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矿山沉陷区铁路桥加高工程中结构承载力验算
 
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文章来源:加固改造网   添加人:admin   添加时间:2016-10-18 15:43:03

1 工程概况

  随着地表下沉的发展,某矿铁路桥亦将逐步下沉。为确保铁路线的正常运行,框架结构在下沉过程中,框架体顶部将逐步填入煤矸石、道渣等填料; 达到预计下沉量后,框体顶部的填料厚度将增加近 6 m,框体承受的荷载与当初的设计荷载大不相同,框架结构的安全及稳定性等将受到严重的威胁。为此,需要对原箱涵结构进行验算。

  查阅资料和现场实测,桥梁箱涵高度 4. 5 m,在常水位下,已沉陷水中大半,但结构保持基本完好,桥梁结构现状依旧可以满足通车要求。根据矿方提供的资料,受采煤沉陷影响,预计铁路桥及其周边区域地表会产生 6 m 左右的沉陷。据此推算,在该桥完成约 6 m 的沉陷后,箱涵结构将完全沉入水下。为提高桥梁安全性,避免因开采沉陷和路基填高造成结构的破坏,需对结构进行验算。

  2 数值计算及分析( 箱体结构承载力校验)

  箱体结构承载力校验的思路是模拟箱体下沉过程,在现有箱体顶部逐渐增加一定厚度的煤矸石,采用数值模拟的方法计算箱体的内力,最后与箱体的承载能力进行对比[1]; 若数值模拟的内力值小于承载能力,则结构安全,反之则不安全,需要采取加固措施。因各个箱体顶部填筑煤矸石和道碴的高度不同,箱体承受的最不利荷载也不同。因此分别选取煤矸石和道碴的填筑高度为6 m 进行结构承载力的校验。

  2. 1 计算条件

  新建的框架,高度为4.5 m,宽度分别为4.9 m,5.82 m,6. 82 m和 4. 9 m,跨度均为6.96 m,顶底板厚度0.640 m,侧墙厚度0.68 m.沿桥跨方向布置 3 排、沿桥宽度方向布置 4 排。框架长度均为6. 96 m.每个框架纵、横向间距均为 0. 25 m.

  2. 2 荷载计算

  1) 箱涵顶板自重( 每延米) : 16 kN / m.

  2) 填筑煤矸石引起的竖向及水平力: a. 箱涵顶部竖向压力:169. 8 kN / m; b. 箱涵顶部及底部的水平压力: 顶部水平压力:42 kN / m; 底部水平压力: 73. 5 kN / m.

  3) 列车静活载在箱涵两侧引起的侧向土压力: 21 kN / m.

  4) 列车活载( 见图 1) .取每延米计算,列车活载施加在箱涵顶部的作用力为: 竖向压力: 19. 4 kN/m; 水平压力: 6. 79 kN/m.

  5) 箱涵荷载计算汇总( 见图 2) .
  
  2. 3 计算荷载及组合

  荷载组合①: 均布竖向荷载 269. 3 kN/m; 荷载组合②: 梯形分布侧向压力,上底 84 kN/m,下底 135. 9 kN/m; 荷载组合③:荷载组合① + 荷载组合②。

  2. 4 内力计算结果

  2. 5 上层箱体上部填筑 6 m 高煤矸石和道碴的数值分析

  为探索在已设计的上层框架上部填筑 6 m 高的煤矸石和道碴时框架桥结构的变化,拟运用数值软件 ANSYS 建上层框架模型[2],给其施加 6 m 高填料的竖向荷载和水平荷载。通过数值分析,得出上层结构在 6 m 覆土下竖向应力为0. 572 MPa,水平剪力为 0. 319 7 MPa,竖向应变为 0. 001 7 m.可见上层结构的变形几乎可以忽略不计,完全满足工程使用要求[3].

  由于地基在之前设计中已进行过处理,所以能够满足本次加高堆载设计,无需进行验算。

  2. 6 根据设计结构的资料对荷载验算

  通过查看验算设计过程,发现设计该桥上部结构时所加的竖向荷载为 269. 3 kN/m,梯形分布侧向压力,上底为 84 kN/m,下底为 135. 9 kN/m.而计算发现在桥面填筑 6 m 煤矸石和道碴时对桥所加的竖向荷载为 205. 2 kN/m,梯形分布侧向压力,上底为 69. 79 kN/m,下底为 73. 5 kN/m,小于结构所能承受的荷载。

  3 结语

  1) 当桥面填筑 6 m 高的煤矸石和道碴时满足框架结构所能承受的荷载,则填筑小于 6 m 高的煤矸石和道碴完全满足要求。

  2) 在框架结构上施加 6 m 高填料荷载情况下,得出的应力应变值和通常情况下钢筋混凝土所能承受的应力应变值作比较发现,6 m 高填料引起的结构变化远远小于钢筋混凝土结构可承受的变化。

  3) 由此得出结论,在上层桥面填筑 6 m 高的煤矸石和道碴的铁路对该桥的结构无任何影响。所以无需对框架结构进行加固。

  参考文献:
  [1] 王新敏。 ANSYS 工程结构数值分析[M]. 北京: 人民交通出版社,2007.
  [2] 谭志祥,刘润芳,邓喀中。 采动区建筑物移动变形及附加应力数值模拟研究[J]. 煤炭科学技术,2007,35( 3) :96-102.
  [3] 龚文惠,李 斌。 矿山地表框架结构建筑物的抗变形设计[J]. 山东科技大学学报( 自然科学版) ,2000,19( 4) :94-96.

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