隧道简易栈桥midas设计校验

隧道简易栈桥midas设计校验

摘要：随着隧道施工新规范的要求：隧道仰拱的浇筑要一次成型，避免分部灌筑。全幅的仰拱施工能提高结构的耐久性，改善受力状态，对于底板为软岩大变形或者其他地质灾害地段，这一条是非常必要的。因隧道施工车辆行驶的干扰，所以需要架设仰拱栈桥来保证各工序的有序进行。本文通过对I36b工钢制造12m 长的片式栈桥进行midas的数值模拟计算，校验是否满足通车要求，保证隧道施工的安全，对同类仰拱栈桥的设计计算有一定的借鉴意义。

关键词：仰拱栈桥；midas civil建模；梁单元；内力

1.概述

目前国内隧道施工中自制的仰拱栈桥已是一项成熟的经验，且大多是跨度小、载重轻、结构形式简单的片式仰拱栈桥。该栈桥结构合理、移动方便，把掘进、初期支护和衬砌施工流水线连成一体，实现掘进、初期支护与二次衬砌等多个施工工序的平行流水作业。结合在我隧道实际施工的需要，拟制作简易片式仰拱栈桥：仰拱栈桥由两片梁板组成，每片梁板由4根I36b工字钢焊接而成，工钢长度为12m，间距分别为35cm，20cm，35cm，所以单片梁板的宽度为90+13.8cm=103.8，以保证车辆轮胎行驶宽度。为避免栈桥在集中汽车荷载作用下局部失稳，间隔1.0m设置横向连系梁，采用HW175型钢。同时工钢顶部用φ22螺纹钢筋连成整体，纵向间距10cm，以提高栈桥结构的平面内、外强度和刚度。纵向两端做成1m长坡道方便车辆通行。两幅栈桥横向间距根据车轮轮距布置，保证车轮压在栈桥中部，见图1.

图1 栈桥简图

2.栈桥的设计计算

2.1 栈桥通行车辆

通过仰拱的主要施工机械为红岩金刚自卸汽车、ZLC50装载机、PC220挖掘机、混凝土运输车等，其自重、宽度等参数见表1。

表1 主要施工机械车辆参数表

设备名称空载重量

（t）重载重量

（t）行走宽度（mm）轮胎宽度（cm）轮距净宽（mm）

ZLC50装载机22 25 2950 64.5 1560

红岩金刚汽车12.5 30 2500 28.32 1860

PC220挖掘机21.7 23 2880 500 1800

砼运输车13.35 25 2498 28.32 1860

通过表 1 可知，本计算应以运碴时通过的红岩金刚自卸汽车作为仰拱栈桥验算荷载，为了安全，计算以40t的公路大型自卸汽车为验算荷载，且计算时仰拱栈桥只承载一辆40t的汽车。40t的汽车技术参数见表2[1]。

表240t汽车技术参数

总重（KN）前轴重（KN）后轴重（KN）轴距（m）轮距（m）

400 80 320 4+1.4 1.8

2.2栈桥荷载分析确定[2]

根据受力情况可知，汽车作用在栈桥上的荷载，可视为集中荷载。且最不利荷载的位置是第一个后轮位于轨梁中间时，前后轮的间距为 4.0m，两个后轮的间距为1.4m。前轮重4t，后两轮分别重8t的荷载作用在单片梁上，其长度为10m，其受力简图见图2。

图2 受力简图

2.3栈桥midas建模

本次计算主要是考虑栈桥的变形和应力分析，因此建模时要注意构件截面形状的准确性。采用midas civil有限元程序，纵梁、横向连系梁均为梁单元，考虑纵横连系梁之间的受力协同作用[3]。

（1）选取材料为钢材-GB（S）-Grade3,为I36b工钢及HW175型钢材质，选取GB03（S）-Q345，为φ22钢筋材质，各截面的选择均采用数据库数据，建立主梁为I36b工钢，横梁为HW175型钢，主梁顶面为φ22螺纹钢，模型建立见图3。

图3 模型建立

（2）边界条件为I36b工钢主梁两端简支见图4：

图4 边界条件

（3）荷载加载：根据最不利位置荷载施加梁单元集中荷载见图3：

根据受力简图施加荷载，再结合汽车轮胎实际作用的位置确定前轮作用为梁单元集中荷载-40KN，第一后轮为中间主梁梁端节点集中荷载分别为-40KN，第二后轮为梁单元集中荷载作用在中间I36b工钢主梁上分别为-40KN。见图5

考虑后期栈桥上会存有混凝土块、碴石及后期加焊钢板等因素，导致重量的增加，故考虑取自重系数1.1，可满足结构要求。

图5 加载条件

2.4 栈桥midas结构分析结果

（1）梁单元强度校验

应用midas civil分析计算结果，可直接得出梁单元正应力图（见图6）：

图6 正应力结果

容易得出，梁单元最大正应力为：112.8MPa < [σ]=215 MPa.

工钢材料为Q235，其抗拉强度为215MPa，安全系数为1.9，符合使用要求。

（2）梁单元剪应力校核

计算梁单元剪应力时，最不利位置荷载施加应重新变换，再结合汽车轮胎实际作用的位置确定前轮作用为梁单元集中荷载分别-20KN，第一后轮为主梁梁单元集中荷载分别为-40KN，第二后轮为主梁梁端节点集中荷载作用在I36b工钢主梁端头上分别为-40KN。

模型步骤不再详述，建模施加荷载建模（见图7）：

图7 建模2加载

应用midas civil分析计算结果，可直接得出梁单元剪应力图（见图8）：

图8 剪应力计算结果

容易得出，梁单元最大剪应力为：10MPa < [σ]=120 MPa.

工钢材料为Q235，其抗拉强度为120MPa，安全系数为12，符合使用要求。

（3）梁单元刚度校核

运用第一个计算模型，可得到位移等值线（见图9）：

图9 位移等值线结果

容易得出，梁单元最大位移值：28.64mm

一般简支梁结构允许挠度，对挠度要求高的结构[4]，[f]=[L/400]=10/400=25mm;

对挠度要求小的结构，[f]=[L/250]=10/250=40mm;

所以，栈桥最大挠度值[f]稍大于要求较高挠度允许值，但考虑到栈桥为临时结构物，且最大挠度值远小于要求较小的结构挠度值，此栈桥结构可用。

3 总结