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    預(yù)應(yīng)力在城市下穿隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

    2019-08-21 06:19:40傅家鯤鄧雪峰
    城市道橋與防洪 2019年8期
    關(guān)鍵詞:法向應(yīng)力軸力預(yù)應(yīng)力

    傅家鯤,鄧雪峰,李 敏

    (1.成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610023;2.成都建工第七建筑工程有限公司,四川 成都 610051)

    0 引言

    隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,居民私家車保有量不斷增長(zhǎng),城市交通擁堵狀況日益嚴(yán)重。原有道路網(wǎng)絡(luò)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足居民交通出行的需求,城市交通設(shè)施面臨巨大的壓力[1]。為緩解交通壓力,改善交通狀況,各地均對(duì)現(xiàn)有城市道路進(jìn)行擴(kuò)能改造。而道路交叉口是既有道路網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn),也是交通擁堵的重要瓶頸。

    為了解決路口節(jié)點(diǎn)交通的擁堵問題,同時(shí)盡量避免對(duì)城市景觀產(chǎn)生影響,城市下穿隧道建設(shè)的數(shù)量越來(lái)越多[2]。因此合理擬定下穿隧道的結(jié)構(gòu)形式,已成為工程方案設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

    本文以成都市日月大道(成溫路)快速路改造工程——文家路下穿隧道工程為例,介紹了預(yù)應(yīng)力在大斷面城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

    1 工程概況

    日月大道(成溫路)為成都市規(guī)劃的“三環(huán)十六射”快速路網(wǎng)中的重要射線道路之一,是中心城區(qū)至溫江衛(wèi)星城交通廊道的重要組成部分,定位為具有快速通行能力的城市主干道。文家路下穿隧道位于日月大道與文家路交叉口節(jié)點(diǎn),沿日月大道方向下穿文家路、蘇坡支渠河,呈西北-東南走向。下穿隧道按雙向8車道設(shè)計(jì),其中最內(nèi)側(cè)2個(gè)車道為公交專用道。

    2 下穿隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

    (1)道路等級(jí):城市主干道。

    (2)設(shè)計(jì)荷載:城 -A。

    (3)交通等級(jí):重型交通。

    (4)設(shè)計(jì)車速:60 km/h。

    (5)隧道凈空:不小于5.0 m。

    (6)地震加速度值為0.10g,抗震設(shè)防烈度為7度,特征周期0.45 s,設(shè)計(jì)地震分組為第3組。

    2.2 平面設(shè)計(jì)

    下穿隧道沿日月大道方向呈“S”形曲線,由圓曲線與緩和曲線組成[3]。下穿隧道全長(zhǎng)574.361 m,其中暗埋框架段長(zhǎng)215 m,兩側(cè)U型槽段共長(zhǎng)255 m,兩側(cè)擋墻段共長(zhǎng)104.361 m。

    2.3 縱斷面設(shè)計(jì)

    縱斷面設(shè)計(jì)中主要考慮滿足路口處暗埋段長(zhǎng)度、過路管線空間、車道凈空和盡量減小隧道坡長(zhǎng)等因素,工程采用了最大允許值5%[4]。由于需要穿越蘇坡支渠河,暗埋框架段最大覆土厚度為5.1 m。

    2.4 橫斷面設(shè)計(jì)

    根據(jù)交通規(guī)劃,隧道為雙向8車道,暗埋段采用單箱雙室框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)頂板、底板和側(cè)墻厚度均為120 cm,中墻厚度為60 cm,如圖1所示。

    3 結(jié)構(gòu)處理方式

    下穿隧道單孔跨徑大,最大埋深處頂板覆土較厚。為了減小頂板結(jié)構(gòu)的厚度,改善結(jié)構(gòu)受力,頂板采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。其余部分為了便于施工,均采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

    圖1 框架斷面(單位:cm)

    3.1 框架頂板預(yù)應(yīng)力布置

    頂板結(jié)構(gòu)按預(yù)應(yīng)力A類現(xiàn)澆構(gòu)件設(shè)計(jì),預(yù)應(yīng)力鋼束采用1860級(jí)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。為了使結(jié)構(gòu)應(yīng)力在施工階段和營(yíng)運(yùn)階段都滿足規(guī)范[5]要求,每個(gè)橫斷面布置了3束11?s15.2鋼絞線,沿隧道縱向每隔50 cm布置1組,如圖2所示。

    圖2 頂板預(yù)應(yīng)力鋼束布置斷面圖(單位:cm)

    3.2 框架頂板預(yù)應(yīng)力錨固端處理

    框架結(jié)構(gòu)位于地底下,易受到地下水和土的腐蝕,因此封錨端的防腐蝕處理尤為重要。

    為防止錨固端腐蝕,將錨固端混凝土保護(hù)層適當(dāng)加厚,并在封錨前采用液態(tài)阻銹劑涂刷錨頭,封錨后混凝土表面做防水加強(qiáng)處理。

    4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

    4.1 計(jì)算模型

    選取框架最大覆土厚度5.1 m處進(jìn)行計(jì)算,活載作用等效為1 m覆土的重量?;拥撞课挥诘孛嬉韵?3.35 m,基底位于中密卵石層上。地下水位在地面下2 m,整個(gè)框架結(jié)構(gòu)都受到水壓力的作用。預(yù)應(yīng)力在混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%時(shí)進(jìn)行張拉,張拉順序?yàn)镹1→N2→N3。

    計(jì)算模型采用梁?jiǎn)卧M(見圖3),縱向取隧道1 m長(zhǎng)度,橫向?qū)⒖蚣芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。

    圖3 Midas/Civil模型

    4.2 頂板計(jì)算結(jié)果

    頂板為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,應(yīng)進(jìn)行短暫狀況和持久狀況的應(yīng)力驗(yàn)算。

    4.2.1 短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算

    在頂板結(jié)構(gòu)施工過程中截面邊緣混凝土法向應(yīng)力如表1所示,表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力,應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

    表1 截面邊緣混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

    由表1可見,在整個(gè)施工過程中,混凝土截面最大壓應(yīng)力為16.86 MPa,無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn),滿足規(guī)范[5]要求。

    4.2.2 持久狀況使用階段的應(yīng)力驗(yàn)算

    按標(biāo)準(zhǔn)值組合,使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4、圖5所示,計(jì)算結(jié)果如表2所示。表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力,應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

    圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土上緣法向應(yīng)力

    圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土下緣法向應(yīng)力

    表2 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

    由表2可見,混凝土正截面最大壓應(yīng)力為15.30 MPa,小于規(guī)范[5]規(guī)定的 16.20 MPa,滿足要求。

    標(biāo)準(zhǔn)組合斜截面混凝土主壓應(yīng)力見圖6。

    由圖6可知,斜截面混凝土最大主壓應(yīng)力為15.30 MPa,小于規(guī)范[5]規(guī)定的 19.44 MPa,滿足要求。

    圖6 標(biāo)準(zhǔn)組合斜截面混凝土主壓應(yīng)力

    4.2.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面和斜截面抗裂驗(yàn)算

    按頻遇組合,使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向拉應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7、圖8所示,計(jì)算結(jié)果如表3所示。表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力,應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

    圖7 頻遇組合正截面混凝土上緣法向應(yīng)力

    圖8 頻遇組合正截面混凝土下緣法向應(yīng)力

    表3 頻遇組合正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

    由表3可見,混凝土正截面上下緣均受壓,無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn),滿足規(guī)范[5]要求。

    頻遇組合斜截面混凝土主拉應(yīng)力見圖9。

    圖9 頻遇組合斜截面混凝土主拉應(yīng)力

    由圖9可知,斜截面混凝土最大主拉應(yīng)力為0.35 MPa,小于規(guī)范[5]規(guī)定的 1.325 MPa,滿足要求。

    4.3 底板和側(cè)墻計(jì)算結(jié)果

    底板和側(cè)墻均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗(yàn)算。按頻遇組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)的影響,結(jié)構(gòu)彎矩、軸力如圖10、圖11所示,計(jì)算結(jié)果如表4所示。表4中同時(shí)列出了結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算值。

    圖10 頻遇組合混凝土彎矩圖

    圖11 頻遇組合混凝土軸力圖

    表4 混凝土裂縫驗(yàn)算表

    由表4可見,結(jié)構(gòu)裂縫寬度均小于0.2 mm,滿足規(guī)范[5]要求。其中受力較大處均配置了雙排鋼筋,鋼筋凈距按最小值30 mm且不小于鋼筋直徑進(jìn)行控制,以保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

    4.4 與普通鋼筋混凝土框架受力對(duì)比分析

    在結(jié)構(gòu)尺寸、受力狀況相同的條件下,將框架頂板改為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,并與框架頂板為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí)的內(nèi)力進(jìn)行比較。彎矩、軸力變化如表5、表6所示。

    表5 彎矩變化對(duì)比表

    表6 軸力變化對(duì)比表

    由表5、表6可見,當(dāng)頂板采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)后,整個(gè)框架結(jié)構(gòu)受力狀況得到了明顯改善。其中彎矩僅在底板和側(cè)墻的相交處增大,其余部位均為減小。軸力在頂板和底板處均大幅增加,側(cè)墻處軸力變化較小,軸力的增大對(duì)減小結(jié)構(gòu)裂縫有利。

    5 結(jié)語(yǔ)

    隨著城市交通流量的日益增大,城市道路的寬度越來(lái)越大。為不影響城市景觀,道路交叉口利用下穿隧道的情況越來(lái)越多,對(duì)大斷面城市下穿隧道的需求量日益增大。本文重點(diǎn)研究了大斷面城市下穿隧道的設(shè)計(jì)技巧和計(jì)算分析思路,并論證了預(yù)應(yīng)力在大斷面下穿隧道中使用的可行性和對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

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