車道布置對鐵路拱輔梁橋靜力影響研究

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1、車道布置對鐵路拱輔梁橋靜力影響研究  摘要:以廣元嘉陵江雙線特大橋為研究對象,對移動荷載的分析按照三種不同的車道布置方式,考慮沖擊系數(shù),分析梁和拱的受力特性,并進行比較分析。研究結果表明:移動荷載不同車道布置形式下,對連續(xù)梁的影響要遠大于對拱的影響。關鍵詞:移動荷載;沖擊系數(shù);車道布置鐵路運輸在我國有著舉足輕重的地位,甚至影響著國民經(jīng)濟的命脈。在早期,我國修的鐵路大都是單線,尤其是在河流、山谷地區(qū)更是如此,但隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,單線鐵路已不能滿足我國日益繁重的鐵路運輸。即使是跨越江川河流的鐵路橋梁,也需要雙線來滿足要求。單線鐵路橋在移動荷載的作用下是不會產(chǎn)生扭矩的,而雙線鐵路橋

2、在偏載的作用下會產(chǎn)生扭矩,就需要橋梁的橫向達到足夠的剛度,甚至需要在設計中用橫隔板來增強橋梁的橫向剛度。雖然在橋梁的設計過程中必然有移動荷載的受力分析,但目前還沒有專門的文獻對移動荷載不同的作用方式進行比較性的分析。因此,本文以蘭渝線廣元嘉陵江雙線特大橋為例,對移動荷載不同作用方式下橋梁的受力特性進行分析。1沖擊系數(shù)6工程概況詳見文獻[4]。在公路橋梁的新規(guī)范中,汽車荷載的沖擊系數(shù)已經(jīng)采用基頻來進行計算,但在鐵路橋梁的規(guī)范中,仍然采用與跨度L有關的動力系數(shù)的計算方法?!惰F路橋涵設計基本規(guī)范》中規(guī)定如下:列車豎向活載包括列車豎向動力作用,該列車豎向活載等于豎向靜活載乘以動力系數(shù)(1+

3、μ),其動力系數(shù)應按下列公式計算:鋼筋混凝土、混凝土、石砌的橋跨結構及涵洞、鋼架橋,其頂上填土厚度h≥1m(從軌底算起)時,不計列車豎向動力作用。當h,式中L以m計,除承受局部活載桿件為影響線加載長度外,其余均為橋梁跨度。因此,該橋中h取值為0.5m,跨度取最大跨度172m,計算動力系數(shù)1+μ=1.059。2移動荷載不同的作用方式研究2.1有限元計算模型介紹本橋采用MidasCivil2010進行模擬,在計算移動荷載的作用時,以成橋狀態(tài)作為初始狀態(tài),按照不同的車道布載方式建立模型,以此得到移動荷載不同方式作用下橋梁的受力狀況。6模型對單元的處理上,連續(xù)梁及拱肋弦管、弦管內混凝土均采

4、用梁單元進行模擬,拱肋綴板及板內混凝土采用板單元進行模擬。拱肋弦管和弦管內混凝土是雙單元模式。吊桿采用的是只受拉桁架單元。該模型共有411個節(jié)點,744個單元,其中梁單元574個,板單元132個,只受拉單元38個。2.2車道布置方案移動荷載的計算方法有兩種:一種是靜荷載乘以沖擊系數(shù)的方法,實際是考慮了移動荷載的動力作用,對靜荷載進行放大,歸根結底,計算過程還是按靜力進行計算;一種是按移動荷載實際的動力效應進行計算。本文采用的是第一種方法。模型中對連續(xù)梁用桿系梁單元進行模擬,因此在進行移動荷載的計算時用MidasCivil中的車道荷載進行模擬。雙線橋最多只有兩個車道,這樣就會有三種不

5、同的車道布置方案。方案1中,車道是偏載布置,將會使橋和拱產(chǎn)生扭矩;而方案2和方案3,都不會使梁拱組合體系產(chǎn)生扭矩的作用,方案3為雙車道,意味著是方案1和方案2兩倍的移動荷載布置。3不同車道布置形式下的受力分析3.1梁、拱扭矩分析按照上面的方案,在模擬的桿系梁單元上建立不同的車道,就可以得到移動荷載不同加載方式下梁、拱產(chǎn)生的扭矩情況,即可對三種方案下的扭矩大小進行比較性分析。6對表1中方案1和方案2的數(shù)值進行比較可以發(fā)現(xiàn),偏載會使梁體產(chǎn)生比較大的扭矩,這就要求梁體的橫向要有足夠的剛度;再對方案1不同位置的扭矩值進行比較,可以發(fā)現(xiàn)在墩部的扭矩值比其他部位要大,尤其是中跨墩部達到全橋的最

6、大值;表2顯示移動荷載對拱肋產(chǎn)生的扭矩值很小,基本可以忽略不計,從這個方面也可以看出,兩榀拱肋的橫向聯(lián)系主要是為了維持拱肋不平衡施工及風力等橫向力作用下的橫向穩(wěn)定性。3.2梁、拱彎矩分析連續(xù)梁分析截面為邊跨跨中、中跨墩頂、中跨1/4截面、中跨跨中;鋼管拱分析截面為拱腳、1/4截面、拱頂。表3和表4,可以發(fā)現(xiàn)移動荷載對連續(xù)梁產(chǎn)生較大的彎矩,而對拱產(chǎn)生的彎矩較小,這是因為拱的受力主要是由吊桿將梁體的影響傳遞給拱,而吊桿是對稱布置。3.3梁、拱位移變化情況在求解移動荷載的作用效果時,就是以成橋狀態(tài)梁和拱的位移作為初始狀態(tài),以移動荷載后的狀態(tài)作為結束狀態(tài)。通過對表5和表6相同方案、相同位置

7、的位移變化量進行比較發(fā)現(xiàn),連續(xù)梁的位移變化量比相同位置拱肋的變化值要大,通過方案3放大之后,中跨跨中和拱頂相差1.2cm,這就會對吊桿的受力產(chǎn)生影響;表6中各方案上下游1/4截面數(shù)值相差不大,且看不出規(guī)律,說明偏載使兩榀拱肋產(chǎn)生的位移基本相同。63.4吊桿受力變化情況由于梁、拱剛度的不同,在經(jīng)過相同的移動荷載時,梁和拱的位移就會發(fā)生不同步的現(xiàn)象,以此對吊桿的伸長量產(chǎn)生影響,也就是吊桿的內力發(fā)生了變化。吊桿內力變化最大值均在中跨跨中,從方案2可以看出,偏載會使移動荷載作

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