煤礦沉陷區鐵路橋加高工程結構承載力檢驗方法

蔡 雅 芬

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

煤礦沉陷區鐵路橋加高工程結構承載力檢驗方法

蔡 雅 芬

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

以某礦區鐵路橋加高工程為例，針對該礦區地表沉陷對橋梁框架結構的影響，需對鐵路橋現有箱涵承載力及其穩定性進行校驗，經過數值模擬驗算及分析，指出橋梁原框架結構滿足沉陷后的頂部堆載加高要求。

框架結構，堆載加高，承載力，數值計算

1 工程概況

隨著地表下沉的發展，某礦鐵路橋亦將逐步下沉。為確保鐵路線的正常運行，框架結構在下沉過程中，框架體頂部將逐步填入煤矸石、道渣等填料；達到預計下沉量后，框體頂部的填料厚度將增加近6 m，框體承受的荷載與當初的設計荷載大不相同，框架結構的安全及穩定性等將受到嚴重的威脅。為此，需要對原箱涵結構進行驗算。

查閱資料和現場實測，橋梁箱涵高度4.5 m，在常水位下，已沉陷水中大半，但結構保持基本完好，橋梁結構現狀依舊可以滿足通車要求。根據礦方提供的資料，受采煤沉陷影響，預計鐵路橋及其周邊區域地表會產生6 m左右的沉陷。據此推算，在該橋完成約6 m的沉陷后，箱涵結構將完全沉入水下。為提高橋梁安全性，避免因開采沉陷和路基填高造成結構的破壞，需對結構進行驗算。

2 數值計算及分析(箱體結構承載力校驗)

箱體結構承載力校驗的思路是模擬箱體下沉過程，在現有箱體頂部逐漸增加一定厚度的煤矸石，采用數值模擬的方法計算箱體的內力，最后與箱體的承載能力進行對比[1]；若數值模擬的內力值小于承載能力，則結構安全，反之則不安全，需要采取加固措施。因各個箱體頂部填筑煤矸石和道碴的高度不同，箱體承受的最不利荷載也不同。因此分別選取煤矸石和道碴的填筑高度為6 m進行結構承載力的校驗。

2.1 計算條件

新建的框架，高度為4.5 m，寬度分別為4.9 m，5.82 m，6.82 m和4.9 m，跨度均為6.96 m，頂底板厚度0.640 m，側墻厚度0.68 m。沿橋跨方向布置3排、沿橋寬度方向布置4排。框架長度均為6.96 m。每個框架縱、橫向間距均為0.25 m。

2.2 荷載計算

1)箱涵頂板自重(每延米)：16 kN/m。

2)填筑煤矸石引起的豎向及水平力：a.箱涵頂部豎向壓力：169.8 kN/m；b.箱涵頂部及底部的水平壓力：頂部水平壓力：42 kN/m；底部水平壓力：73.5 kN/m。

3)列車靜活載在箱涵兩側引起的側向土壓力:21 kN/m。

4)列車活載(見圖1)。

取每延米計算，列車活載施加在箱涵頂部的作用力為：豎向壓力：19.4 kN/m；水平壓力：6.79 kN/m。

5)箱涵荷載計算匯總(見圖2)。

2.3 計算荷載及組合

荷載組合①：均布豎向荷載269.3 kN/m；荷載組合②：梯形分布側向壓力，上底84 kN/m，下底135.9 kN/m；荷載組合③：荷載組合①+荷載組合②。

2.4 內力計算結果

內力計算結果如圖3～圖5所示。

2.5 上層箱體上部填筑6 m高煤矸石和道碴的數值分析

為探索在已設計的上層框架上部填筑6 m高的煤矸石和道碴時框架橋結構的變化，擬運用數值軟件ANSYS建上層框架模型[2]，給其施加6 m高填料的豎向荷載和水平荷載。

得出應力應變圖如圖6，圖7所示。

通過數值分析，得出上層結構在6 m覆土下豎向應力為0.572 MPa，水平剪力為0.319 7 MPa，豎向應變為0.001 7 m?？梢娚蠈咏Y構的變形幾乎可以忽略不計，完全滿足工程使用要求[3]。

由于地基在之前設計中已進行過處理，所以能夠滿足本次加高堆載設計，無需進行驗算。

2.6 根據設計結構的資料對荷載驗算

通過查看驗算設計過程，發現設計該橋上部結構時所加的豎向荷載為269.3 kN/m，梯形分布側向壓力，上底為84 kN/m，下底為135.9 kN/m。而計算發現在橋面填筑6 m煤矸石和道碴時對橋所加的豎向荷載為205.2 kN/m，梯形分布側向壓力，上底為69.79 kN/m，下底為73.5 kN/m，小于結構所能承受的荷載。

3 結語

1)當橋面填筑6 m高的煤矸石和道碴時滿足框架結構所能承受的荷載，則填筑小于6 m高的煤矸石和道碴完全滿足要求。

2)在框架結構上施加6 m高填料荷載情況下，得出的應力應變值和通常情況下鋼筋混凝土所能承受的應力應變值作比較發現，6 m高填料引起的結構變化遠遠小于鋼筋混凝土結構可承受的變化。

3)由此得出結論，在上層橋面填筑6 m高的煤矸石和道碴的鐵路對該橋的結構無任何影響。所以無需對框架結構進行加固。

[1] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 譚志祥，劉潤芳，鄧喀中.采動區建筑物移動變形及附加應力數值模擬研究[J].煤炭科學技術,2007,35(3)：96-102.

[3] 龔文惠，李 斌.礦山地表框架結構建筑物的抗變形設計[J].山東科技大學學報(自然科學版)，2000，19(4)：94-96.

On railway bridge heightening project at subsidence areas of coal mines

Cai Yafen

(CivilArchitecturalCollege,AnhuiUniversityofTechnology,Huainan232001,China)

Taking the railway bridge heightening project of some coal mine as the example, the paper has the verification for the loading capacity of current load culverts and their stability of the railway bridges according to the influence of the subsidence of the mining area on the bridge framework, and points out the former framework can meet the demands of the top stack heightening according to the numeric simulation calculation and analysis.

framework, stack heightening, loading capacity, numeric calculation

2015-06-24

蔡雅芬(1991- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)25-0162-03

U442.5

A