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高海拔峡谷地带高墩桥梁选型研究

时间:2018-03-18 10:34来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、
本文是建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、基础以及能够形成内部空间,满足人们生产、居住、学习、公共活动需要的工程。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景
随着我国西部大开发战略的开展实施,西北部地区的公路建设正如火如荼的开展着。因为西部地形多为山区,在此地区修建公路时,常常会因为地形条件的限制而影响路线走向,如大量的河流、峡谷等,所以高墩桥梁在山区公路、铁路建设中可以充分发挥其适应能力强的优点,但这种高墩桥梁也存在受力复杂、施工状态多变等特点,在如今的桥梁设计中,逐渐受到人们越来越多的重视[1]。桥梁墩台做为桥梁的关键部位,它不仅需要承受上部结构荷载,还需要将它所受到的荷载传给基础[2]。桥墩是指设置在多跨桥梁中间的支撑物,桥墩的主要作用是支撑传递着相邻两跨上部构造产生的竖向力和水平力,部分跨河桥的桥墩还需承受流水压力、可能发生的漂流物的撞击力以及冰荷载,除了要求具备足够的强度外,还要考虑风荷载、不对称的施工荷载以及温差引起的墩身变形等不利因素对桥梁稳定性的影响[3]。同时,桥墩结构还应该具备足够的稳定性,以保证桥梁的安全性、耐久性和正常使用。诸多事实表明:桥梁下部结构设计的合理性和施工质量的好坏,往往是控制整座桥梁质量的关键所在。桥梁事故的发生,又往往是由于桥梁墩台受到损坏(变形过大、失稳)所致。桥墩是桥梁的主要受力部件,桥梁能否安全的使用与桥墩结构的型式有着密切的联系。西北地区有其独特地域特征,尤其是以青海省为代表的海拔超过 3000m 的地区,该地区高寒、缺氧、干旱、多风且风力大,在此修建高墩桥梁将面临众多难题。因受高寒气候的影响,每年的可用施工工期短,对于现浇混凝土施工的桥梁而言,施工周期的增加意味着混凝土之间的龄期差距过大,极易造成后浇段的混凝土开裂,对结构产生不利的影响[4];同时在高寒地区,由于极端低温伴随冰雪较多,为保证行车安全而采用除冰盐。在这种环境条件下,对于桥梁的耐久性有严重的影响,尤其对于钢制桥梁,不仅需要特殊的耐低温钢材,而且融雪剂等化学制品的使用会造成严重的腐蚀,产生安全隐患。同时,在深沟峡谷地区通常风力都比较大,随着墩高的增加,高墩桥梁的顶部风速会较墩底增加很多,由于高墩桥梁高轻柔的特性,风荷载对其影响很显著,对于结构的破坏力也很大[5],墩身自重、上部结构支反力、水平推力、局部温差尤其是强风荷载作用,对于高柔性墩的修建以及运营期间的稳定性都有着重要影响,尤其是大跨斜拉桥、悬索桥等缆索承重结构,在受到强风作用下的风振效应更加突出,所以桥梁设计工作者在进行桥梁设计时,必须多方面考虑桥梁的稳定性[6]。
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1.2 高墩桥梁应用现状
虽然目前已经建造了很多大跨度桥梁,但是跨径会受到经济技术条件的限制,有时选择大跨径桥梁,并不一定合适,为了使桥型更为经济合理,可以采用高桥墩。常规来说,桥墩高度是指基础顶面至墩顶的距离,高墩高度一般超过 40m。襄渝铁路紫阳汉江大桥3号桥墩高度为72.4m,是七十年代之前建成的最高空心墩;建成于 1984 年的白水河 1 号桥,最高的桥墩高 75m;海子沟大桥最高墩高 81m[7]。在我国早期的桥梁建设历程中,桥梁设计的一个重点研究问题就是高墩,常规桥墩的设计一般考虑的外力只有纵横两方向,但是桥墩高度超过三十米后,墩身设计中的控制性因素便成了墩顶位移和稳定性。上世纪期间虽然建成了各类不同型式的高墩,但从安全性和施工技术角度出发,一般多采用钢筋混凝土简支梁作为桥梁的上部构造,桥墩多为重力式桥墩。我国在六十年代中期也建造了一些空心墩,这种型式桥墩的出现,显现出了巨大的优越性,空心墩伴随着施工技术的快速进步得到了广泛应用,经过一系列的理论研究、模拟试验、工程反馈,验证了可以通过采用空心墩实现桥墩的轻量化,能够适应高桥墩的建设需要。七十年代后期以前,混凝土高墩不仅需要在墩壁表面加设构造钢筋,另外还需要设置横隔板或者中隔板,随着建造技术的发展,如今均采用较薄的钢筋混凝土建造,一般只在内外各设置一层钢筋,而不再设置隔板,这种做法不但便于施工,也能够进一步降低工程造价[8]。进入九十年代后期,随着国家不断加大基础建设的力度,西部地区的建设的桥梁数量也越来越多,其中高墩桥梁占了很大比例,随着施工技术的不断发展,先后又出现了爬模和翻模等建造技术。经过半个多世纪的技术积累和工程实例的经验总结,我国在高桥墩的设计和施工方面已经取得了大量具有相当高水平的成果。表1.1是国内桥墩高度超过100m的桥梁。
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第二章 高海拔地区常用桥型分析
 
高海拔地区高速公路上的特殊大桥,通常是整条高速公路中的控制性工程。以青海省为代表的我国高海拔地区高速公路的主要特点是地形和地质复杂,以 V形谷和 U 形谷为主,存在很多深度很深的沟谷,一般能达到几十米甚至上百米。这类地区通常不受水文条件的影响,但是受地形条件和气候条件的影响很大,滑坡、崩塌、地震、岩溶等不良地质条件很多。桥梁结构型式的选取和建设地区环境因素密不可分。环境因素包括自然环境因素、社会环境因素和经济环境因素。自然环境因素包括地形地貌、水文、气候和自然灾害等。社会因素包括桥梁建设者的建设水平和设计者的设计水平、建筑材料发展水平、桥梁维护及加固维修技术、社会文化背景、特殊桥梁建设要求等。经济环境因素包括社会经济发展水平、经济政策、桥梁建设资金状况等。我们可以将这些环境条件分为决定性条件、约束性条件和参考条件。首先根据环境决定性条件以及各种桥型本身对于环境及建设条件的不同要求,选择合理可用的桥型;其次根据环境约束性条件,对初选桥型方案进行再次筛选,选取优化可用桥型;最后根据环境影响,对优化可用桥型进行影响分析,选取适用桥型。
 
2.1 环境特征分析及桥梁设计理念
强风对桥梁结构的影响主要体现在三个方面。首先桥梁结构的混凝土通常外露,强风的作用会对桥梁的混凝土保护层产生剥蚀作用,导致保护层厚度减小甚至剥落,加速结构内部钢筋锈蚀。其次,强风还会加速混凝土的碳化,进而导致其靠近混凝土表面的钢筋提前发生锈蚀。混凝土碳化深度的检测结果表明,直接受风面的碳化深度是间接受风面的 1.15 倍。最后,强风对于大跨度桥梁,特别是斜拉桥及悬索桥等桥型存在严重威胁。在强风条件下,桥梁结构会产生风致振动,导致构件失效,严重的会致使桥梁结构整体失效倒塌,因此,在强风区桥梁形式和构造应该满足抗风的条件。一般而言,梁桥、拱桥的整体刚度相对于缆索承重桥梁的刚度较大,桥梁上部结构刚度越大,桥梁整体的抗风性能越好[17]。高寒地区特殊环境条件下的公路工程建设是一个综合的政治、经济和技术任务,不仅仅需要技术层面的指导,更需要以一套科学合理的观念体系来协调处理、统筹兼顾各方面影响因素,用宏观层面的设计理念和方法统领工程设计、施工和运营的整个过程[18]。然而从前文的论述不难看出,目前针对高海拔寒冷地区公路设计理念和方法的研究甚少,尽管我国已经在借鉴国外先进设计理念的基础上,结合实际国情提出了与特定时代背景、社会背景相适应的设计理念,但是我国地域广阔,区域自然环境和社会环境差别很大,公路建设受到的制约因素也各不相同,这些理念往往很难考虑各地区的差异性,缺少对地区特色、地域特征的反映。由此看来,目前高海拔寒冷地区公路桥梁设计理念还有待进一步完善。
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2.2 高海拔地区桥梁结构型式的选择
当 V 形沟谷较深时,应根据地形、地质、水文、地震烈度、桥梁高跨比、桥梁平面线形等选择适合的桥型。如梁式桥(T 形梁桥、I 形组合梁桥、小箱梁桥、连续梁桥、连续刚构桥等)、拱式桥(钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥等)、悬索体系(斜拉桥、吊桥、吊拉组合体系桥等)结构型式[19]。具体采用何种桥型,首先要满足地形要求、保护自然环境、合理设置桥墩、桥台的位置,避免不合理布孔造成对自然地形地貌的破坏。其次应根据地质条件、技术难度、材料的特性、施工技术水平的发展状况、施工单位的实际能力等各种影响方案设计的因素,进行综合比较分析,推荐出一个结构安全、可靠、行车舒适、经济性较好、施工和养护方便且与自然环境协调一致的最佳方案,使桥梁工程费用控制在较为合理的范围内。
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第三章 高墩桥梁结构稳定性分析.......18
3.1 空间有限元梁格理论.....18
3.1.1 梁格理论简介......18
3.1.2 梁格法建模要点...........19
3.1.3 梁格法建模注意事项............20
3.2 结构稳定理论........20
3.2.1 结构稳定性的概念.......20
3.2.2 受压杆件稳定性的理论分析及求解方法.......21
3.2.3 非线性稳定分析的有限元计算.....33
3.3 高墩结构稳定性分析.....35
3.4 本章小结.......50
第四章 桥梁受力性能及自振特性分析........52
4.1 T 梁连续刚构桥特点.......52
4.2 不同结构受力性能分析..........53
4.3 不同结构自振特性分析..........61
4.4 本章小结.......65
第五章 结论与展望....66
5.1 结论......66
5.2 展望......66
 
第四章 桥梁受力性能及自振特性分析
 
预制拼装结构在山区高速公路的桥梁中广泛应用,在山区修建桥梁,因为相对高差较大、路线起伏明显,为了避免工程造价过高以及深挖、高填方对环境的破坏,坡桥和弯桥经常被应用。但是,弯桥和坡桥在后期使用过程中,经常出现“爬移”的破坏,尤其是坡度较大的桥梁,在桥梁出现爬移现象后,会对标高相对较低处的伸缩缝产生挤压破坏,为避免爬移现象对桥梁产生的不利影响,可采用墩梁固结的方式来处理连续梁。墩梁固结是将桥梁中墩高较高、刚度相差不大的几个桥墩与主梁固结起来,形成刚构体系,利用墩自身的柔性适应上部结构的变形,利用刚构抵抗车辆制动力[39]。从结构型式上进行对比可知,相比于连续梁结构,采用墩梁固的型式可以有效的抵抗下滑力,但墩梁固结后,桥梁的上部结构和下部结构的内力会发生不同程度的改变[40],内力的具体变化情况下文将进行对比分析。
 
4.1 T 梁连续刚构桥特点
桥梁在墩梁固结后,结构体系发生了改变,变成了刚构体系,因此受力特性也和连续梁体系产生了区别。连续刚构桥需要承担各种作用下的水平力,墩梁固结后对桥墩产生的水平力包括:收缩徐变、整体温变和制动力等作用。另外,此处所指的墩梁固结,不同于悬臂施工连续刚构桥梁,T 梁桥的墩梁固结是在上部结构施工完成后进行的,所以在进行墩梁固结施工前,主梁的恒载受力状况和连续梁一样,而后期两者的最大的区别体现在收缩徐变、整体温变等作用下,墩梁固结的桥墩在水平力方面需要额外承担的更多。先将可能对桥墩产生作用的水平力归纳总结如下:(1)上构作用在桥墩上的水平力。为了考虑高速公路上的行车条件,桥梁在受到地形条件、路线线形的限制时,桥上纵坡可设计成大于 4%。在梁体受到恒载作用时,仅需要承担竖向力,即使支座是斜向放置的,在不受其它外力的情况下,梁桥的上部恒载在桥墩上也不会有水平力产生。可是一旦主梁与桥墩之间变成了固结,T 梁的收缩徐变会使桥墩产生水平位移,对桥墩的受力有着不利的影响[44]。(2)因温度变化在墩顶产生的水平力。T 梁的长度和桥墩的高度在受到温度变化后都会产生一定的变形。如果采用墩梁固结,就会对主梁的变形产生一定的约束,从而限制了桥墩墩顶的竖向和水平位移。在弹性假定理论下,桥墩墩顶水平位移产生的水平力是线性的,和桥面坡度无关。(3)制动力效应引起的桥墩受力。当车辆在有坡度的桥梁上行驶时,车辆制动力的方向与桥梁坡度方向一致,考虑到纵坡对制动力的影响,可以将其分解成水平力和竖直方向的力,然后由各个桥墩根据刚度分担。综上所述,墩梁固结会使得桥墩额外承受更多的水平力,这些水平力可能会对桥墩产生不利影响,导致在设计时需要对柱径进行加大或增加配筋。本文将通过建立桥梁梁格模型,对这种先简支后连续装配式 T 梁桥的墩梁固结型式进行研究,以此来对比分析墩梁固结对上下部结构的影响,研究不同连接方式下装配式 T梁桥的静力性能。
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结论
 
本文以卧龙沟 4 号大桥为研究背景,介绍了高海拔地区桥梁建设的特点,结合高海拔地区高速公路桥梁的特点,列举了几种常见桥梁的选型方案,并分析各自的特点;同时分析了桥墩截面型式和高度对桥梁结构稳定性的影响,以及不同施工阶段桥墩稳定性的差异,分析了墩梁连接形式对桥梁整体稳定性的影响;讨论了不同墩梁连接型式对桥梁结构受力性能的影响;最后分析了不同桥梁结构型式自振特性的差异。主要结论如下:
(1)在高海拔地区采用预制 T 梁桥能够更好的适应该地区桥梁建设的需求。
(2)随着墩高的增加,结构的稳定性逐渐降低;在相同墩高情况下各种截面的桥墩的稳定系数相差很大,从小到大依次为圆形双柱式墩、矩形实心墩和矩形薄壁空心墩;验证了高墩桥梁在完成两端 T 梁架设后的稳定安全系数最低。
(3)在自重荷载作用下连续体系和刚构体系两种桥型的主梁内力趋势基本相同;温度荷载对连续梁体系的结构内力影响很小,风荷载会导致主梁内力急剧增大,对结构的安全性会产生不利影响;温度荷载和风荷载对连续刚构体系的结构内力影响很小,结构受力状态更加稳定;验证了墩梁固结对于高墩的稳定性提升有着积极的作用,对于改善受力性能也有着良好的效果,更能突出装配式 T 梁连续刚构桥刚度大、稳定系数高的优点。
(4)桥墩截面型式一样时,连续刚构桥的一阶自振频率要大于连续梁桥的一阶自振频率;对于刚构体系桥梁,当桥墩采用矩形薄壁空心墩时,所对应的桥梁结构自振频率大于采用矩形实心墩的结构自振频率。
(5)通过对不同结构型式进行环境适应性、施工可行性、结构稳定性、受力性能和结构自振特性分析,验证了将矩形薄壁空心墩和预制 T 梁进行墩梁固结能更好的满足高海拔峡谷地带的建设需求。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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