仰拱栈桥结构设计

拟在水垫塘R-13-2处施工预留廊道洞口布置自制仰拱栈桥，仰拱栈桥沟通连接预留施工廊道靠河侧洞口和R-13-1，布置高程EL1596.00m，同时满足R-13-2块EL1595.00m以下优先施工与右岸洞群施工通道通行。仰拱栈桥净跨度11.35m，为两端简支结构，主要为满足右岸洞群施工车辆通行，仰拱栈桥分左右两支设置，单支由12根I25a工字钢并排，翼缘满焊接成箱型结构，宽度1.2m，表面焊接Φ8圆钢防滑，两支栈桥之间宽度1.0m，栈桥总宽度3.4m。

1、结构计算参数

1.1、极限荷载

最大荷载为8m3混凝土运输车装载6m3混凝土时通过栈桥，8m3混凝土运输车自重14t，混凝土按2400kg/m3计算，总质量28.4t。综合考虑慢速通过（≤5km/h）的动荷载、人行荷载、其他荷载等偶然因素影响，按最大总荷载的120%考虑极限荷载，单支极限荷载  ，考虑混凝土搅拌运输车80%以上荷载集中在后轮，计算时按照最不利情况，以极限荷载下的点荷载作用考虑。

1.2、自重

仰拱栈桥自重计算部分以净跨度计算，I25a工字钢单位重量38.1kg/m，单支仰拱栈桥自重荷载。

2、抗弯计算

根据简支梁受弯结构特性，最大荷载在简支梁中心时产生最大弯矩，栈桥最大弯矩由点荷载弯矩和自重荷载弯矩两部分组成：

点荷载最大弯矩

自重荷载最大弯矩

抗弯计算按照《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中4.1.1公式

    (4.1.1)

式中  Mx、My——同一截面处绕x轴和y轴的弯矩(对工字形截面：x轴为强轴，y轴为弱轴)；

    Wnx、Wny——对x轴和y轴的净截面模量；

    、——截面塑性发展系数；对工字形截面， =1.05， =1.20；对箱形截面， ==1.05； 

    f——钢材的抗弯强度设计值。

仰拱栈桥单支栈桥抗弯强度计算：

I25a工字钢采用Q235钢材，抗弯强度设计值为，安全系数为

经验算抗弯强度满足设计要求。

3、抗剪计算

根据简支梁承重特性，简支梁剪力最大值为简支梁两端，最大剪力由自重剪力与荷载剪力。

极限荷载剪力

自重剪力

抗剪计算采用《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中4.1.2公式

    (4.1.2)

式中  V——计算截面沿腹板平面作用的剪力；

    S——计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；

    I——毛截面惯性矩；

    tw——腹板厚度；

    fv——钢材的抗剪强度设计值。

仰拱栈桥单支栈桥抗剪强度计算：

I25a工字钢采用Q235钢材，抗剪强度设计值为，安全系数为

经验算抗剪强度满足设计要求。

4、最不利截面弯剪应力计算

由极限荷载在栈桥中间位置引起的弯矩和剪力同时作用，造成中间截面工字钢同时承受弯矩和剪力的同时作用，需对该部位弯剪应力进行校核。

校核采用《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中4.1.4公式

         (4.1.4-1)

式中  σ、τ、σc——腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力，τ和σc应按公式(4.1.2)和公式(4.1.3-1)计算，σ应按下式计算：

    (4.1.4-2)

σ和σc以拉应力为正值，压应力为负值；

    In——梁净截面惯性矩；

    y1——所计算点至梁中和轴的距离；

    β1——计算折算应力的强度设计值增大系数；当σ与σc异号时，取β1=1.2；当σ与σc同号或σc=0时，取β1=1.1。

仰拱栈桥单支栈桥中间截面下翼缘表面弯剪校核计算：

1)无局部压应力

2)由弯矩产生的拉应力

3)中间截面剪应力仅由极限荷载产生，自重荷载不产生剪应力

4)

5)

安全系数

5、整体稳定

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中4.2.4规定：

不符合4.2.1条1款情况的箱形截面简支梁，其截面尺寸(图4.2.4)应满足h/b0≤6，l1/b0≤95(235/fy)。

    符合上述规定的箱形截面简支梁，可不计算整体稳定性。

栈桥为I25a工字钢焊接形成的箱型截面简支梁，其

可不计算整体稳定性。

6、疲劳计算

右岸洞室共剩余混凝土工程量约1万方，全部使用混凝土搅拌运输车6m3运输，共计1667车，通过仰拱栈桥共计3334次，包括出渣运输、钢筋运输仅其他材料运输计划约1000车次，仰拱栈桥共计重复荷载约5334次。

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中6.1.1规定：

直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5X104次时，应进行疲劳计算。

由于仰拱栈桥受动力荷载重复作用次数远小于设计规定的疲劳计算要求次数，仰拱栈桥可不进行疲劳验算。

7、焊缝计算

I25a工字钢单根长度为6m，仰拱栈桥加工过程中需采用将工字钢对接焊接，焊缝质量不低于三级焊缝，且所有对接焊缝均应错缝布置，保证单支栈桥单位截面仅有1个工字钢对接焊缝。

根据焊缝计算强度，采用E43型焊条的手工焊接三级焊缝时，抗拉强度，如前最不利截面弯剪计算

1)

2)

3)安全系数

安全系数大于1.5，可保证栈桥的安全。

为提高对接焊缝部位安全可靠性，可在对接焊缝上下缘翼板焊接顺工字钢加强翼板，加强翼板采用1cm厚钢板，宽度10cm，长度不小于50cm，与工字钢角焊缝满焊，增强工字钢对接焊缝上下部最不利部位抗拉、抗压强度。

8、总结

经验算采用I25a工字钢加工的仰拱栈桥各项安全系数均大于1.5，能够满足安全要求。