【摘要】：本文以采煤沉陷區(qū)既有框架橋加高工程為研究背景,設(shè)計(jì)一種可升式鋼結(jié)構(gòu)作為既有框架橋的加層結(jié)構(gòu)。通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件,以ANSYS軟件數(shù)值模擬為基本手段,分析了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受開采沉陷影響的靜力響應(yīng)、動(dòng)力特性和穩(wěn)定性,并針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出優(yōu)化方案。取得如下主要成果:(1)設(shè)計(jì)出新的滿足采煤沉陷區(qū)既有框架橋加高要求的可升式鋼結(jié)構(gòu),使框架橋加層的臨時(shí)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)合為一體。(2)鋼結(jié)構(gòu)傾斜斜率不變,不同傾斜情況下,隨鋼平臺(tái)抬升,下沉側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)柱受力減小,不下沉側(cè)鋼結(jié)構(gòu)柱受力增加;主梁受力均減小。(3)鋼平臺(tái)抬升高度不變,不同傾斜情況下,隨鋼結(jié)構(gòu)傾斜斜率增加,下沉側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)柱軸力線性減小,不下沉側(cè)柱軸力線性增大;主梁內(nèi)力均線性增加。(4)次梁受開采沉陷影響較小,受力狀態(tài)變化不大。(5)可升式鋼結(jié)構(gòu)受開采沉陷影響其自振頻率變化范圍在4.98Hz~21.29Hz之間,均大于火車振動(dòng)頻率;鋼結(jié)構(gòu)在鋼平臺(tái)抬升3.6m時(shí)動(dòng)力特性最優(yōu)。(6)鋼平臺(tái)抬升6m成永久結(jié)構(gòu)后,傾斜斜率超過40‰時(shí),須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行加固。(7)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱加斜撐優(yōu)化加固。鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能顯著提升。一階屈曲荷載增大,一階屈曲最大變形減小。
【圖文】：

在繼續(xù)采煤和老采空區(qū)“活化”的情況下，這些建在采煤沉陷區(qū)上的道路、橋梁會(huì)產(chǎn)生大的基礎(chǔ)下沉，其下沉值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)行道路、橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[2]。采煤沉陷區(qū)上的鐵路橋梁是保證煤炭外運(yùn)的重要構(gòu)筑物，因其在基礎(chǔ)下沉情況下也需保證鐵路運(yùn)行的特殊性，已成為制約開采鐵路下壓煤的瓶頸。對(duì)于鐵路橋梁下沉的一般技術(shù)對(duì)策和處理辦法是：下沉量不大時(shí)，地面采用加高橋梁墩臺(tái)的方法；下沉量大時(shí)，待下沉基本穩(wěn)定后，拆除原有橋梁進(jìn)行重建[3]。這種處理方法不能解決在大幅下沉地區(qū)鐵路線路不能中斷的橋梁建設(shè)問題，，且橋梁拆除重建需耗費(fèi)大量的人力物力，對(duì)國家不能不說是一種巨大的浪費(fèi)。中國礦業(yè)大學(xué)采動(dòng)區(qū)路橋工程研究所根據(jù)目前的煤炭開采引起地基大幅沉降的現(xiàn)狀，研究發(fā)明了一整套在保證不中斷鐵路運(yùn)輸下修建橋梁的技術(shù)，該橋梁最大可適用地基沉降 10m 左右。其核心是在采動(dòng)區(qū)使用剛度大的適應(yīng)地基不均勻沉降的箱型框架結(jié)構(gòu)橋。當(dāng)橋梁下沉?xí)r，在既有箱型框架橋上填筑煤矸石路基以維持鐵路標(biāo)高不變，但路基填料重度大且橋涵有過水要求，路基加高高度有一定限制；橋梁下沉穩(wěn)定后，在既有框架橋上加層建設(shè)新框架橋來取代路基填料（如圖 1-1）。

鋼結(jié)構(gòu)在各個(gè)箱體上獨(dú)立設(shè)置。獨(dú)立設(shè)置的鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)橋而言，避免了下部不同箱體不均勻沉降而產(chǎn)生的附加應(yīng)力；相對(duì)自身而言，其只受不均勻沉陷中下沉、傾斜的影響，避免了受水平移動(dòng)、正曲率、負(fù)曲率的影響。為了能使隨著地表下沉鐵路標(biāo)高不變，鋼結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)成可抬升式。不同于海上石油平臺(tái)的升降形式，本鋼結(jié)構(gòu)抬升完成后將作為永久結(jié)構(gòu)存在，只升不降，所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)不需采用電動(dòng)機(jī)械滑桿模式。為此，確定本鋼結(jié)構(gòu)抬升方式為液壓千斤頂頂升。為解決液壓頂升只能一段一段頂升的弊端，本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成有碴軌道。當(dāng)達(dá)不到頂升最小高度時(shí)，填筑道碴維持鐵路標(biāo)高不變；當(dāng)達(dá)到頂升高度時(shí)，頂升后減少道碴，維持鐵路標(biāo)高不變。單個(gè)箱體上的鋼結(jié)構(gòu)跨徑與箱體相同，與整體鋼結(jié)構(gòu)橋相比，跨徑小，獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)受力小，頂升方便。本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以濟(jì)河鐵路中橋?yàn)楸尘�，鐵軌下單個(gè)箱體平面尺寸為 12m×8m，設(shè)計(jì)成四柱支撐一個(gè)鋼平臺(tái)的形式。四柱立于單個(gè)箱體表面，鋼平臺(tái)可隨地表沉陷而抬升。如圖 2-2、2-3 所示。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是：鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)、柱設(shè)計(jì)、鋼平臺(tái)與柱的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、柱腳連接設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U445.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2704255