1、PAGE PAGE 10 般隧道仰拱棧橋皚設(shè)計與計算郭小華盎（中鐵隧道集哎團(tuán)三處有限公班司，廣東深圳叭 5180把51）柏摘 要藹：為提高結(jié)構(gòu)拔的耐久性，改霸善受力狀態(tài)，拜仰拱超前、一斑次性全幅施工瓣，已經(jīng)成為隧白道施工的基本懊要求。為此，隘自行設(shè)計制造班成本低、易制般造、移動快捷叭、輕便的片式伴移動仰拱棧橋背在隧道施工現(xiàn)礙場愈來愈普及背本文通過對耙20型鋼制奧造6m長的片矮式仰拱棧橋進(jìn)笆行數(shù)值結(jié)構(gòu)模哎擬計算，對其壩在隧道無軌運笆輸條件下最大艾動載作用下的叭強度及剛度進(jìn)藹行校核，介紹巴了該類仰拱棧白橋在裝碴車輛胺通過時的動態(tài)熬響應(yīng)及安全度奧，對同類隧道扮簡易片式仰拱絆棧橋的結(jié)構(gòu)強盎度計算有一定

2、阿的借鑒意義。澳關(guān)鍵詞盎：仰拱棧橋；壩數(shù)值模擬計算胺；荷載；內(nèi)力1概述鞍鐵路隧道施把工規(guī)范規(guī)定哎：“仰拱施作扒應(yīng)優(yōu)先選擇各傲段一次成形，阿避免分部灌筑隘”，對于底板哎為軟巖大變形隘或者有其他地唉質(zhì)災(zāi)害地段，扒這一條則顯得昂非常必要。應(yīng)埃該說，全幅仰阿拱施工，將會藹成為鐵路隧道瓣施工的一個趨擺勢，是根治隧哎道運營病害的昂關(guān)鍵柏3背。白隧道內(nèi)實行仰芭拱超前襯砌施啊工，并緊跟開鞍挖掌子面，實皚現(xiàn)隧道底部的吧快速封閉，有按利于穩(wěn)定掌子敖面。而仰拱超笆前的關(guān)鍵在于半解決仰拱施工吧與開挖運輸作擺業(yè)面的干擾，凹這樣，就必須壩引進(jìn)仰拱棧橋背來解決運輸干頒擾問題。鞍仰拱棧橋顧名耙思義，是指在芭隧道施工中架阿設(shè)在

3、仰拱上方瓣的臨時便橋(艾又稱抗干擾平擺臺)，主要作疤用是保證仰拱凹施工時，其它擺工序作業(yè)仍可哎有序進(jìn)行（主背要是大型自卸邦汽車可自由通邦過全幅仰拱施哀工段）。目前白國內(nèi)隧道施工叭中使自制的仰隘拱棧橋已是一懊相成熟的經(jīng)驗背，且大多是跨百度小、載重輕爸、結(jié)構(gòu)形式簡柏單的片式仰拱艾棧橋。該棧橋岸結(jié)構(gòu)合理、 百移動方便，把跋掘進(jìn)、初期支班護(hù)與襯砌施工骯流水線連成一皚體，實現(xiàn)掘進(jìn)襖初期支護(hù)與靶二次襯砌等多靶個施工工序的百平行流水作業(yè)澳。解決了仰拱翱施工對開挖掘襖進(jìn)、初期支護(hù)礙和二次襯砌等白多個工序施工拌的干擾拜1板。唉據(jù)查閱，有關(guān)柏文獻(xiàn)（包括參按考文獻(xiàn)1稗4）均懊是利用靜力學(xué)唉知識對隧道中敗常用的片式仰

4、拜拱棧橋進(jìn)行簡罷單的結(jié)構(gòu)計算疤，重點介紹仰靶拱棧橋的加工擺，仰拱的施工捌工藝要要點。案本文的創(chuàng)新點百是:利用經(jīng)典罷的ANSYS吧計算程序，將扒常用的仰拱棧稗橋進(jìn)行數(shù)值化礙建模，同時分啊析隧道常規(guī)無敗軌運輸條件下頒的最不利荷載瓣，計算數(shù)字化襖仰拱棧橋在最伴不利動載條件澳下結(jié)構(gòu)強度及哎剛度的大小，奧能否滿足隧道巴常規(guī)無軌運輸拌安全要求，并矮判定仰拱棧橋壩的安全度。頒2.仰拱棧橋唉結(jié)構(gòu)組成扒4爸本文模擬計算艾對象采用較為白常見的20把工字鋼制作仰扒拱棧橋，其主熬要承載由2根骯工字鋼并排雙罷面焊接成1組拌單片梁，共4熬組組成一單片八仰拱棧橋，棧伴橋表面用5m百m厚鋼板或盎22螺紋鋼進(jìn)佰行橫向連結(jié)。敖各

5、組工字鋼之懊間間距約10罷cm，每組工半字鋼（雙根）襖寬約0.1*盎2=0.2m邦，共4組工字氨鋼（雙根）組唉成寬約1.1靶m寬的單片仰哎拱棧橋，組成壩的仰拱棧橋長壩約8m。 該哀仰拱棧橋結(jié)構(gòu)把組成如圖1所笆示。辦圖1 仰伴拱棧橋結(jié)構(gòu)示哀意圖(單位：笆mm)唉3.隧道常用跋片式仰拱棧橋扮承載分析八（1）隧道仰藹拱施工時上方奧通行車輛罷2邦目前對于長度拔小于3km的岸隧道施工中常凹采用大型運輸懊車輛進(jìn)行無軌百運輸，但仰拱礙并不通行襯砌盎施工車輛。故礙通過棧橋的主稗要機械可能為敗斯太爾25T辦自卸汽車、Z扮L50C裝載敖機、東風(fēng)自卸稗汽車、北方奔矮馳自卸汽車、熬PC220挖懊掘機等，其自白重、寬度

6、等列凹于表1：班表1 仰拱骯棧橋上方通行挨主要機械參數(shù)翱表叭序號巴設(shè)備名稱班空載重量懊重載重量挨行走寬度懊輪胎寬度翱輪距凈寬哀1俺斯太爾奧12T捌25T白2795mm拌645mm傲1505mm俺2靶PC220熬21.7T白21.7T暗2880mm邦500mm頒1880mm班3氨ZLC50艾22.77T邦22.77T胺2950mm靶645mm壩1560mm壩4搬東風(fēng)敗5T瓣15T敖2500mm瓣550mm盎1400mm斑通過表1可知岸，本計算應(yīng)以百運碴時通過的按斯太爾自卸汽半車作為仰拱棧俺橋的驗算荷載安。但為了安全阿，計算以30背T的公路大型斑自缷汽車為驗骯算荷載。且計爸算時仰拱棧橋罷只承載一輛

7、3拜00KN的汽八車。300K百N汽車技術(shù)參埃數(shù)如表2所示骯。敗表2 30瓣0KN汽車技氨術(shù)參數(shù)表案總重澳前軸重爸后軸重哎軸距敖輪距熬前輪著地寬度藹及長度澳后輪著地寬度班及長度霸外形尺寸伴KN奧KN絆KN吧m爸m骯m澳m礙m胺300叭60柏2*120熬4+1.4霸1.8拜0.3*0.澳2佰0.6*0.扳2芭8*2.5班（2）設(shè)計每跋片梁寬度及工瓣字鋼數(shù)量艾據(jù)表2中所列盎斯太爾輪胎寬熬度(0.60捌m)，并考慮唉斯太爾自卸汽案車行走寬度（藹0.4m搬）哎，故設(shè)計仰拱皚棧橋單片寬度哎為1.0m。壩雙片仰拱棧橋翱中心距離為1骯.8m（30艾0KN自卸汽矮車的輪距1.頒8m），則仰傲拱棧橋的外緣佰寬度

8、2.8m礙，內(nèi)緣寬度為鞍0.8m。頒施工常用的工跋字鋼有I20擺、I22a 頒I25a I阿28a ，上襖述各型工字鋼安參數(shù)如表4所吧示。哎表4 各型翱工字鋼參數(shù)傲工字鋼型號爸I20疤I22a盎I25a邦I(lǐng)28a瓣單位重量(k哀g/m)礙27.9白33壩38.1拌43.4啊慣性距(cm扒4頒)拜2370吧3400板5023.5哎4矮7114.1壩4拜截面模量(c昂m笆3絆)唉237懊309耙401.88瓣508.15斑腿寬（mm）俺100案110笆116襖122傲高度 (mm伴)稗200皚220跋250澳280般設(shè)計仰拱棧橋擺擬采用8根般20工字鋼作霸為主要承載結(jié)澳構(gòu)，仰拱棧橋胺設(shè)計為雙片，伴

9、8根工字鋼組把成一片仰拱棧敖橋，每片仰拱拌棧橋承載汽車澳一側(cè)輪胎施給翱的重量。胺假設(shè)隧道仰拱頒一次施工長度拌為6m，確定爸仰拱棧橋的長澳度為8m，沿霸隧道軸線方向艾仰拱棧橋與仰版拱槽搭接長度跋為1.0m。白（3）仰拱棧霸橋上通過荷載岸分析及確定巴6擺由于所設(shè)計的埃仰拱棧橋長達(dá)班8m，300熬KN自卸汽車吧前中排輪輪心捌距為4.0m礙，中后排輪輪霸心間距為1.白4m。隧道內(nèi)跋大型汽車運輸啊速度一般在1澳5km/h左巴右，即300奧KN自卸汽車背在仰拱棧橋上翱的行走速度約敖是4.0m/辦s。胺300KN自胺卸汽車前軸承按載約6T，前芭排輪單側(cè)輪胎拌承載約3T；拔后軸重約24罷T，由兩個間罷距1.4

10、m的岸中后排輪承載鞍，即每排輪胎搬承載約12T稗。每排有中有笆4只輪胎，則半中后排每只輪伴胎承載約3T胺。又根據(jù)表2氨知單只車輪接版地時長約0.笆2m，其與長耙約6m的仰拱爸棧橋相比，其懊可視為集中荷扒載。跋設(shè)計的仰拱棧拌橋是由雙根斑20型鋼并成頒一片組合梁并班間距0.1m扮放置4片組合捌梁組合而成，板即寬約0.6班m的中后排單扒側(cè)輪（2只）吧會作用于2片霸組合梁（0.矮2+0.1+斑0.2+0.叭1=0.6m扳）上，則單只盎輪胎（寬約0阿.3m）將始俺終是作用于一稗片組合梁上（般寬約0.2m暗），故單只輪哎胎的接地面積八為0.20*礙0.20=0邦.04m2。叭單輪接地壓3叭0000/0氨.

11、04=75啊0000Pa扳。盎對于單根2安0型鋼而言，敖其頂面寬約0稗.1m，即當(dāng)壩300KN汽皚車通過時，單罷根型鋼將承載傲單只輪胎施于敗其約7500盎00*0.1霸*0.2=1埃5000N的傲荷載。一根型絆鋼同時有三個笆輪胎作用其上捌，接地長度一傲共達(dá)到0.6敗m。即在單根骯型鋼上承載有百三個長度約0襖.2m的15盎000N的集把中荷載，相距般分別為前中輪艾心距為4m，氨中后輪心距為扒1.4m。隘由于擬所采用哀的仰拱棧橋較跋長（跨徑達(dá)到敖6m爸）艾,需要計算仰佰拱棧橋在移動昂荷載作用下其隘應(yīng)力響應(yīng)，而靶不能僅僅進(jìn)行埃靜力分析。般4 仰拱棧哀橋最不利受力癌狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強吧度計算擺5皚（1）計算

12、模拌型及簡化條件扳將300KN把移動荷載通過般仰拱棧橋時的昂動力響應(yīng)問題罷簡化為：三集澳中荷載（15藹000N）同癌時作用于一簡敖支梁上，該簡背支梁一側(cè)固定傲鉸支；一側(cè)為叭可動鉸支，即翱其可在水平方拔向移動。三集襖中荷載的移動伴速度4.0m吧/s，間距分挨別為4.0 笆m、1.4m艾。因為工字鋼板鋼梁的質(zhì)量與哎其上荷載相比拌較小，本計算案中可對之忽略阿不計。霸300KN自哀缷汽車輪胎寬罷約0.6m，絆在通過仰拱棧霸橋時，應(yīng)該只皚是中間總寬約翱0.7m的2襖組單梁（每組拔雙根）為主要扒承載梁，左右礙側(cè)的二組單梁柏基本上處于空般載狀態(tài)。即單艾片仰拱梁的有凹效工作寬度為安0.4m(2搬組單片組合梁伴

13、)，但由于橫爸向連結(jié)鋼板的伴作用，該空載按的二組單片組案合梁亦會分擔(dān)澳一部分荷載。柏即需要考慮棧懊橋荷載橫向分捌布系數(shù)，亦就百是說作用在單邦根型鋼上的荷敗載會比上述計吧算結(jié)果（15盎000N）要白小一些。考慮百到本仰拱棧橋啊中橫向連結(jié)鋼辦板的橫向聯(lián)結(jié)拜剛度不是很強霸，即輪壓荷載柏主要是由中間斑2 根單片組阿合梁承載。但佰為了增大安全絆系數(shù)，仍假設(shè)懊中間2片組合伴梁承載約10盎0%的輪壓，爸進(jìn)行仰拱棧橋佰強度或剛度驗暗算時主要以中拔間2根單片組案合梁所受內(nèi)力按為主，其承載靶單只輪壓約為扒15000N半。靶擬采用ANS疤YS程序中的擺Beam18胺8（空間）的斑模型對仰拱棧按橋進(jìn)行強度或搬剛度檢算

14、。奧確定的計算模澳型如圖2所示扮。斷面為2板0型鋼，彈性敖模量為210搬GPa，泊松佰比為0.3，艾密度為780扒0Kg/m3壩。邊界條件為按一側(cè)固定鉸支胺，另一側(cè)為可八動鉸支。啊圖2 仰拱隘棧橋簡化計算搬模型芭將6m的長的拔仰拱棧橋模型耙劃分為12個佰單元，則30罷0KN自卸汽哀車通過每單元霸時間為0.1扮25s，單輪爸通過整個仰拱奧棧橋時間為1壩.5s，自前敖輪上棧橋始至埃后輪下棧橋止捌，每單輪需要搬行走約6+1耙.4+4=1靶1.4m，共熬有23個荷載半步，每荷載的般子步數(shù)設(shè)為1八0個。按查（GB70霸6-65般）爸表得知20俺型鋼截面幾何哀參數(shù)為：高度稗h=200m敗m；腿寬b=巴10

15、0mm；霸腰厚d=7m懊m；平均腿厚啊t=11.4笆mm。盎將以上截面幾吧何參數(shù)輸入A藹NSYS程序靶后，可得出稗20型鋼截面芭其它幾何參數(shù)伴如圖3所示（背單位：斷面積隘為m2,慣性斑矩為m4?？拱脧澞Ａ繛閙3暗）。巴圖3 20把型鋼截面幾何氨參數(shù)圖（單位爸：國標(biāo)稗）班 俺 圖4芭 單片仰拱矮棧橋模型圖般（2）計算結(jié)啊果翱將上參數(shù)輸入挨所建立的AN板SYS文件，挨實物建模后得百到模型圖，如笆圖4所示。安本模擬計算中壩設(shè)定分析類型澳為瞬態(tài)分析法拜，在瞬態(tài)分析斑法中選完全分白析法進(jìn)行后處搬理。柏由于需要對仰巴拱棧橋最不利百受力狀態(tài)下結(jié)澳構(gòu)強度進(jìn)行驗斑算，首先就需襖要知道汽車在奧仰拱棧橋上行挨走時的

16、最不利辦荷載位置。通捌過將車輪負(fù)載岸轉(zhuǎn)化為集中荷跋載在模型（梁暗單元組成）上白自梁端走至梁挨尾，可得到各霸單元在不同時背刻的時程曲線澳，再根據(jù)時程胺曲線，可得到巴汽車前中后排案輪行走至何位奧置時產(chǎn)生的撓盎度最大，這一伴位置即是整個版仰拱棧橋的最伴不利荷載位置白。經(jīng)過后處理癌，可得到模型柏中間數(shù)個節(jié)點佰的撓度變化曲叭線，如圖5所骯示。UY-8UY-9UY-7UY-10UY-6UY-11UY-5半圖5 仰拱案棧橋20型吧鋼模型中間數(shù)啊個節(jié)點撓度時扳程曲線哎自圖5可知，礙有限元模型上稗第8號節(jié)點在疤車輛動載運行捌過程中撓度最擺大，達(dá)到了0拜.020m。氨仰拱型鋼有限澳元模型長為6矮m，共被劃分案為1

17、2個單元柏，1、2號節(jié)霸點被分配給起斑始點與結(jié)束點阿，起始位置為埃3號節(jié)點，這耙樣，8號節(jié)點襖就位于有限元拜模型的正中間百，為中間節(jié)點艾，即對本有限柏元計算而言，熬在動載運行過癌程中，有限元扒模型中間節(jié)點拔撓度最大。這耙與有關(guān)理論分翱析結(jié)果是一致把的，即跨中對絆動載的響應(yīng)最哀大。此跨中即板為整個仰拱棧叭橋中最不利荷叭載位置。盎汽車在仰拱棧半橋上通行時間皚約2.875拌s。上述各節(jié)把點撓度曲線均傲反映出在動載笆行走至2.0辦s時，有限元跋模型上節(jié)點或斑單元對動載達(dá)般到響應(yīng)最大。礙而對應(yīng)有限元岸計算過程可知捌，2.0s時翱為300KN懊汽車前輪行走瓣至第16載荷般步。即汽車前拔輪已離開仰拱佰棧橋，

18、其距仰奧拱后邊緣約2案.0m；而汽瓣車中后排輪剛扒好對稱分布于凹仰拱棧橋跨中哀位置，此時仰罷拱棧橋跨中撓耙度達(dá)到了最大礙，此位置即仰搬拱棧橋最不利巴位置。示意如艾圖6所示。半圖6 仰拱礙棧橋負(fù)300啊KN汽車動載霸時其最不利位安置示意圖斑根據(jù)此最不利瓣位置，應(yīng)用程壩度進(jìn)行后處理柏，可得到單根百20工字鋼啊在第16載荷稗步時的位移、隘應(yīng)力云圖，并澳得到相應(yīng)的量半大值。計算出翱的位移、應(yīng)力背云圖如圖7、按8所示。按圖7 最不拜利荷載位置仰骯拱型鋼位移圖扮 扮 圖昂8 最不利礙荷載位置仰拱埃型鋼應(yīng)力云圖阿自圖8、9可爸知，斯太爾自百卸汽車在仰拱盎棧橋上方行走哀，當(dāng)汽車中后翱排輪位于棧橋氨跨中兩側(cè)時，

19、背此時前輪已離白開棧橋約1.巴7m的距離，皚仰拱棧橋會達(dá)氨到最大位移及絆應(yīng)力響應(yīng)，最背大變位達(dá)到了翱20.015澳mm，單根捌20型鋼所受暗最大彎曲應(yīng)力癌達(dá)到了111氨MPa。盎同樣，應(yīng)用后啊處理程序，可稗得到單根2哎0工字鋼在第癌16載荷步時白的剪力、彎矩稗云圖，并得到扳相應(yīng)的量大值按。如圖9、1拔0所示。啊圖9 最不利捌荷載位置仰拱矮棧橋型鋼剪力扮云圖 埃 圖10百 最不利荷傲載位置仰拱棧柏橋型鋼彎矩云敗圖巴自圖9、10按可知，最不利稗荷載位置時，般其最大剪力達(dá)班到了1222暗1N，最大彎唉矩達(dá)到了26靶080NM吧。最大剪力位挨于兩側(cè)固定處斑，最大彎矩位班于跨中。壩（3）強度校鞍核罷由計

20、算結(jié)果知唉仰拱棧橋中單巴根20型鋼拜中最大彎曲應(yīng)稗力達(dá)到了11背1MPa，要俺小于20型昂鋼的容許正應(yīng)澳力=1百52 MPa俺，安全系數(shù)達(dá)擺到了1.34八。但是上面的按計算中沒有考版慮型鋼的自重柏，一般來說，板由梁的自重引辦起的最大正應(yīng)叭力不到6 M隘Pa，但相加胺時仍要小于胺20型鋼的容板許應(yīng)力。即隧敖道1標(biāo)如果僅版用8根20辦型鋼制作施工安用仰拱棧橋，昂其強度基本能盎保證工地上所斑用斯太爾（2捌50KN胺）絆自卸汽車通過罷要求，但富余佰量不大。唉（4）剛度校哎核隘在按強度條件安選擇了型鋼型皚號后，還需要阿對仰拱棧橋梁凹進(jìn)行剛度校核拜，也就是說要哎按梁的剛度條按件檢查梁的位藹移是否在設(shè)計吧容

21、許范圍之內(nèi)拜，因為梁的位扒移超過了規(guī)定柏的限度，其正案常工作條件就案得不到保證，爸特別是在大型八汽車通過時，絆如果撓度過大安，仰拱棧橋?qū)蛋l(fā)生較大的振壩動，或產(chǎn)生共哀振，使得仰拱拔棧橋的動力響扒應(yīng)度達(dá)到最大白，梁處于不安白全狀態(tài)。故有罷必要對梁的剛耙度進(jìn)行校核。襖在土建工程方阿面，對于梁的鞍撓度，其容許案值通常用容許板的撓度與梁跨癌長的比值f俺/L作為標(biāo)耙準(zhǔn)，該值一般斑在1/250斑1/100癌0范圍內(nèi)。扮若容許f/拔L為1/2扳50，則本仰瓣拱棧橋的容許礙撓度為0.0昂24m，上述哀計算表明仰拱唉棧橋最大撓度叭將達(dá)到了0.柏020m，要巴小于梁的容許斑撓度，即仰拱扒棧橋的剛度條叭件基本能滿足

22、邦要求，基本上皚能正常工作，澳但富余量不大罷。八綜上所述，如按果僅將2根板20型鋼全長岸雙面焊接成1唉組單片梁并間艾距約10cm爸，共4組組成般一單片仰拱棧熬橋（棧橋表面捌用5mm厚鋼吧板或22螺背紋鋼進(jìn)行橫向奧連結(jié)），則該巴仰拱棧橋的強骯度、剛度均只敖能基本上滿足奧棧橋通過斯太捌爾自卸車的要笆求，安全系數(shù)伴在1.3左右敖。基本上能滿襖足施工要求，罷但富余度不大凹。5結(jié)論挨通過以上計算白，可得出以下吧結(jié)論：般（1）上述計傲算中所進(jìn)行的骯簡化與實際情胺況均相差不大案，計算結(jié)果應(yīng)捌該是可信的，扒基本上與實際百情況相符。扒（2）上述計按算只是針對采般用最常見的工板字鋼制作最簡奧便的仰拱棧橋扒而言，即當(dāng)一耙次施工仰拱長叭度不大于6m白時，采用8片岸