CN116484478A - 一种拼接桩板式道路的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拼接桩板式道路的设计方法,所述拼接桩板式道路沿路基边缘纵向设置连接枕梁,将横向一侧搭接或支撑其上;所述设计方法采用空间梁格法进行结构与路基联合计算,将既有路基对桩板式结构梁板的作用以具有竖向刚度的约束单元计入,进行桩板式结构的设计分析。本发明基于应力扩散原理,提出一种对路基进行数字模拟的新模式,解决了以往的路基参与结构计算难度大,连接受力计算结果不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及桩板式结构设计与施工技术,具体涉及一种拼接桩板式道路的设计方法。
背景技术
目前,采用结构化的观点、工业化的模式,在规模化、系列化的水平上,实施少土、无土、高效、低价工程的建设,正成为我国绿色公路建设的发展方向。其中,中小结构轻型化成套技术是实施绿色公路建设、公路工业化建造的关键部分。经过多年探索,这一技术虽然得到长足发展,示范效果良好,但依然存在很多不足:如理论突破缺乏、设计方法落后等。
高效并准确地计算结构与路基的联合作用一直是国内设计、施工关注的重点。分析传统计算方式,存在的问题有:
(1)忽略结构与路基的联合作用,简化结构与路基的作用为常规支座,因计算模型不准,计算结果偏差较大。
(2)考虑结构与路基的联合作用,实测路基对结构的作用的弹簧系数,因路基形态不同,实测结果变化较大。
这些问题严重制约了公路工业化建造技术的发展,工程建设需要一个突破性的解决方案。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种拼接桩板式道路的设计方法,提出一种对路基进行数字模拟的新模式,解决了以往的路基参与结构计算难度大,连接受力计算结果不准确的问题。具体来说:
本申请提供一种拼接桩板式道路的设计方法,所述拼接桩板式道路沿路基边缘纵向设置连接枕梁,将横向一侧搭接或支撑其上;
所述设计方法采用空间梁格法进行结构与路基联合计算,将既有路基对桩板式结构梁板的作用以具有竖向刚度的约束单元计入,进行桩板式结构的设计分析。
本申请中,采用空间梁格法进行计算分析,如图3所示,空间梁格模型将地基对入土桩柱的约束模拟为土弹簧,弹簧刚度可按m法计算,既有路基与梁板的连接可模拟为土弹簧,弹簧刚度可实测或按下式计算:k1i=αbib0E0/H0,其中bi为第i个横梁的宽度,b0为连接枕梁的宽度,k1i表示第i个横梁对应的约束单元竖向刚度,E0为路基土弹性模量,H0为路基高度,α为既有路基不均匀及尺寸影响系数;基于该空间梁格计算模型,可以进一步分析桩板式结构在一荷载作用下的作用效应,例如梁板在荷载作用下对既有路基和桩柱的作用力等。通过空间梁格模型提高了桩板式结构的设计效率和准确度。
可选的,在一些实施方式中,所述设计方法包括:
(21)在预设作用工况下,在不考虑梁板的结构参数情况下,分析每个约束单元的受力情况,获取第一有效约束单元及第一有效约束单元的第一受力值,所述有效约束单元表征在预设作用工况下既有路基对桩板式结构梁板的承载力符合预设约束条件;
(22)基于有效约束单元的受力值调整对应梁板的结构参数设计值;
(23)在所述预设作用工况下,在考虑梁板的结构参数情况下,分析每个约束单元的受力情况,获取第二有效约束单元及第二有效约束单元的第二受力值;
(24)重复(22)-(23)直至前后两次得到的所述结构参数设计值偏差小于预设值,获取后一次的所述结构参数设计值,完成预设作用工况下的设计。
本申请中,可以理解,在一种实施方式中,在预设作用工况下既有路基对桩板式结构梁板的承载力方向是向上的,即约束单元上的作用力为压力,即在步骤(21)和(23)中的有效约束单元即为自身受力为压力的约束单元。对于在预设作用工况下,计算得到的所有约束单元的受力情况,根据约束单元上受力情况过滤掉实际对梁板不提供承载力的约束单元。
进一步,在步骤(22)中,基于约束单元上承受压力值的大小,可以调整梁板的结构参数,可以理解,通过调整梁板的某些结构参数,例如梁板的尺寸,进一步,例如每个横梁的宽度和连接枕梁的宽度,调整横梁的宽度和连接枕梁的宽度即是调整约束单元受力面积,从而实现调整约束单元上实际应力大小,使约束单元上实际应力满足约束单元自身应力设计值,避免梁板在预设作用工况下对既有路基的破坏。
进一步,在步骤(23)中,在考虑梁板的结构参数的情况下,精准计算在预设作用工况下约束单元的受力情况,重新分析有效约束单元及其受力值;
通过步骤(22)和(23)的重复实现对梁板结构参数和约束单元受力的双向迭代调整,直至最终结果趋于稳定,即获得在预设作用工况下,满足所有构件均能正常使用的梁板结构参数和在该梁板结构参数设计下实际有效的约束单元及约束单元上的受力值。
本申请基于不考虑梁板结构参数的情况下获取有效约束单元的受力,从而调整约束单元对应的梁板结构参数,进而在考虑梁板结构参数的情况下获取有效约束单元的受力,进而再次调整约束单元对应的梁板结构参数,基于迭代过程,双向修正梁板结构参数、有效约束单元及有效约束单元受力,基于迭代终止获得优选的梁板结构参数设计,提高了对拼接桩板式道路的结构设计效率。
可选的,在一些实施方式中,所述设计方法,还包括:对于多个不同的作用工况,分别进行步骤(21)-(23),获得最优的设计。
可选的,在一些实施方式中,所述(21),包括:
(211)获取桩板式结构中所有梁板对应的约束单元的竖向刚度估算值,所述竖向刚度估算值基于不考虑梁板的结构参数的情况下估算获取;
(212)采用空间梁格模型,分析桩板式结构的每个约束单元的受力;
(213)基于每个约束单元的受力过滤不符合约束条件的约束单元,获取候选约束单元;
(214)基于所有候选约束单元及其对应的竖向刚度值,重复步骤(212)-(213),直至获得所有有效约束单元。
可选的,在一些实施方式中,所述(211)中,基于应力扩散原理,约束单元的竖向刚度k1i估算值为:
k1i=αE0/H0,其中α为应力扩散影响系数,α=1+H0/3,i表示桩板式结构空间梁格模型第i个横梁,E0为路基土弹性模量,H0为路基高度。
可选的,在一些实施方式中,所述的路基应力扩散影响系数α计算公式具有适用条件,以下列公式表示:
为路基中应力扩散的扩散角,超过这一适用条件时,α计算偏差将大于5%,计算公式应进行调整。
可选的,在一些实施方式中,所述(213)中,约束条件包括:约束单元对梁板的承载力方向与预设规定方向一致,路基竖向刚度k1i在用于结构联合计算时,应规定其可以承载的方向。
可选的,在一些实施方式中,所述(21)中,梁板的结构参数包括第i个横梁的宽度bi和连接枕梁的宽度b0;
所述(22)中,调整对应梁板的结构参数设计值的方法包括:基于约束单元的受力值调整连接枕梁的宽度b0,使得约束单元在所述受力值下正常使用;
所述b0≥1m,在调整b0过程中,当b0<1m时,取b0=1m;
可选的,在一些实施方式中,所述(23),包括:
(231)在考虑梁板的结构参数情况下,获取桩板式结构中所有梁板对应的约束单元的竖向刚度修正值即精确值:
k1i=αbib0E0/H0,其中bi为第i个横梁的宽度,b0为连接枕梁的宽度;
(222)基于步骤(212)-(214)获取第二有效约束单元及第二有效约束单元的第二受力值。
可选的,在一些实施方式中,所述(24)中,直至前后两次得到的所述连接枕梁的宽度b0设计值偏差小于5%,设计结束。
本发明的一种拼接桩板式道路的设计方法,具备如下有益效果:
(1)基于应力扩散原理,提出一种对路基进行数字模拟的新模式,解决了以往的路基参与结构计算难度大,连接受力计算结果不准确的问题。
(2)基于不考虑梁板结构参数的情况下获取有效约束单元的受力,从而调整约束单元对应的梁板结构参数,进而在考虑梁板结构参数的情况下获取有效约束单元的受力,进而再次调整约束单元对应的梁板结构参数,基于迭代过程,双向修正梁板结构参数、有效约束单元及有效约束单元受力,基于迭代终止获得优选的梁板结构参数设计,提高了对拼接桩板式道路的结构设计效率。
(3)提出了结构与路基联合作用通用设计理念,提出了结构与路基联合作用全新设计方法。
(4)推动了公路工业化建造技术的发展。
附图说明
图1为拼接桩板式道路总体布置示意图;
图2为拼接桩板式道路一般构造示意图;
图3为拼接桩板式道路空间梁格模型计算示意图。
图中:1-拼接桩板式道路;2-梁板;3-外纵肋;4-预制桩柱;5-路基;6-连接枕梁;7-空间梁格模型;8-路基约束单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。下述实施例以本发明技术方案为前提下进行,给出详细实施方式、具体操作过程和定量计算结果,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本申请实施例提供的一种拼接桩板式道路的设计方法,拼接桩板式道路沿路基边缘纵向设置连接枕梁,将横向一侧搭接或支撑其上;设计方法采用空间梁格法进行结构与路基联合计算,将既有路基对桩板式结构梁板的作用以具有竖向刚度的约束单元计入,进行桩板式结构的设计分析。
具体来说,设计方法,包括如下步骤:
1)初步估算每个约束单元竖向刚度k1i:k1i=αE0/H0,α=1+H0/3;
2)设定作用工况,基于约束单元竖向刚度,进行空间梁格模型计算;
3)筛选有效约束单元,将约束单元受力与预设规定承载方向相反的约束单元退出计算;
4)重复2)、3)项,直至所有保留下来的约束单元受力符合规定;
5)根据保留下来的约束单元受力值,对梁板结构参数进行设计,调整b0,在调整时,当b0<1m时,取b0=1m;
6)修正每个约束单元竖向刚度k1i:k1i=αbib0E0/H0,
7)重复2)-6),直至前后两次计算得到的b0的偏差小于5%时,结束设定作用工况下的计算和设计。
8)对于不同作用工况,重复2)-7)项,选择最适应的设计。
下面以图1所示的拼接桩板式道路结构对本申请一种拼接桩板式道路的设计方法的技术方案进行具体说明。
参见图1和图2,为一种理论跨径6m钢筋混凝土拼接桩板式道路1,用于扩建公路工程。其中,C50梁板2厚0.26m,设高0.5m、宽1m外纵肋3,支撑于直径0.6m的C80预制桩柱4上,内侧搭接于沿既有高6m的路基5边缘设置的高0.5m、宽1m的C50连接枕梁6上,形成8.75m宽拼接道路。
参见图3,为拼接桩板式道路空间梁格模型计算示意图,本申请实施例对于拼接桩板式道路1的设计方法,采用空间梁格法进行结构与路基联合计算,将既有路基5对桩板式结构梁板的作用以具有竖向刚度的约束单元8计入,进行桩板式结构的设计分析。
具体来说,设计方法包括如下步骤:
初步估算约束单元竖向刚度k1i及应力扩散影响系数α:k1i=αE0/H0=2.5MN/m;α=1+H0/3=3;其中,E0=5MPa,H0=6m;
代入k1i计算值,进行空间梁格模型7计算,得到路基约束单元8最大支点反力为470MN。
进行结构设计,取bi=1.5m、b0=1m,使连接枕梁6下的压力不大于容许的350MPa。
修正空间梁格模型7,路基约束单元8竖向刚度k1i及应力扩散影响系数α按以下列公式计算:
k1i=αbib0E0/H0=2.5695;
代入k1i修正值,重复空间梁格模型7计算。得到路基约束单元8最大支点反力为485MN。
判断:取bi=1.5m、b0=1m,连接枕梁6下的压力为323Mpa,不大于容许的350MPa,结束计算和设计。
计算和设计中,路基5中应力扩散的扩散角满足设计方法对/>的限定。
路基约束单元8在用于空间梁格模型7计算时,规定其只可以承受压力。
采用本发明,解决了拼接桩板式道路1与路基5联合计算难度大,连接受力计算结果不准确的问题,推动了公路绿色建造技术的发展。
本发明不局限于上述具体的实施方式,本领域的普通技术人员从上述构思出发,不经过创造性的劳动,所做出的种种变换,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述拼接桩板式道路沿路基边缘纵向设置连接枕梁,将横向一侧搭接或支撑其上;
所述设计方法采用空间梁格法进行结构与路基联合计算,将既有路基对桩板式结构梁板的作用以具有竖向刚度的约束单元计入,进行桩板式结构的设计分析。
2.根据权利要求1所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述设计方法包括:
(21)在预设作用工况下,在不考虑梁板的结构参数情况下,分析每个约束单元的受力情况,获取第一有效约束单元及第一有效约束单元的第一受力值,所述有效约束单元表征在预设作用工况下既有路基对桩板式结构梁板的承载力符合预设约束条件;
(22)基于有效约束单元的受力值调整对应梁板的结构参数设计值;
(23)在所述预设作用工况下,在考虑梁板的结构参数情况下,分析每个约束单元的受力情况,获取第二有效约束单元及第二有效约束单元的第二受力值;
(24)重复(22)-(23)直至前后两次得到的所述结构参数设计值偏差小于预设值,获取后一次的所述结构参数设计值,完成预设作用工况下的设计。
3.根据权利要求2所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,还包括:
对于多个不同的作用工况,分别进行步骤(21)-(23),获得最优的设计。
4.根据权利要求2所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述(21),包括:
(211)获取桩板式结构中所有梁板对应的约束单元的竖向刚度估算值,所述竖向刚度估算值基于不考虑梁板的结构参数的情况下估算获取;
(212)采用空间梁格模型,分析桩板式结构的每个约束单元的受力;
(213)基于每个约束单元的受力过滤不符合约束条件的约束单元,获取候选约束单元;
(214)基于所有候选约束单元及其对应的竖向刚度值,重复步骤(212)-(213),直至获得所有有效约束单元。
5.根据权利要求4所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述(211)中,约束单元的竖向刚度k1i估算值为:
k1i=αE0/H0,其中α为应力扩散影响系数,α=1+H0/3,i表示桩板式结构空间梁格模型第i个横梁,k1i表示第i个横梁对应的约束单元竖向刚度,E0为路基土弹性模量,H0为路基高度。
6.根据权利要求5所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述的路基应力扩散影响系数α计算公式具有适用条件,以下列公式表示:
为路基中应力扩散的扩散角。
7.根据权利要求4所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述(213)中,约束条件包括:约束单元对梁板的承载力方向与预设规定方向一致。
8.根据权利要求2所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,
所述(21)中,梁板的结构参数包括第i个横梁的宽度bi和连接枕梁的宽度b0;
所述(22)中,调整对应梁板的结构参数设计值的方法包括:
基于约束单元的受力值调整连接枕梁的宽度b0,使得约束单元在所述受力值下正常使用。
9.根据权利要求8所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述(23),包括:
(231)在考虑梁板的结构参数情况下,获取桩板式结构中所有梁板对应的约束单元的竖向刚度修正值即精确值:
(222)基于步骤(212)-(214)获取第二有效约束单元及第二有效约束单元的第二受力值。
10.根据权利要求8所述的拼接桩板式道路的设计方法,其特征在于,所述(24)中,直至前后两次得到的所述连接枕梁的宽度b0设计值偏差小于5%,设计结束。
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