麗攀路防護棚洞設計

高金亮 楊俊

文章介紹了麗攀路棚洞的設計，行進了煤車沖擊計算及Midas有限元分析計算。有關計算過程及計算方法可供相關專業(yè)設計人員參考。

防護棚洞; 沖擊計算; 有限元分析

U417.9?? A

[定稿日期]2021-01-28

[作者簡介]高金亮（1985～），男，碩士，高級工程師，從事橋梁結構設計研究工作。

1 工程概況

麗攀路下穿川煤集團攀煤花山礦過江運煤索道、過江纜車底部距橋面高差達40 m以上，為避免運煤斗車偶然墜落對高速公路橋梁及行車安全造成嚴重危害，故新建鋼筋混凝土防護棚洞作保護。寶鼎特大橋過江纜車底部距棚洞頂面高差38.85 m，花山特大橋過江纜車底部距棚洞頂面高差21.4 m。運煤斗車自重400 kg，滿載煤礦石后質(zhì)量為1 400 kg，重量為14 kN。棚洞頂面采用厚50 cm預制鋼筋混凝土實心板，為緩沖撞擊能量，實心板上鋪70 cm厚礫石土墊層。結構斷面布置圖見圖1，有限元離散模型見圖2。

2 煤車沖擊系數(shù)的計算

假設質(zhì)量為m的沖擊物從距梁頂面h處自由下落，沖擊到梁頂面，根據(jù)動量定理：Ft=mv2-mv1，假定時間為t，v2=0，根據(jù)能量守恒定理：mgh=12mv21，v1=2gh，F(xiàn)t=m2gh，F(xiàn)=mt2gh，靜荷載重量為mg，則沖擊系數(shù)：Kd=m2ghtmg=2hgt2

?。簍=0.05，h取最大的一個高差38.85 m，F(xiàn)=780.5 kN。

3 預制板應力計算

預制板長8 m，寬1 m，假設煤車底面積為1 m×1 m，預制板上面有70 cm厚的礫石土墊層，墊層重力密度取21 kN/m，取預制板頂面的受力面積為1.5 m×1.5 m，則壓力大小為346.9 kN/m2，預制板中預埋3根工字鋼，形成組合結構，工字鋼高30 cm，上下翼緣寬14.5 cm，翼緣厚10.7 mm，腹板厚6.5 mm。截面采用工字鋼外包混凝土組合截面（圖3～圖5、表1）。

通過圖3～圖5可以看到，在沖擊荷載和恒載的組合作用下預制板內(nèi)工字鋼底緣的拉應力合計為95.6 MPa，小于普通鋼材的屈服應力，預制板對應的最大位移為16.1 mm。根據(jù)組合結構變形協(xié)調(diào)關系，混凝土的應力為鋼材應力的1/7，此時混凝土的計算應力為12 MPa，實際預制板下緣的混凝土在沖擊荷載作用已經(jīng)開裂，但由于沖擊荷載是瞬間的，混凝土在開裂以后工字鋼承受更大的力，工字鋼的應力沒有達到屈服強度，工字鋼仍然在彈性范圍內(nèi)工作;混凝土是脆性材料，抵抗沖擊荷載的能力較小，在混凝土中預埋工字鋼后形成組合結構，鋼材的屈服點較高，且沖擊韌性很好，在沖擊荷載作用下能吸收更多的能量，有效的抵抗沖擊荷載;預制板內(nèi)設工字鋼后，在沖擊荷載作用下鋼材的應力只有95.6 MPa，遠小于鋼材的屈服應力，因此預制板能夠有效抵抗煤車下落沖擊荷載的作用。

4 蓋梁計算結果

在沖擊荷載作用下蓋梁的位移為17.2 mm，蓋梁下緣的應力為12.7 MPa，由于拉應力較大，所以需要加預應力來消除拉應力（圖6～圖8、表2）。

5 施加預應力后蓋梁計算結果

鋼束采用符合JTG04標準的15.2 mm高強低松弛鋼絞線，其標準強度f=1 860 MPa，張拉控制應力σ=0.75f=1395 MPa。蓋梁的預應鋼束規(guī)格為1215.2 mm，鋼束面積1 680 mm2，預應力管道直徑0.1 m，摩阻系數(shù)取0.3，局部偏差的摩阻系數(shù)取0.006 6/m，錨具變形、鋼束回縮等變形值兩端各取0.006 m預應力鋼束為直線鋼束，距跨中下緣0.15 m，跨中上緣1.05 m，蓋梁底緣布置5根，間距25 cm，鋼梁長35 m，鋼束長34.6 m，兩端各留出20 cm用于錨封（圖9、圖10、表3）。

通過計算可以看出：對蓋梁施加5根1215.2 mm鋼束后，在恒載及溫度荷載作用下蓋梁下緣不出現(xiàn)拉應力，蓋梁上緣出現(xiàn)0.6 MPa的拉應力，小于混凝土的抗拉強度值，在沖擊荷載作用下蓋梁下緣的拉應力為2 MPa，蓋梁上緣的拉應力為2.2 MPa，此時混凝土已經(jīng)開裂，但沖擊荷載的作用時間短，是瞬時的，混凝土的開裂也是瞬時的，蓋梁并沒有發(fā)生破壞，所以蓋梁的設計可行。

6 結束語

本文通過對煤車下落沖擊計算、防護棚洞有限元分析，預制板應力、蓋梁應力與位移等均小于規(guī)范的容許值，對防護棚洞的設計計算具有指導意義，可供廣大工程設計者借鑒。

參考文獻

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