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 煤車沖擊系數的計算

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

取：t=0.05，h取最大的一個高差38.85 m，F=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。根據組合結構變形協調關系，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，摩阻系數取0.3，局部偏差的摩阻系數取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拉應力，蓋梁上緣出現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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