效配筋率:μz=(β1*n1+β2*n2+β3*n3)*Asl/Acl=0.020100

中性轴至受拉边缘的距离与中性轴至受拉钢筋重心的距离之比r=1.1352

受拉钢筋的直径d=16mm

受拉钢筋重心处的应力σs=618.796MPa

钢筋的弹性模量Es=210000MPa

裂缝宽度ωf=K1*K2*r*σs*(80+(8+0.4*d)/√μz)/Es=0.72884mm，查阅铁路工程抗震设计规范(GB50111-2006)，裂纹宽度超出规范要求。

过渡节7截面--Y方向强度检算（Y方向为与X方向垂直的横截方向）：

计算资料数据：

截面尺寸bxh=0.3900m x1.0000m

构件的计算长度L0=1.8000m

截面内力:N=440.0000KN,M=0.0000KN

安全系数：K=1.60

钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比：n=10.00

混凝土的弹性模量：Eh=35500000.00KPa

截面所配钢筋面积：受拉区Ag=0.001407m^2受拉区Ag'=0.001407m^2

钢筋重心至截面边缘距离：受拉区a=0.035000m受拉区a'=0.035000m

判断大小偏心受压：

换算截面的面积(计入混凝土全截面及钢筋):

A0=b*h+n*(Ag+Ag')=0.418140m^2

受压区y2=(b*h*h*0.5+n*Ag*(h-a)+n*Ag'*a')/A0=0.500000m

受拉区y1=h-y2=0.500000m

换算截面对其重心轴的惯性矩(计入混凝土全截面及钢筋):

I0=1.0/12.0*b*h*h*h+n*Ag*(y1-a)*(y1-a)+n*Ag'*(y2-a')*(y2-a')=0.038585m^4

受压区核心距:K2=I0/(A0*y1)=0.184553m

截面惯性矩:Ih=1/12*b*h^3=1/12*0.3900*1.0000^3=0.0325(m^4)

偏心距:e0=M/N=0.0000/440.0000=0.0000(m)

刚度修正系数:α=0.1/(0.2+e0/h)+0.16=0.1/(0.2+0.0000/1.0000)+0.16=0.6600

偏心增大系数:η=1/(1-KN/(α*л^2*Eh*Ih/l0^2))

=1/(1-1.6000*440.0000/(0.6600*3.141593^2*35500000.0000*0.0325/1.8000^2))

=1.0003

修正偏心距:e'=η*e0=1.0003*0.0000=0.0000(m)

e'=0.0000<=K2=0.1846，属于小偏心受压。

强度检算：

N相对换算截面重心轴的偏心距：

e2=e1+y2-h/2.0=0.0000

最大混凝土正应力为：

σh=N/A0+N*e2*y2/I0=1.0523MPa<=[σb]=21.8400MPa（通过）

最大受压钢筋应力为：

σg'=n*(N/A0+N*e2*(y2-a1)/I0)=10.5228MPa<=[σs]=230.0000MPa（通过）

裂缝宽度检算：

钢筋表面形状影响系数:K1=0.80

荷载特征影响系数:K2=1+α*M1/M+0.5*M2/M=1.50

与受拉钢筋相互作用的受拉混凝土面积Acl=0.027300000m²

单根钢筋的截面积Asl=0.000201062m²

考虑成束钢筋的系数β=1.00

受拉钢筋有效配筋率:μz=(β1*n1+β2*n2+β3*n3)*Asl/Acl=0.051538

中性轴至受拉边缘的距离与中性轴至受拉钢筋重心的距离之比r=1.0363

受拉钢筋的直径d=16mm

受拉钢筋重心处的应力σs=0.000MPa

钢筋的弹性模量Es=210000MPa

裂缝宽度ωf=K1*K2*r*σs*(80+(8+0.4*d)/√μz)/Es=0.00000mm，查阅铁路工程抗震设计规范(GB50111-2006)，裂纹宽度符合规范要求。

过渡节7未命名截面--稳定性检算：

截面面积bxh=0.390m x1.000m=0.390000m^2

构件的长细比L0/b=1.800/0.390=4.615

纵向弯曲系数：ψ=1.00

总钢筋面积:As'=0.001407+0.001407+0.001407+0.001407=0.005628m^2

钢筋计算强度与砼抗压极限强度之比：m=10.00

混凝土压应力为：σc=N/(ψ*(Ac+m*As'))

440.000/(1.000*(0.390000+10.00*0.005628))

=0.9859(Mpa)<=[σc]=17.4200MPa（通过）

通过计算分析，过渡节7处，腹板不能满足由于RA支腿1偏心引起的腹板外侧受拉受力要求，故施工过程中需采取临时措施保证梁体安全。

解决方案：在箱室内加刚支撑，以分担腹板上的力。

第五步：抽出过渡节7截面--X方向强度检算中混凝土正应力、受拉钢筋应力的超限值A

A1=22.9847Mpa-21.8400Mpa=1.1447Mpa

A2=618.7960Mpa-230.0000Mpa=388.796Mpa

在有限元分析软件中，把A1、A2作为主要的环境初始数据，尝试若干种支撑结构，对每种支撑结构用所述第四步进行单独的检算，最终选择加支撑如图2、图3。

根据模型计算结果，每个内支撑受力如下表：

可以看出内支撑最大受力为173.64kN。

支撑布置：根据模型，本实施例内支撑在顺桥向、横桥向均加两道支撑。顺桥向第一道、第二道支撑距梁端距离分别为0.33m、0.77m。

第一道撑距梁端0.33m，为单柱撑，横桥向布置如图3：

横桥向距梁中心线为0.95m，两道撑横向间距为1.9m。

第二道撑距梁端0.77m，为三角撑，横桥向布置如图3：

横桥向顶板支点距梁中心线为0.95m；底板支点距梁中心线分别为0.72m和1.3m。

第六步：通过支撑计算对支撑部件进行验证选材；

本实施例中选材结果为：内支撑拟采用直径为180mm、壁厚为5mm的Q235钢管。

计算选材过程：

截面应力计算：σ=173.64/2748.9*1000=63.2MPa

稳定计算：钢管长度取1.01m。

细长比λ=2*1.01/0.06189=32.64

查阅任意机械设计规范中的表，通过细长比选出a类构件：φ=0.939+（0.961-0.939）/10*7.36=0.955

算出用a类构件时材料的临界应力σ=173.64/(0.955*2748.9)*1000=66.2Mpa，

通过上述计算，在相关机械设计规范中可查到对应材料的临界应力，临界应力大于66.2Mpa的材料即可，本实施例的最后选取结果，内支撑可采用直径为180mm、壁厚为5mm的Q235钢管。

本实施例中，支撑结构立杆采用空心薄壁钢管，两端增加相反螺旋的梯形螺杆，通过人工转动立杆使螺杆预紧，从而达到使支撑预紧。

Claims

1.一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于，步骤为：

步骤G、根据施工成本、施工效率选择方案；

步骤I、实施支撑结构方案。

2.根据权利要求1所述的一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于：

步骤A中还需对桥墩支撑垫石尺寸进行取值，结合所述基础数据，对与架桥机另一支腿接触的桥墩支撑垫石进行局部承压检算。

3.根据权利要求1或2所述的一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于：

步骤D中对箱室腹板进行偏心受压受拉检算时，在有限元分析软件中分析出箱室腹板最薄弱截面处的弯矩和轴力，在截面上分对对X、Y两个方向进行强度检算，X方向为施工桥梁的里程方向，Y方向为与X方向垂直的横截方向；

4.根据权利要求1所述的一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于：

实施步骤H时，对材料长度进行取值，算出此时满足受力要求的情况下材料的细长比，根据细长比选取构件类型，计算出该构件的临界应力a，然后选取临界应力大于a的材料即可。

5.根据权利要求1或2所述的一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于：

步骤F选择的支撑结构为：在顺桥向、横桥向均加两道支撑，第一道支撑为单柱撑，第二道支撑为三角撑，在有限元分析软件中对两个单柱撑、两个三角撑进行不同支撑位置的建模，对每一组支持位置的方案进行步骤B~步骤D的检算。

6.根据权利要求5所述的一种箱梁预制节段箱室加固方法，其特征在于：

所述单柱撑和三角撑单个组合为一组，一共两组，支撑位置为已安装箱梁预制节段的箱室上与架桥机支腿接触的顶板正下方，单柱撑在顺桥向靠前于三角撑，单柱撑、三角撑的横桥向布置位置以顺桥向中心线对称。