（森林工程专业论文）地铁车站交通疏解钢便桥应用及数值分析研究.pdf

摘要 本文以在建南京地铁二号线一期工程新街口车站施工期地面交通疏解所采用的钢便 桥为工程背景。文章首先对地铁车站施工期现有地面交通疏解方案进行了比选，在此基础 上采用三维有限元软件a n s y s 对所用钢桁架进行了结构计算，分析表明所采用的钢桁架合 理可靠，满足设计要求； 其次，采用a n s y s 进行数值模拟研究。研究发现：a 、随横梁间距d 增大，由汽车荷 载引起的钢桁架最大挠度、弦杆最大轴向力、斜杆最大轴向力以及最大支座反力均近似呈 线性函数增大；b 、横梁间应逐桁设置剪刀撑支撑以提高结构的整体受力性能；c 、随横梁 跨径三增大，由汽车荷载引起的钢桁架最大挠度近似呈线性函数增大，而钢桁架弦杆最大 轴向力、斜杆最大轴向力以及最大支座反力均基本保持不变；d 、横梁最大使用间距d m 。 由抗剪方面要求控制，而横梁最大使用跨径k 。，则由容许挠度方面要求控制。在城一b 级 汽车荷载作用下，对于横梁跨径2 4 的钢桁架上 m 。应不大于1 - 9 0 m ，而对于横梁间距0 9 m 的钢桁架厶。，应不大于4 8 8 m ； 最后，对所采用的钢桁架承载试验、施工工艺以及现场监测进行了详细研究。 通过以上研究表明该种钢桁架结构具有良好的工作性能以及足够的安全性，可以作为 一种新型临时路面系统在地铁车站施工中推广使用。 关键词：地铁车站施工、交通疏解、钢便桥、有限元分析、挠度、应力、监测 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的 成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：刹、带皂历年多月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构迭交论文的复印件和电子版( 中国科学技术信息研究所；国家 图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合为学校的科技成果，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密酣 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： d 洋6 月巧日 懈多月，l 日 致谢 本文是在恩师杨平教授的精心指导下完成的。论文从选题、资料的搜集整理、关键问 题的解决以及论文的撰写，都倾注着恩师的心血。在南京林业大学的七年求学期间，恩师 严谨的治学态度、渊博的知识水平、对学术前瞻性的准确把握以及无私奉献的精神，深深 的感染着我，恩师是我终生学习的榜样，在此，学生真诚地向恩师致以崇高的敬意和衷心 的感谢! 感谢七年之间教育我、帮助我的土木院老师们，尤其是赵尘老师、王元纲老师、李国 芬老师、郑晓燕老师、邵光辉老师、郑加柱老师、张婷老师、魏浩翰老师、陈健老师等在 生活和学习中给予我的许多教导和帮助，在此深表谢意! 感谢解放军总装备部工程兵科研二所的徐关尧教授、研究生院的李照众、严建伟等同 学对我课题的热心指导和帮助! 感谢陈争、束必清、李淑萍、杜平、司翔宇、沈亚、胡俊等同学在生活、学习中给予 我的关心、帮助和鼓励，祝愿我们的友谊天长地久，也祝你们学有所成，永远幸福! 感谢远在家乡的父母与亲人们，感谢我的朋友沈朗，是你们对我一贯的支持和鼓励， 我才得以走到今天，明天我将继续带着你们对我的希望去奋斗! 感谢给我评阅、指导论文和参加答辩的各位专家，衷心地谢谢你们! 作者：孙洪岩 2 0 0 8 年3 月 1 1 课题研究的背景及意义 1 绪论 当前许多大城市存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题，为缓解或从根本上解决人口 增长对城市环境的压力和威胁，修建地铁是一个行之有效的方法，然而地铁工程规模浩大， 工程环境复杂，结合工程其它公用设施和沿线地铁的物业开发，使城市市区交通情况恶化， 对已经拥挤的城市交通产生了严重的负面影响。如何做好地铁施工期间交通疏解工作，处 理好地铁施工与道路交通的矛盾，确保地铁建设的顺利进行，同时把地铁建设对城市交通 的影响程度减少到最低，是地铁建设必须研究的一个重要课题n 1 。 世界上修建地铁车站通用的施工方法有明挖法、暗挖法以及盖挖法，而地铁车站施工 方法决定了施工时间、施工围挡范围和施工费用，同时也决定了对现有地面交通的影响程 度。国内地铁车站的施工方法中，具有施工作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、 工程造价低等优点的明挖法仍居优势，在地面交通和环境允许的条件下通常采用明挖法， 但是明挖法对市政交通和商业的干扰大、污染环境且影响周期长。随着城市的发展，地面 高层建筑越来越多，繁忙的地面交通和对环境的要求使得人们必须放弃明挖法。暗挖法虽 对地面交通基本上没有影响，但从已建地铁的工程实践上看，其很难从根本上解决防渗漏 水问题，而且施工工艺复杂，施工安全及工程进度难以控制，造价高昂。而盖挖法既保留 了明挖车站功能方面的长处和工期、造价方面的优势，同时又兼有暗挖车站施工受外界影 响小、对地面交通干扰少的优点，盖挖法已经成为在交通繁忙的城市中心区修建地铁浅埋 车站的一种行之有效的方法。车站盖挖法施工的关键技术之一是建造一个稳固的临时路面 系统( 或称为临时桥面系统) 晗1 。 因此本课题的研究具有如下几点重要意义： ( 1 ) 在地铁车站盖挖法施工中采用钢便桥可以充分发挥储备器材的使用价值，在短 时间内解决交通运输的保障问题，通过对大跨径“3 2 1 钢便桥的应用研究，为国内以后 地铁站施工期地面交通疏解临时路面系统的选择提供借鉴；( 2 ) 运用有限元软件a n s y s 对大跨径钢便桥受力性能进行数值模拟研究，从而为钢便桥的设计、施工、监测提供依据， 并对钢便桥的正常使用起预测、保护作用；( 3 ) 通过对大跨径钢便桥的静载试验数据和钢 便桥现场监测数据以及有限元数值模拟计算所得结果的综合分析得出一些重要结论，对大 跨径钢便桥设计、施工提出优化建议，为今后地铁车站盖挖法施工大跨径钢便桥临时路面 系统的设计、施工提供参考。 1 2 地铁施工期交通疏解研究现状 交通疏解是指因某种需要，人为地改变原有的交通状况，包括车辆、行人的通行路线、 方向、流量等因素，并对其进行重新的组织，达到使车辆、行人得到及时疏导、交通畅通 的目的口3 。地铁施工交通疏解工程是系统性工程，由于多个施工点同时开工，交通影响面 较大，范围较广，因此，交通疏解首先要从宏观上进行总体影响分析及评估，才能有效指 4 导具体的交通疏解工作。在地铁施工期间交通总体影响评估的基础上，为减轻施工对城市 交通的影响程度，可以从地铁施工工艺、道路网络优化完善、交通组织调整、交通政策、 交通管理、相应的工程措施等方面提出交通疏解对策，制定交通疏解方案。 在世界范围内，一直以来，地铁施工并没有进行相应的交通影响分析，以至于地铁施 工期被称为“城市交通的黑暗期”。直到二十世纪6 0 年代后，各国相继建立了针对大型工 程项目建设的环境法案，而交通影响分析是环境影响评价中的一个重要方面h 钉哺1 。如 美国曾对曼哈林顿东部的第二街区地铁工程进行了广泛、细致的交通影响评价工作，按影 响范围和影响程度划分为“点、“线”、“网”三个层次，从技术上讲，主要是指施工占道 对交通的影响、施工范围内拆迁交通设施对交通的影响、施工方法对交通的影响、施工管 理对交通的影响及其它施工组织方面对交通的影响等，在对可能的交通影响分析和评估的 基础上针对可能的交通影响作出了科学合理的交通疏解方案。国内相关城市如北京、上海、 广州等城市在进行地铁施工交通疏解时，主要是一些交通管制措施，如上海和广州就对一 些道路进行了禁止左转的限制，调整了公交汽车的线路等。 国内学者对地铁施工期间交通疏解难题也作出了积极的研究尝试。 郑健惠呻3 在其硕士学位论文中针对地铁施工期间交通疏解的难题，首次提出了一个科 学系统的解决框架：( 1 ) 确定交通疏解研究的基本步骤；( 2 ) 利用成熟的中观交通仿真模 型进行趋势交通的预测；( 3 ) 在趋势交通预测的基础上分析地铁施工对城市交通的影响， 进行交通疏解方案的设计和优化，并对交通疏解评价体系进行评价；( 4 ) 给出交通疏解方 案效果评价的方法，从而可以根据实测交通数据滚动调整交通疏解方案。作者将该框架运 用到深圳市地铁一期工程施工期间交通疏解实例上取得了良好的应用效果； 覃国添等曲1 结合深圳地铁一期的建设经验，从疏解工程涉及面广、施工点分布范围广、 协调工作量大、疏解工程具有临时性的交通疏解工程特点出发，提出了地铁施工期间交通 疏解工作的思路与方法； 毛慧、谢志明n 们指出为了给地铁施工期间的城市交通提供一个科学的、审慎的、可操 作性强的交通疏解方案，必须明确地铁沿线与区间及相关道路的建设特征：( 1 ) 地铁的线 路走向及沿线各区间段的走向；( 2 ) 地铁沿线车站与区间的设计；( 3 ) 地铁沿线车站出入 口的设置情况；( 4 ) 地铁沿线车站的施工方法，根据车站所处的地理环境条件，车站主要 采用的施工方法有明挖法、盖挖法和暗挖法：( 5 ) 地铁沿线区间的施工方法，主要有明挖 法、暗挖法和盾构式施工法；( 6 ) 地铁建设交通影响区内地面交通布局及线路设施等情况； 这些是确定合理的交通疏解方案的基础； 黄立葵等n 针对地铁施工期间交通疏解的难题，提出了一个科学、系统的解决框架， 包括给出交通疏解研究 地铁车站施工期的交通疏解，除了实行常规的交通管制措施外，还可以搭设临时路面 结构跨越车站基坑。地铁车站常用的临时路面结构有三种，分别为型钢作为纵、横梁以及 临时立柱、预制混凝土板作为桥面板的临时路面系统、军用梁作为支撑体系、预制混凝土 板作为桥面板的军用梁临时路面系统和“321”贝雷梁构成的钢便桥临时路面系统。由于 x 1 3 2 装配式钢桥的研究现状黄绍金n 4 1 提到计算简支桥跨挠度的简易计算方法： ( 1 ) 弹性挠度可用b c 卡秋林公式计算厂= 筹孬蚓) 幸州t 3 3 5 钭妒 式中：_ ，一桁架由活载引起的弹性挠度( c m ) ；z 一桁架的计算跨度( m ) ； 一桁架在支座处的计算高度( m ) ；矗一桁架的计算高度( m ) ； 仇一跨中斜杆与垂直线之间夹角( 。) ； e 一所用材料弹性模量( 馏侧) ； 勤一活载的横向分配系数，劫2 o 1 7 6 1 i 翥一黼离稀佯习淫国诗! 耄；一鹞赢蓁型嚣黼糕栽荆鍪；蒸雾； l 耋翼系鹬蔓前嘲蔷嗜零霪鼋蔑 蓁；擎蓁耋霎翼冀 摹。鬟 瞬 毳 i 淘雾 耋 别霎；蓁；一霆唾宛鞘匣瞬砻阿茧啦巨鐾d l 参一殴廛用锩塑但岔枥研| 霉蓥毒i 蔷型一奏侈蟛咝必攀雌至丝； 囊一勤酹彭新潲荆骈越蠢垂雾霪霎窭蓁霎囊雾重雾霎羹i 雾蔷手 蒌l 街口站车站施工期间交通疏解钢便桥为 课题研究的工程背景。新建车站位于南京城市商业中心地区新街口，车站以新街口环 岛为中心分为两段呈东西向布置( 车站平面位置图见图卜2 ) ，西段布置在汉中路路中， 东段布置在中山东路中，与南北向一号线新街口站呈“t 形相交并相互换乘。环岛下为 一号线和二号线共用的大圆盘地下结构，该圆盘已随一号线新街口站施工完毕 。 新建车站为地下二层岛式车站，由车站主体、九个出入口、三处风道、两处换乘通道 组成。地面标高约1 0 8 m ，车站底板埋深平均为1 5 4 4 m 。总建筑面积为2 4 9 1 8 m 2 ，其中主体 建筑面积2 2 2 7 5 m 2 ，附属面积2 6 4 4 m 2 ，车站长4 1 4 4 i n ，宽2 16 m ，车站总高约1 2 6 9 m 。项部 覆土约2 8 3 6 m ，车站坡度为3 ，西高东低。 新建车站位于古河道漫滩之上，场地覆盖层厚度较大，土质差异性较大，车站范围内 地层主要有：杂填土、淤泥质填土、素填土、粉质粘土、粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘 土、含砂粉质粘土、粉细砂等土层，下卧有粗砂混卵砾石、强风化泥质粉砂岩以及中风化 泥岩。车站范围内地下水分为潜水及承压水，潜水由人工填土层及全新世冲淤积成因构成 含水层，其透水性、含水性各不相同；地下水水位在地下o 5 一1 8 m ，车站范围内承压水 头为地面下0 7 8 17 8 m ，地下施工时需要降低承压水头以满足坑底承压水头稳定要求。 新建车站建筑结构等级为一级，采用盖挖顺作法施工，以钻孔咬合桩作为基坑围护结 构。根据坑底土层与强风化泥岩层间的地层变化，围护桩长分别为2 0 5 m 和2 4 5 m ，围护 桩兼作临时桥面的基础，桩身底部增加了一段素混凝土灌注桩，桩体采用直径为缈8 0 0 的 不能揭示装配桥钢桥受力特点的现实，提出二次分配方法，在杠杆分配法的基础上，引入 修正系数，合理地反映了内排主桁受力最大的特点，为结构总体设计提供了符合实际的计 算方法； 张银龙、常大刚埔1 运用有限元软件a n s y s 对装配式钢桥进行了振动模态分析，指出对 装配式钢桥主桁架建立有限元模型时，对各个杆件和节点的处理必须根据其真实的受力特 点进行合理的分析和优化，这样可以使计算模型更接近于实际结构，得到的计算结果才更 加真实可信，从而可以在一定程度上代替现场测试； 时党勇等n 钔运用有限元软件a n s y s 对装配式钢桥受力情况和承载力进行了分析，在计 算主桁架的剪力和弯矩时，虽然偏心受压法的计算假定与实际情况不相符，但是其计算结 果与有限元法的结果比较接近，而运用偏心受压法利用影响线进行计算比有限元法要方便， 因此在实际应用中，仍可采用偏心受压法来计算主桁架的剪力和弯矩； 张银龙等利用响应面法和有限元软件a n s y s 对装配式钢桥主桁架的挠度、弯曲应力 和压杆失稳进行了可靠度分析，得到各种结构行为下极限状态功能函数的近似表达式，从 而求出相应的可靠指标。通过计算表明，响应面法是装配式钢桥平面结构可靠度分析的有 效方法； 高磊等职u 提出“3 2 1 装配式钢桥挠度的相当梁简化计算方法，并利用有限元软件 a n s y s 对常用跨径的桥梁挠度作了计算，通过数值分析得出装配式钢桥的最大挠度与跨径 的立方近似成正比，与相当梁的最大挠度成线性关系，引入空间等效系数，把空间问题转 化为平面问题，并拟合出了加强和不加强时装配式钢桥与相当梁之间的关系式，为类似桁 架桥挠度计算提供了一种简便可行的方法。 平面的装配式钢桥在加强和不加强时挠度厂与相当梁挠度疋之间的关系式： 厂= o 8 9 2 z + o 0 0 4 6 ( 不加强时) 、厂= 1 0 3 9 z + 0 0 0 4 5 ( 加强时) 将空间问题转化成平面问题，最终用相当梁的最大挠度正表示： = l 0 2 5 正+ o - 0 0 5 7 ( 不加强时) 、厂= 1 0 3 6 六十o 0 0 4 9 ( 加强时) ； 张银龙，常大民乜2 应用响应面法并考虑各种不确定因素对装配式钢桥的结构响应进行 了研究，得出三点重要结论：( 1 ) 钢桥跨中挠度、弦杆的最大应力以及支座端斜杆的最大 应力等结构响应均随杆的弹性模量的增大而减小；( 2 ) 钢桥跨中挠度、弦杆的最大应力以 及支座端斜杆的最大应力等结构响应均随杆的面积增大而减小，但随各个杆的面积增大而 x 薹囊羹囊霎甥些翼篓雕墅纛室蚕弛塑；霉菰鋈雾墼霎磊臻，璧羹霸鲕载甏嚏雾 x 1 5 课题的研究内容 综上所述，拟对本课题进行如下几方面的研究： ( 1 ) 地铁车站现有地面交通疏解方案的综述比选； ( 2 ) 钢便桥静载试验与结果分析； ( 3 ) 钢便桥受力性能的数值模拟研究：选取影响钢便桥受力性能的横梁间距d 、横 梁间剪刀撑设置方式、横梁跨径三进行单因素敏感性分析以及对该种钢桁架的横梁 最大使用间距d m 。以及横梁最大使用跨径k 进行研究； ( 4 ) 钢便桥施工工艺的研究； ( 5 ) 钢便桥现场监测及数据分析； ( 6 ) 结合新街口地铁车站钢便桥结构及工艺、现场实测数据与有限元数值模拟结果 进行综合分析，对大跨径钢便桥设计、施工提出优化建议。 1 6 课题的研究方法 ( 1 ) 现场调查 首先深入施工现场，对新街口地铁站的地理位置及周边环境进行调研，结合现有地铁 站施工期地面交通疏解方案进行综述比选，同时对所采用的钢便桥的结构布置方案进行计 算分析，对钢便桥的施工工艺进行研究。 ( 2 ) 进行承载试验与现场监测 通过钢便桥静载试验与现场监测以及数据分析来研究钢便桥在使用过程中的实际工 作状态。 ( 3 ) 有限元数值模拟 运用有限元软件a n s y s 建立合理的数学模型进行数值模拟，利用静载试验实测数据进 行验证，从而得出该软件研究钢便桥的可靠性及可行性，在此基础上选取对影响钢便桥受 力性能的三个主要因素横梁间距d 、横梁间剪刀撑设置方式、横梁跨径三进行单因素敏 感性分析，总结出该种钢桁架结构的受力以及变形规律，进而对南京地铁二号线新街口站 采用的钢桁架结构的横梁最大使用间距钆和横梁最大使用跨径k 进行研究。 ( 4 ) 综合分析 结合新街口地铁车站钢便桥结构及工艺、现场实测数据与有限元数值模拟结果进行综 合分析，对大跨径钢便桥设计、施工提出优化建议。 1 2 2 新街口地铁车站施工期地面交通疏解方案比选 2 1 新建车站地理环境与施工期地面交通疏解 南京地铁二号线新街口站位于南京市最繁华的商业区一新街口，车流量大，地上建筑 物密集，地下管线纵横交错。新建车站占据的中山东路与汉中路均为城市交通主干道，车 站施工期不可能完全中断交通，经研究决定采用盖挖顺作法倒边施工进行交通疏解。为了 最大限度减小车站施工对地面交通的影响，同时满足车站工期要求，结合车站范围内的地 质资料，新街口车站采用满足城a 级道路荷载和交通能力要求的3 2 1 贝雷梁等构件快速 形成临时路面系统( 钢便桥) ，东段、西段主体结构均采用贝雷梁满铺的铺盖顺作法倒边 施工，保证东西向1 5 m 宽( 四车道) 通行能力。 为了保证中山东路和汉中路的道路畅通，施工期交通疏解倒边施工分四期进行： 第一期围挡车站北侧1 8 m 的范围，进行围护结构、地基加固及贝雷梁的架设。车站南 侧设置机动车四车道作为交通疏解。贝雷梁一端架设在围护结构的冠梁上面，另一端架设 在临时支墩上，临时立柱两侧焊接钢牛腿并放置两片贝雷梁作为临时支墩； 第二期围挡车站南侧1 8 m 的范围，进行围护结构、地基加固及贝雷梁的架设。车站北 侧已架好的钢便桥提供三车道与临时道路提供的一车道组成机动车四车道作为交通疏解。 车站南侧在二期围挡内的围护结构施工完成后，贝雷梁接长至另一侧的冠梁上，在南半幅 钢便桥设置两车道施工便道，拆除临时支墩，钢便桥整幅工作； 第三期车站主体施工完毕后，在车站顶板中部设置临时支点，拆除南半幅钢便桥，填 土恢复车站南侧原先路面； 第四期围挡车站北侧1 8 m 的范围，车站南侧作为交通疏解，拆除北半幅钢便桥，恢复 车站北侧原先路面，拆除围挡，地面交通全部恢复。 倒边施工交通疏解示意图见图2 1 。 2 4 新型临时路面系统优化设计方案 由于单层加强型六四式军用梁单元长度为4 m ，端部还有特制的端构件，在拼装施工 时，将会产生大量的非标准构件，经施工单位提出采用钢便桥优化方案。 2 4 1 钢便桥的结构布置 所采用的结构型式为“3 2 1 桁架( 1 0 0 型贝雷梁) ； 贝雷梁沿结构横向布置，横梁间逐桁设剪刀撑( 如图2 6 所示) ，车辆沿结构方向 行驶( 垂直于贝雷梁方向) ； 连接杆剪刀撑贝雷梁 图2 6 横梁横向逐桁设剪刀撑支撑 贝雷梁横向间距为0 9 m ( 结构宽度为2 8 m ) 、1 o m ( 结构宽度为2 3 1 m 和2 6 m ) ， 两端架在围护结构的冠梁上面； 桥面的车道分为两部分，一部分宽1 0 m ，作为交通疏解的车道，按城a 级荷载 设计，另一部分宽6 m ，作为施工便道，按城a 级荷载设计；桥面系：纵梁采用1 6 a 号槽 钢，间距为0 2 m 。桥面板采用6 咖厚花纹钢板。桥面系在三车道一侧铺设l o m ，在两车道 一侧铺设6 m ，其余位置不铺设； 在结构两端各有一个端头井，西侧沿结构长度为7 2 m ，宽度为2 6 m ，东侧沿结构 长度为2 2 5 m ，宽度为2 8 m 。 1 8 腻l 雾雾l 雾l 蓁蓁薹羹鬟蓁l 囊雾冀囊| 雾雾藿 誊| 耋| 芎：i 萝 i ； hi 。 “， 耋 2 霎 8 8 蓁薹萋薹 。 j|蓁，f 鬟耋羹萋| | 燃 舅蓁| 冀霉- 奏车格释嚣霎篓霞鍪塞 纵向布置见图2 一l l 。 6 0 k n1 4 0 k n1 4 0 i d q2 0 0 i d 呵1 6 0 埘 图2 1 1 城市a 级标准载重汽车纵向布置 城a 级车道荷载( 跨径大于2 0 m ) 当计算弯矩时，车道荷载的均布荷载标准值q m 采用1 0 o k n m ；当计算剪力时，车道 荷载的均布荷载标准值q q 采用1 5 0 k n m ，所加集中荷载p 采用3 0 0 k n ，见图2 1 2 。 吻氆吲违曜昨粤凌车：鬯舒羲繁隧罐鼎嗍瞵浔嗟洋竭甥朔囊嗨 ! i ! i !i !；li ；! i ! iiii ! li ；i ；| ；ili ； 萋 q m2 1 0 0 k n ，m q q _ ： 7 ； 图2 1 2 城_ a 级车道荷载 桥跨容许挠度为 f sl 2 5 0 ； 车辆荷载的冲击系数为p = 0 6 6 8 6 0 3 0 3 2 l o g l ； 9 n 车道荷载的冲击系数为u = 蒜寻； ： 车道横向折减系数：双车道取值1 0 ，三车道取值0 8 。 琴i 一! ii ；i 藿l 蓄| 蓍i 蠢! 雩：?! 毒墓i 弓 ；菱 m ，汽车 巾8 0 0 钻孔咬合桩 图2 9 横梁跨径2 4 m 示意图 l 舅【舅ul xt 舅【卫t 兑 t 毙 c 置l 里t 里 t 旦 t 卫c 舅l 舅 t 舅u强u强uu ul 舅ut 舅 t 旦t 旦置l 7 7 璃i ii 蘑i 露 5 蘸i 再r 译r 甚r 谣r ir 碡r 露 f 谣r 西n fn f弼穗 孺r 蘸s 酉f 谣i 谣f 百5 西砾i 蘸f 酉5 谣 r 谣f 、 h x l 2 图2 一l o 横梁跨径2 4 m 平面示意图 2 0 横梁跨径2 4 m 、2 8 m 布设五车道城_ a 级车辆荷载，车辆荷载横向布置见图2 13 。 y 北斗幅钢乏桥三车道 南半幅钢便桥两车道 1， 1 l 上上x 1 4 m 1 8 m 1 3 m1 8 m1 3 m 1 8 m 1 8 m1 3 m1 8 md 6 n 1 r 1r 1，1r 1 fm n 6 i1 1 诺! 殛! 老当五i t = ! ， 月，7， 口1 n111 m r 图2 1 3 加载车辆横向布置图 ( 1 ) 对于横梁跨径2 8 m 的结构计算 横梁间距0 9 m ，横梁间逐桁设剪刀撑支撑。 表2 2 横梁跨径2 8 m 、横梁间距o 。9 m 的钢桁架计算结果分析 标准载重 汽车 车道荷载容许值 跨中最大竖向挠度( 舢) 一8 8 7 47 2 2一1 1 21 2 2 90 7 9 2o 6 4 5 上弦杆最大轴向压力( k n ) 一4 1 4 4 1 4 0 3 2 15 3 6 1 0 2 80 7 7 3o 7 5 2 下弦杆最大轴向拉力( k n ) 4 4 4 7 34 1 1 5 56 2 91 0 8 10 7 0 7o 6 5 4 斜杆最大轴向压力( k n ) 一1 6 0 7 8一1 5 2 6 81 6 31 0 5 30 9 8 60 9 3 7 斜杆最大轴向拉力( k n ) 1 6 5 0 81 5 4 9 22 3 51 0 6 60 7 0 20 6 5 9 最大支座反力( k n ) 1 9 8 2 51 7 8 3 82 3 91 1 1 10 8 2 9 0 7 4 6 假定：1 、受力为正，表受拉状态( 支座反力除外) ；受力为负，表受压状态。 2 、挠度与沉降为正表上抬，为负表下沉。本文以下同。 由表2 2 可知横梁跨径2 8 m 、横梁间距0 9 m 的钢桁架结构受载是安全的，满足设计 要求，且车辆荷载引起的效应比车道荷载大。 ( 2 ) 对于横梁跨径2 4 m 的结构计算 横梁间距取1 0 m ，横梁间逐桁设剪刀撑支撑。 无出土口方案 表2 3 横梁跨径2 4 m 、横梁问距1 0 m 的钢桁架计算结果分析 标准载重 车道荷载容许值 汽车 跨中最大竖向挠度( 咖) 一8 3 66 7 49 61 2 1 3 o 8 7 10 7 0 2 上弦杆最大轴向压力( k n ) 一4 4 6 5 83 9 9 0 95 3 61 1 1 9o 8 3 30 7 4 5 下弦杆最大轴向拉力( k n ) 4 5 7 0 34 3 0 7 26 2 91 0 6 l0 7 2 70 6 8 5 斜杆最大轴向压力( k n )一1 5 6 1 51 5 1 91 6 3 1 0 2 80 9 5 8 0 9 3 2 斜杆最大轴向拉力( k n ) 1 7 3 1 71 6 4 4 52 3 51 0 5 30 7 3 70 7 0 0 最大支座反力( 1 ( n ) 2 1 4 5 1 1 9 2 8 32 3 91 1 1 20 8 9 8 0 8 0 7 由表2 3 可知横梁跨径2 4 m 、横梁间距1 0 m 的钢桁架结构受载是安全的，满足设计要 求，且车辆荷载引起的效应比车道荷载大。 出土口方案 城a 级标准载重汽车和钢桥自重作用时，出土口处最大竖向挠度为6 8 m 。 出土口处“3 2 1 ”桁架( 车辆行驶方向与贝雷梁方向垂直) 上弦杆最大轴向压力为4 3 0 k n ，腹杆最大轴压力为1 2 5 k n ，最大支座反力为1 4 6 k n ， 满足设计要求。 出土口处小桁架( 车辆行驶方向与小桁架方向一致) ： 上弦杆最大轴向压力为1 2 6 k n ，腹杆最大轴压力为1 1 3 l n ，满足设计要求。 ( 3 ) 桥面系的计算 纵梁 纵梁为普槽 1 6 a ，材料为q 2 3 5 。纵梁计算长度为1 0 0 c m 。则长细比为五_ l5 9 ， 以2 5 5 2 一= 1 2 0 ，稳定系数为哆2 0 7 6 9 纵梁长度为1 2 m ，跨越1 2 根由桁架组成的横梁，为多跨连续梁，考虑纵梁与桁架为 非固接连接，且汽车轮压始终只能作用在其中一跨，当一跨受力时，相邻一跨将有向上翘 起的趋势，因此纵梁实际为简支之承，按简支计算内力。城a 级标准载重汽车轮压( 1 2 3 1 0 0 = 1 2 3 k n ) 作用时，两根纵梁承受轮压( 纵梁间距为0 2 m ，纵梁受力不均匀系数为 1 1 ) ，单纵梁弯矩为1 5 2 2 k n c m ，单纵梁自重弯矩为2 3 5 k n c m ；有汽车制动力( 城a 级标准载重汽车的1 0 ) 作用时，纵梁最大轴向压力为3 2 k n 。 强度： 盯：孚+ 筝：娶 关+ 毒黑：1 7 6 9 脱p 口 【盯】，：2 0 0 脚口，满足设计要求。 ，r = 一+ 二= 一+ = l ，o y ，w ，口 l 盯i = z u u 坦，口了呐n 3 双。p i 瑟爿【o 彳。矾2 1 9 5 1 0 。1 0 8 2 7 5 1 0 求。 稳定性： 仃：兰+ 争：i 黑+ 毒黑：1 8 1 2 脚口 p 】，：2 0 0 彪p 口，满足设计要 ，r = 一+ 二= 一+ 一= l 1 z m f ，口 2 。 根据公路桥涵钢结构及木结构设计规范规定，可按以短边为跨径的单向板计算。 b 、确定板的计算跨径 计算弯矩时，l f l o + t = 1 3 7 + 0 6 = 1 4 3 c m 计算剪力时，k l o = 1 3 7 c m c 、内力计算 轮胎着地面积为一个矩形，其宽度为6 0 c m ，其长度( 咖) ：l = 2 5 c m ，即 车轮沿单向板跨径方向分布宽度为b 1 = b 2 = 6 0 c m 车轮沿单向板垂直于跨径方向分布宽度为a = 2 5 c m 荷载集度( 按城一a 级标准车辆4 号车轴轮重计算) ： q = 1 0 0 1 0 0 ( 6 0 2 5 ) = 6 6 7 k n c m 支点弯矩最大： 9 舻( q 吒1 2 ) ( 1 + u ) = ( 6 6 7 1 4 3 2 1 2 ) 1 2 3 = 1 3 9 7 k n c m 支点剪力： q o = ( ql 口2 ) ( 1 + p ) = ( 6 6 7 1 3 7 2 ) 1 2 3 = 5 6 2 k n d j 应力计算 w o = b h 2 6 = 1 0 0 0 6 2 6 = 6 c m 3 o 。= m 。w 。= 1 3 9 7 1 0 6 = 2 3 3m p a 1 3 o = 1 3 2 0 0 = 2 6 0m p a t = 1 5 q o f = 1 5 5 6 2 1 0 ( 1 0 0 0 6 ) = 1 4 0 4m p a t = 1 5 6m p a 满足设计要求。 2 4 3 结论 经过结构计算分析，由“3 2 1 ”桁架、纵梁、桥面板、支撑架( 剪刀撑) 组成的承载结 构是合理的。该种钢桁架结构由城a 级标准载重汽车引起的结构效应比城a 级车道荷 载引起的结构效应要大。横梁跨径2 8 m 时，横梁间距取0 9 m ；横梁跨径2 4 m 时，横梁间 距取1 0 m ，满足设计要求。 2 5 交通管理措施 在地铁车站施工期间，通过一些有效的交通管理办法将有效地缓解交通的混乱程度。 ( 1 ) 对道路路权重新分配 依据交通量情况，对施工区域内的道路进行临时再分配，划分机动车道、非机动车道、 人行道。影响范围内的交叉口也应重新考虑进口转向车道的设置，优先保证直行车道，根 据施工期间的实际情况，划分的车道宽度可适当缩减。 ( 2 ) 设置明确标志标线 车站施工期间在施工区域及附近区域设置明确的标志标线，正确引导车辆、行人等通 行与分流。 ( 3 ) 对交通信号进行重新调整 对车站的交叉口，根据路权重新分配情况重新调整信号灯相位、配时以增加交叉口的 通行能力，对施工区域附近的信号灯的相位、配时也进行调整，使之与施工区域的交叉口 相互配合，这样交通流通过交叉口时会更加有序，避免混乱。 ( 4 ) 实施适当的交通管制措施 通过设置单行道、调整少数公交行驶线路、部分交叉口转向限制、部分区域限制某时 间段某种类型的车进入等措施来减少进入施工区域的车辆，从而减轻交通压力。 2 4 3 2 加载方案的选择 加载是桥梁静载试验中非常重要的一个环节，它涉及到加载设备的选用，加载持续时 间以及加载、卸载程序的确定等方面。 3 2 1 加载设备的选用 加载设备应从试验要求、现场环境、加载量多少、经济且方便运输等条件综合考虑。 常用的有车辆载荷加载、重物加载、专门的加力架加载。对于实桥现场试验，车辆载荷因 其具有便于运输、车源丰富、加载卸载迅速等诸多优点，是桥梁载荷试验优先考虑的一种 方法，而对于桥梁结构模型试验，一般选用重物或专门的加力架进行加载。为了模拟实际 行车状况，使用i 型钢对钢桁架进行重物加载，型钢长度有1 2 m 和1 5 m 两种，质量分别为 1 0 9 t 和1 3 6 t 。 3 2 2 加卸载程序的选定 加载、卸载程序就是试验进行期间荷载与时间的关系，如加载速度、分级荷载的量值、 加载、卸载的流程等。科学严密的加载、卸载程序，可以获得结构应变和变形随荷载增加 的连续关系曲线，防止结构意外破坏，从而使试验工作得以顺利进行。 对于短期试验，加载、卸载原则一般为： ( 1 ) 加载、卸载应该是分级递增或递减的，不宜一次完成； ( 2 ) 正式加载前，应进行预加载； ( 3 ) 如桥梁状况较差，应尽可能增加加载等级，密切监测结构的状态，确保桥梁、人 员、设备的安全； ( 4 ) 通常应在加载全部到位、达到设计内力后方可进行卸载，卸载可分2 3 级并尽量 与加载工况相同，以便校核； ( 5 ) 加载位置尽量靠近截面内力影响线峰值处，以便减少加载重量，从而降低测试费 用和时间。 最后根据所确定的加载设备、加载等级、加载顺序与加载位置等方面形成较为严格的 加载程序。钢桁架加载等级依次为0 t 、4 9 8 t 、9 8 8 t 、1 6 0 t 、1 9 0 t ；加载顺序依次为先 在右端三车道加载4 9 8 t ，然后左端双车道加载5 0t ，最后再在右端三车道加载至1 9 0 t 。 3 2 3 加卸载时间的确定 为了使结构的反应能够充分的表现出来，每次加载、卸载应持续一段时间后在进行观 测。如加载后持续的时间较短，则测得的应变、变形值可能偏小。为了控制加卸载稳定时 间，应选择一个控制观测点，在每级加载( 或卸载) 后立即测读一次，计算其与加载前( 或 加载前) 测读数之差值s g ，然后每隔2 m i n 测读一次，计算2 m i n 前后读数的差值s ，并 计算相对读数差值： m = s s g 当m 值小于1 或小于量测仪器的最小分辨值时，即认为结构基本稳定，可进行测点 读数。 3 3 测点布置 根据实际结构形式、试验过程以及相关的规范要求，布置的测点应反映出结构实际受 力情况下的应变和位移，并对最不利位置和断面进行控制，如最大变形、最大内力处。布 置位移传感器7 个( 图3 3 所示) ，在最不利位置( 应力最大处) 贴电阻应变片6 个( 图 3 4 所示) 。 布设测点其中重要环节是贴片工艺的控制。一般贴片工艺过程：确定测点位置用 砂轮机打磨( 5 硎3 c 聊) 细号砂纸打磨毛刷清理细号砂纸4 5 。交叉打磨用酒精 清洗贴片粘结接线端子导线连接乳胶防潮。 钢桁架片安装前必须用砂轮机打磨( 5 册3 铡) 好，并贴应变片，贴好应变片后方 可安装钢桁架片。 ( a ) 平面布置图 ( b ) 剖面布置图 图3 3 钢桁架位移传感器及应变片布置图 表3 2 纵向挠度实测数据( 岫) 不同测点对应的挠度 荷载( t ) 637 o o0oo 4 9 81 7 2 42 2 8 02 6 5 0 9 8 82 7 8 83 1 3 13 2 4 5 1 6 0 o5 4 9 65 9 4 26 1 9 3 1 9 0 07 6 8 27 8 6 36 7 9 2 0 ，、2 0 昌 4 0 蟋6 0 端8 0 1 0 0 跨度( m ) 681 0 一0 t 一4 9 8 t 一9 8 8 t 一1 6 0 o t i 一1 9 0 0 t 图3 6 纵向挠度分布图 由表3 2 和图3 6 可知：纵向挠度亦随着荷载的加大而不断增大，跨中挠度稍大，两 端边缘小；两端边缘挠度不等，主要原因可能为加载所用工字钢长短不一，摆放不居中 产生偏心矩所致。 钢桁架测点挠度与荷载的关系详见表3 3 和图3 7 。 表3 3 荷载与挠度( 唧) 关系数据表 荷载( t ) 测点 o4 9 89 8 81 6 0 01 9 0 0 l o1 2 53 1 65 5 37 3 0 202 1 8 53 0 4 55 7 4 17 7 5 6 302 2 8 03 1 3 15 9 4 27 8 6 3 402 3 6 03 1 7 46 0 4 87 8 6 4 50 3 3 9 4 2 07 2 11 1 0 3 6o1 7 2 42 7 8 85 4 9 67 6 8 2 7o2 6 5 03 2 4 56 1 9 36 7 9 2 1 0 0 8 0 昌 6 0 趟4 0 端 2 0 o 5 01 0 01 5 0 荷载( t ) 图3 7 挠度与荷载关系图 2 9 - l b 一2 卜3 * - 4 i 卜5 e 一6 + 一7 由表3 3 、图3 7 可知：随着荷载的逐步增加，钢桁架各点挠度亦随之呈近似线性增 大，且跨中变化速度大于两端，最大挠度发生在靠近三车道一侧，最大挠度( 跨中) 为： 7 8 6 4 - 9 17 = 6 9 4 7 m m 。 3 4 2 应力结果分析 钢桁架测点应力与荷载的关系详见表3 4 和图3 8 。 表3 4 荷载( t ) 与应力( m p a ) 关系表 测点 荷载( t 卜 123456 、- 00 00o00 4 9 82 0 9 32 7 31 5 4 71 4 4 21 8 9 71 9 3 9 9 8 8 2 7 4 44 0 3 21 7 1 51 6 9 42 4 0 12 4 0 l 1 6 06 1 6 7 6 2 1 62 8 72 7 8 63 0 9 42 8 4 2 1 9 01 1 1 6 51 0 2 2 76 5 4 55 7 4 76 2 0 25 8 0 3 1 2 0 l o o 名8 0 “ 詈6 0 巷4 0 2 0 o 1 0 0 荷载( t ) - l 目卜2 3 * 4 5 争6 图3 8 各测点应力随荷载变化图 由表3 4 和图3 8 可知：随着荷载的逐步增加，钢桁架跨中应力亦随之增大；由于1 、 2 两个测点靠近三车道，而三车道所加荷载远大于双车道，故1 、2 两个测点所测应力明 显大于其它两个测点。桁架弦杆最大轴向拉应力为1 11 6 5 m p a 。 3 4 3 静载试验结论 通过钢便桥静载试验知： 钢桁架最大挠度为6 9 4 7 m m 容许挠度 f = l 2 5 0 = 11 2m m ，满足要求。 钢桁架弦杆最大轴向拉应力为1 11 6 5 m p a 号2 ： 3 4 争了= 号 疗号7号 8 ：! 9 号l j c。号 图4 6 横梁间距d 分别取o 6 m 、0 8 m 、o 9 m 、1 o m 、1 2 的钢桁架示意图 3 5 z 图4 8 给出了钢桁架最大挠度随横梁间距d 变化图。由图可见，随横梁间距d 增大， 钢桁架最大挠度近似呈线性函数增大，利用数值拟合得到经验公式为 j ，= _ 2 6 9 0 5 d l o 6 6 2 ，其中j ，为钢桁架最大挠度，d 为横梁间距。 ( 2 ) 钢桁架的纵向挠度与横向挠度的分布规律分析 现对钢桁架的行车方向的纵向挠度与横梁跨径方向的横向挠度的分布予以分析。 纵向挠度取每片横梁跨中挠度。由于改变横梁间距d 时，加载车辆2 号重轴始终放 置在模型第1 1 号梁上，第1 1 号横梁分担的作用最大，故取第1 1 号横梁进行横向挠度分 布的分析。 舍 e 趟 避 遥 舔 廿 留 1 0 o 一9 0 0 o 一1 0 一2 0 一3 0 一4 0 一5 0 梁号 图4 9 不同横梁间距d 条件下钢桁架跨中纵向挠度的分布图 最大挠度处 图4 一1 0 不同横梁间距d 条件下钢桁架第1 1 号横梁的横向挠度分布图 图4 9 、图4 1 0 分别给出了不同横梁间距d 条件下钢桁架跨中纵向挠度的分布图与 第1 l 号横梁横向挠度分布图。随横梁间距d 的增大，跨中纵向挠度分布曲线趋于不平缓， 第1 l 号横梁横向挠度增大，究其原因为横梁间距d 增大带来钢桁架每片横梁的分担作用 越趋于不均匀即钢桁架整体受力性能变差所致。由图还可以看出，不同横梁间距d 条件 下，钢桁架跨中纵向挠度分布曲线最大值均发生在2 号重轴处，而第1 1 号横梁横向挠度 分布曲线最大值均大致发生在x = 1 1 m 处。 4 3 2 3 横梁间距d 对钢桁架内力的影响分析 ( 1 ) 钢桁架最大内力的影响分析 3 7 取第1 1 号横梁弦杆进行应力分布规律分析。 0 o - 2 0 乱 邑一4 0 翼- 6 0 警一8 0 蠹擘一1 0 0 o 芒 2 0 螽4 0 丢6 0 词8 0 姜1 0 0 1 2 0 图4 一1 5 不同横梁间距d 条件下第1 l 号横梁上弦杆轴向压应力分布 x ( m ) 图4 1 6 不同横梁间距d 条件下第1 l 号横梁下弦杆轴向拉应力分布 图4 1 5 、图4 1 6 分别为不同横梁间距d 条件下第1 1 号横梁上弦杆轴向压应力分布 图以及下弦杆轴向拉应力分布图。由图可知，不同横梁间距d 条件下，横梁上、下弦杆 轴向应力分布曲线在三车道与两车道加载车道范围内均出现了应力峰值，轴向应力分布曲 线的最大值均发生在三车道一侧，最大值大致发生在x = 8 m 处。随横梁间距d 增大，同一 横截面上的的轴向应力增大。 4 3 2 4 横梁间距d 对钢桁架支座反力的影响分析 ( 1 ) 钢桁架最大支座反力的影响分析 1 5 0 童1 3 0 盏1 1 0 蓑9 0 斗 图4 2 0 横梁间剪刀撑设置方式示意图 4 3 3 1 模型及加载方案 钢桁架模型：同样建2 1 片横梁，桥面系( 纵梁、桥面板) 建模1 6 m ，3 车道一侧1 0 m ，2 车道一侧6 m 。横梁间剪刀撑设置按图4 2 0 五种方式改变。加载方案：5 辆城b 级标准 载重汽车的第2 号轴直接放置1 1 号梁上( 见示意图4 7 ) ，加载车辆横向布置图见图2 1 3 ， 考虑汽车冲击影响，冲击系数2u 2 川，车道横向折减系数：3 车道一侧取0 8 ，2 车道 一倾4 取1 0 。 4 i 4 3