丽攀路防护棚洞设计

高金亮 杨俊

文章介绍了丽攀路棚洞的设计，行进了煤车冲击计算及Midas有限元分析计算。有关计算过程及计算方法可供相关专业设计人员参考。

防护棚洞; 冲击计算; 有限元分析

U417.9   A

[定稿日期]2021-01-28

[作者简介]高金亮（1985～），男，硕士，高级工程师，从事桥梁结构设计研究工作。

1 工程概况

丽攀路下穿川煤集团攀煤花山矿过江运煤索道、过江缆车底部距桥面高差达40 m以上，为避免运煤斗车偶然坠落对高速公路桥梁及行车安全造成严重危害，故新建钢筋混凝土防护棚洞作保护。宝鼎特大桥过江缆车底部距棚洞顶面高差38.85 m，花山特大桥过江缆车底部距棚洞顶面高差21.4 m。运煤斗车自重400 kg，满载煤矿石后质量为1 400 kg，重量为14 kN。棚洞顶面采用厚50 cm预制钢筋混凝土实心板，为缓冲撞击能量，实心板上铺70 cm厚砾石土垫层。结构断面布置图见图1，有限元离散模型见图2。

2 煤车冲击系数的计算

假设质量为m的冲击物从距梁顶面h处自由下落，冲击到梁顶面，根据动量定理：Ft=mv2-mv1，假定时间为t，v2=0，根据能量守恒定理：mgh=12mv21，v1=2gh，Ft=m2gh，F=mt2gh，静荷载重量为mg，则冲击系数：Kd=m2ghtmg=2hgt2

取：t=0.05，h取最大的一个高差38.85 m，F=780.5 kN。

3 预制板应力计算

预制板长8 m，宽1 m，假设煤车底面积为1 m×1 m，预制板上面有70 cm厚的砾石土垫层，垫层重力密度取21 kN/m，取预制板顶面的受力面积为1.5 m×1.5 m，则压力大小为346.9 kN/m2，预制板中预埋3根工字钢，形成组合结构，工字钢高30 cm，上下翼缘宽14.5 cm，翼缘厚10.7 mm，腹板厚6.5 mm。截面采用工字钢外包混凝土组合截面（图3～图5、表1）。

通过图3～图5可以看到，在冲击荷载和恒载的组合作用下预制板内工字钢底缘的拉应力合计为95.6 MPa，小于普通钢材的屈服应力，预制板对应的最大位移为16.1 mm。根据组合结构变形协调关系，混凝土的应力为钢材应力的1/7，此时混凝土的计算应力为12 MPa，实际预制板下缘的混凝土在冲击荷载作用已经开裂，但由于冲击荷载是瞬间的，混凝土在开裂以后工字钢承受更大的力，工字钢的应力没有达到屈服强度，工字钢仍然在弹性范围内工作;混凝土是脆性材料，抵抗冲击荷载的能力较小，在混凝土中预埋工字钢后形成组合结构，钢材的屈服点较高，且冲击韧性很好，在冲击荷载作用下能吸收更多的能量，有效的抵抗冲击荷载;预制板内设工字钢后，在冲击荷载作用下钢材的应力只有95.6 MPa，远小于钢材的屈服应力，因此预制板能够有效抵抗煤车下落冲击荷载的作用。

4 盖梁计算结果

在冲击荷载作用下盖梁的位移为17.2 mm，盖梁下缘的应力为12.7 MPa，由于拉应力较大，所以需要加预应力来消除拉应力（图6～图8、表2）。

5 施加预应力后盖梁计算结果

钢束采用符合JTG04标准的15.2 mm高强低松弛钢绞线，其标准强度f=1 860 MPa，张拉控制应力σ=0.75f=1395 MPa。盖梁的预应钢束规格为1215.2 mm，钢束面积1 680 mm2，预应力管道直径0.1 m，摩阻系数取0.3，局部偏差的摩阻系数取0.006 6/m，锚具变形、钢束回缩等变形值两端各取0.006 m预应力钢束为直线钢束，距跨中下缘0.15 m，跨中上缘1.05 m，盖梁底缘布置5根，间距25 cm，钢梁长35 m，钢束长34.6 m，两端各留出20 cm用于锚封（图9、图10、表3）。

通过计算可以看出：对盖梁施加5根1215.2 mm钢束后，在恒载及温度荷载作用下盖梁下缘不出现拉应力，盖梁上缘出现0.6 MPa的拉应力，小于混凝土的抗拉强度值，在冲击荷载作用下盖梁下缘的拉应力为2 MPa，盖梁上缘的拉应力为2.2 MPa，此时混凝土已经开裂，但冲击荷载的作用时间短，是瞬时的，混凝土的开裂也是瞬时的，盖梁并没有发生破坏，所以盖梁的设计可行。

6 结束语

本文通过对煤車下落冲击计算、防护棚洞有限元分析，预制板应力、盖梁应力与位移等均小于规范的容许值，对防护棚洞的设计计算具有指导意义，可供广大工程设计者借鉴。

参考文献

[1] 孙训方. 材料力学[M].北京： 高等教育出版社，2019.

[2] JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S] .

[3] JTG 3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

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