设计中的荷载（通用8篇）
设计中的荷载 篇1
1概述
建筑结构与人们的生活关系密切, 大多数时间人总是处于天然的或者设计的结构体中, 尽管大多数人对建筑结构并不了解, 但是结构设计者总是追求性能更为有效的结构, 以适应人们日益增长的生产、生活需求。所有成功的结构设计都有一个共同点, 即有效的传递荷载。
2荷载的分类和组合
结构的主要功能是传递荷载, 在确定结构的具体形式之前, 需要清楚结构必须传递的荷载内容。荷载根据来源可分为:永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载是指在结构使用期间, 其值不随时间变化, 或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载;可变荷载是指在结构使用期间, 其值随时间变化, 且其变化与平均值相比不能忽略不计的荷载;偶然荷载是指结构使用期间不一定出现, 一旦出现, 其值很大且持续时间很短的荷载。
所有结构都必须抵抗重力, 重力作用于物体并通过结构指向地球中心, 因此, 永久荷载的第一来源是重力荷载。由于地球表面空气流动而形成风, 风在干扰其流动的物体上形成力, 因此结构必须抵抗的另外一种永久荷载就是风荷载。除此以外, 结构还不得不承担土压力、水压力、温度变化和地层运动带来的荷载。可变荷载与永久荷载不同, 因为永久荷载不能避免而必须承受, 可变荷载则是那些需要的荷载, 这些荷载是由结构实现其功能而带来的, 例如工厂中需要放置的设备, 办公楼中的人以及办公设备的荷载, 水池中的水产生的荷载等等。偶然荷载的发生与安全概念相关, 如果某些突发情况是可能的且无法避免的, 那么结构就应该能抵抗这些突发情况中产生的荷载。例如, 某些使用易燃易爆原料的工厂设计时就需要考虑到一旦发生爆炸对于结构的影响, 道路、桥梁设计时则需要考虑意外碰撞所带来的影响。
尽管每种荷载可能是独立作用的, 但结构本身在使用期间总是承受着各种不同的荷载, 因此结构必须能够承担任意不同的荷载组合作用, 这些各种不同的荷载组合范围称为荷载组合。在各种荷载组合中总是出现的唯一荷载就是重力荷载, 再加上其他荷载, 因此会产生若干荷载组合, 例如:
•荷载组合1:重力荷载+可变荷载
•荷载组合2:重力荷载+风荷载+雪荷载
•荷载组合3:重力荷载+可变荷载+地震荷载
•荷载组合4:重力荷载+可变荷载+温度荷载
成功的结构必须考虑这些不同的荷载组合, 以保证结构可以安全的承受所有的荷载组合。但这也意味可以把设计的注意力集中到一些对结构最不利、对结构计算起到控制作用的组合上来, 发现最不利组合需要进行大量的试算, 结构设计者通过经验选择常见的荷载组合并进行计算, 通过结果来确定需要着重分析的荷载组合。
3荷载的传递
每一种荷载通过结构构件的相互作用, 经过一定的路径传递至支撑位置, 这就是荷载路径。所有的荷载肯定有至少一条从作用点到最后支撑位置的荷载路径, 结构设计中必须识别荷载和荷载组合的路径。同时, 因为结构的作用是传递荷载, 那么对每一种荷载而言, 其荷载路径就是结构。结构中不同的结构构件对应不同的荷载路径, 竖向荷载和水平荷载对应的路径往往相去甚远, 所以结构设计中通常需要针对不同的荷载和荷载路径来设置不同的结构构件。
确定并且分析不同荷载路径上的结构构件, 以保证其在结构使用期间能安全有效的工作, 是结构设计者主要工作之一。但是现实生活中建筑结构形式多种多样, 往往为了实现特定的功能或者另类的建筑造型, 必须建立非常复杂且不可预测的结构形式, 这种结构荷载路径必定会花费设计者大量的时间和精力, 所以建筑结构设计应该多方面考虑, 在建筑方案阶段找到建筑功能与结构的平衡, 建立荷载路径简单、高效的结构体系, 以避免因为结构不合理造成时间和金钱上的浪费。通过对于荷载的认识, 结构设计主要内容及步骤包含以下几个方面:①根据建筑设计来确定结构体系、确定结构主要材料;②结构平面布置;③初步选用材料类型、强度等级等, 根据经验初步确定构件的截面尺寸;④结构荷载计算及各种荷载作用下结构的内力分析;⑤荷载效应组合;⑥构件的截面设计。此外还包括某些必要构造措施。
由于现实结构形式的复杂性, 人们在研究结构时往往做出许多假定, 这些假定在结构应力计算中得到应用, 以计算每条荷载路径上的应力大小并检查所有的应力是否都在允许范围以内。这些假定包括:①材料各项同性;②材料常为线弹性;③结构是均匀的;④结构的挠度可控;⑤平截面假定。
4小结
通过对荷载和荷载路径的认识和分析, 能够更加清晰准确的了解结构性能, 以便在结构设计中选取最为高效、可靠的结构形式。现代科学水平的突飞猛进, 大量新材料的发明以及诸如索膜结构、巨型结构、开合式屋盖结构、高效预应力结构、折叠结构、玻璃结构的出现, 拓宽了结构设计的视野, 打开了结构设计进步的大门。
摘要：通过简单介绍荷载的来源与分类, 分析建筑结构中荷载与结构的关系, 着重阐述结构中荷载对结构的影响。
关键词：结构,荷载,荷载组合,荷载路径
参考文献
[1]建筑结构荷载规范[S].
[2]Millais, M.建筑结构原理[M].
设计中的荷载 篇2
摘要：随着行车密度、车辆重载和交通量的越来越大，科学的桥梁设计已成为保证交通运输安全和提高运输效率的重要因素。在桥梁设计中，应选择标准的荷载规范，对桥梁进行优化处理，争取达到最合适的荷载范围，在保证安全的前提下，方便人们出行需要。
关键词：桥梁设计;荷载;处理措施
随着我国经济的迅速发展，公路、桥梁上集装箱运输、载重货物运输、拖挂运输等重型车辆日益增多，大型平板车和矿山运载车等特种工程车也经常出现，这些都对桥梁设计带来高规格的要求。当桥梁施工完成，并且投入使用后，会承受不同方向、不同强度的荷载，如果桥面施加的荷载超过了桥梁的承受范围，则会引发桥梁出现质量安全问题，这也考验了桥梁设计者的设计水平。对于桥梁，尤其是大跨径桥梁而言，其设计要结合当地实际情况，在确保技术可行的条件下，进行大量的分析调查，然后制订方案，确保桥梁建设的安全性和可靠性。
1.公路桥梁荷载设计概述
在公路、桥梁设计过程中，车辆荷载是设计时需要考虑、参照的一项重要技术指标。车辆荷载的核算主要包括对各种车辆轴距、车间距、车重和轴重等方面的数据分析。荷载效应的计算属于重载交通公路桥梁的计算范围，它是通过对公路桥梁实际使用中应承担重载交通工具的详细数据进行细致的分析和计算，得出准确的数据，再从这些数据中筛选出具有代表性的车辆荷载数据和车队纵向排列模式，以此计算在荷载效应中重载交通工具的类型。在我国《公路桥梁设计通用规范》中，对因道路不同而产生的车辆荷载效应有详细的规定——在设计高速公路时，它的荷载属于公路Ⅰ级。在公路Ⅰ级范围内，荷载包括的交通工具是加重汽车和普通汽车。当然，具体情况还要具体分析，在经济高速发展的时代，交通工具多种多样。根据归纳和推理法，可将各种类型的汽车都划分到普通汽车和加重汽车这两个类中。
荷载设计是影响桥梁质量的重要内容，影响桥梁荷载设计质量的因素很多，其中设计人员的素质与能力对提高桥梁质量起到直接影响的作用。很多设计人员，由于缺乏丰富的实践经验，对桥梁荷载问题缺乏重视，而荷载问题是影响桥梁质量以及耐久性的关键问题。另外，桥梁施工材料的质量也是荷载设计的主要保证因素，材料的强度影响着桥梁表面的承载能力，所以，施工单位要对施工材料以及设备做好把关工作。经过调查发现，桥梁出现倒塌问题的事件，很大一部分原因是荷载设计存在问题而导致的，所以，提高荷载设计的质量，可以有效的提高桥梁的质量与安全，也是施工单位未来改进与提高的主要方向。
2.桥梁设计常见荷载问题
提高桥梁荷载设计的质量，首先应该提高设计人员的素质与能力，提高其对荷载设计重要性的认识。很多桥梁出现质量的原因，是设计人员设计水平不高而引起的。在我国，有的设计人员，为了增加桥梁的美观性，忽视了对桥梁承载能力的保证，降低了桥梁使用过程的安全性。如果一味的追求桥梁设计的标新立异，而忽视设计的合理性与可行性，不但会增加施工的成本，还会增加施工的难度。还有的设计人员，由于刚刚毕业，缺乏一定的工作经验，喜欢纸上谈兵，其设计出的桥梁施工方案，由于考虑不够全面，往往容易忽视桥梁的荷载问题，这就降低了桥梁的承载能力，使得很多桥梁在投入使用后不久就出现了大量的质量问题。为了保证桥梁设计的质量，设计人员需要进行实地考察，还要通过正确的计算公式，掌握桥梁的结构的强度以及荷载系数等等。
桥梁设计是一项复杂的工作，影响桥梁质量的原因很多，设计人员要不断提高专业技术，设计出完善的结构体系以及构造，还要做好施工材料以及设备的审查工作，只有做好准备工作，才能从根本上防止桥梁荷载问题的方发生。桥梁的施工材料的强度对桥梁承载能力有着重要的影响，只有保证材料的合格性，才能保证荷载设计的有效的发挥，从而提高桥梁承受荷载的能力。桥梁结构的耐久性是荷载设计中需要注意的问题，耐久性影响着桥梁的使用寿命，还影响着桥梁使用的安全性。如果设计人员对桥梁受力计算不够准确，则会使桥梁出现受力不均匀的问题，这种问题会影响桥梁结构的耐久性。
3.桥梁设计荷载问题的处理措施
3.1桥梁荷载设计的原则
荷载是桥梁承受的主要作用力，很多桥梁发生裂缝等质量问题，都是由于桥梁承受的荷载超重引起的，出现这一问题，也反映出该桥梁的荷载设计存在一定问题。在桥梁设计中，造成桥梁荷载问题主要有两个方面，一方面是桥梁设计的理论与实际不符，另一方面是桥梁结构体系存在一定漏洞。为了保证桥梁荷载设计的质量，设计师在设计时应该遵守两种原则，其一，桥梁设计必须符合我国相关部门对桥梁质量与安全的规定，相关荷载设计必要达到指标，这样才能使桥梁的结构设计更加合理与稳定;其二，桥梁设计需在保证经济性的前提下，改进设计技术，提高设计方案的质量，保证桥梁设计的经济性，可以延长桥梁的使用寿命，这也可以降低桥梁出现质量问题的概率。
3.2加强管理
目前桥梁超载问题要尽量避免，在我国大体上有三种桥梁超载现象：一是一些老桥梁超龄负载运营，较早时期修建的;二是车流量超过了设计上限的桥梁在实际使用过程中;三是违规超载现象，这种现象只有个别车辆存在。为了计算方便，均布荷载及集中荷载组合作为桥梁设计建议设计荷载的优先选择。
3.3重视设计的耐久性问题
很多桥梁倒塌或受到严重损害与桥梁耐久性设计的缺乏有关，这也重新引起了人们对桥梁耐久性问题的重视。设计上的缺陷是影响桥梁耐久性的决定因素。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，因此就需要将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。而国外的桥梁设计将提高结构物的耐久性作为其设计原则，对桥梁的结构布局和构造细节进行统一考虑，使结构更加容易被检查与维修，以此来保证桥梁的安全使用，尽可能地減少维修费用，综合经济效益明显。
3.4重视对疲劳损伤的研究
疲劳损伤一直被认为是桥梁设计中的核心问题。由疲劳损伤而引起桥梁开裂的案例很多，因疲劳断裂而引起桥梁垮塌的例子也有不少。对疲劳损伤的研究不应该仅局限于结构领域，对某些关键部位的局部疲劳研究也应该成为研究的重点与方向。虽然疲劳损伤已经进入混凝土结构的研究，但对其动态性能和疲劳性能的研究仍需加强，并且要把对这一方面的研究及时地应用到桥梁荷载的设计过程中，为其服务。
4.结语
道路桥梁是重要的运输通道，增设道路桥梁对国民经济的增长有一定的推动作用。随着人口的增多，我国的交通压力越来越大，这对路桥梁的设计也有了更高要求，尤其是桥梁的荷载问题，只有增加桥梁的承载能力，才能保证车辆行驶的安全性。所以，桥梁设计人员需要紧跟时代步伐，更新设计理念，更好地适应时代发展的要求，更好的为人民的生命与财产安全提供保障。面对桥梁设计中的荷载问题，设计人员必须通过不断的学习以及经验积累，提高自身的素质以及设计水平，这样才能保证桥梁质量，避免安全事故的发生。
参考文献：
[1]雷文辉.浅谈桥梁设计的一般问题与改进[J].黑龙江科技信息.2009（06）.
[2]郭丰振.浅析公路桥梁设计应注意的要点[J].黑龙江科技信息.2012（30）.
[3]张伟，李荣新.仿生学在桥梁设计中的应用探讨[J].科技风.2013（09）.
[4]陈婷，陈波.我国桥梁设计问题研究[J].科技致富向导.2011（26）.
设计中的荷载 篇3
全球能源供应日趋紧张, 环境问题日益严重, 可再生能源符合人类可持续发展的要求, 越来越受到世界各国的广泛关注。中国海域面积广大, 就目前技术条件, 可在距离海岸10 km左右, 深度不超过25 m的海域安装风力发电机组。中国北方地区每年都有海冰出现, 渤海虽然纬度不高, 冰情却很严重, 在1969年和1977年两次重冰年中, 各有一座导管架平台被海冰推倒。本文将参考国内海上石油平台导管架结构设计中冰荷载研究的现状, 结合海上风机基础设计的特点, 提出海上风机基础设计中冰荷载研究的技术路线。
1 冰荷载研究的必要性
目前中国已建的海上风电场不位于冰区, 因此并未考虑海冰作用的影响。实际上, 海冰对结构的作用是海上风机基础设计和风场安全运营的重要影响因素。在风机基础的设计计算中, 冰荷载参与组合的载荷计算工况往往成为基础设计的控制工况。此外, 动冰力特性、冰致振动机理及冰致结构疲劳累积损伤分析也是海上风电场设计中需要重点关注和研究的课题。对海冰作用的合理评估不仅关系到冰区海上风电场的工程投资, 也关系到结构安全。目前国内并未有针对海上风机基础设计中冰荷载作用效应评估的研究成果, 因此, 开展该领域冰荷载方面的相关研究是中国北方海域发展海上风力发电技术亟待解决的关键课题。
2 冰荷载关键技术研究
与研究其它环境荷载一样, 冰荷载的研究一般也采用理论分析、原型观测、模型试验和数值分析相结合的方法。针对海上石油平台的建造和运营, 国内外已经积累了一些冰荷载的相关研究成果, 包括:海冰的破坏机理、冰与结构物的相互作用、静冰力和动冰力的计算评估、海冰动力作用的频谱特性和自激特性、导管架冰振疲劳等, 并通过导管架平台的现场测冰得到了部分海区的冰力历时时程曲线[1], 这些研究成果可作为海上风机基础冰荷载研究的重要借鉴和基础。但是, 由于海上风机下部支撑结构及地基基础同时耦合了高耸结构、大型动力设备基础和海洋工程三种结构特征, 风机设备和电气设备的正常运行对结构振动的敏感性非常高, 这些因素又使得针对该类基础形式的冰荷载研究有其特殊的要求和难点。
2.1 冰荷载的计算
通过比较国内外相关规范对冰荷载计算方法的规定, 考虑到国外规范由于海域的限制和冰参数取值的差异, 可能导致结构设计的保守, 因此, 推荐中国寒区的静冰荷载计算主要参照JTS 144-1-2010港口工程荷载规范的规定[2], 并参考API RP 2N[3]的规定;渤海海区的静冰荷载还可参考海洋石油总公司企业标准 (内部资料) Q/HSn 3000-2002中国海海冰条件及应用规定的规定;动冰荷载的计算公式在国内相关规范中未有列出, 推荐采用IEC 61400-3[4]中附录E.4.6的规定, 如下。
直立结构上由移动的冰盖产生的荷载变化可近似为竖向交变的正弦曲线, 计算公式见式 (1) 、式 (2) :
在锥形结构上 (锥体倾斜角α≥30°) 由移动冰盖产生的荷载变化可近似为竖向交变的正弦曲线, 计算公式见式 (3) :
式 (1) 至式 (3) 中, Hdynv为直立结构上的动冰荷载, k N;Hdynk为锥形结构上的动冰荷载, k N;Hd为直立结构上由挤压产生的水平静冰荷载, k N;h为设计冰厚, m;D为迎冰面宽度, 即桩柱水线面处直径, m;σc为冰的单轴抗压强度, k Pa;k1为形状系数;k2为接触系数;k3为冰厚与迎冰面宽度的比值, k3=h/D;t为时间, s;fN为风机基础结构的固有频率, Hz, 应校验一阶和二阶频率;fb=U/Kh, Hz;U为浮冰的实际速度, m/s;K为系数, 4≤K≤7, 应选择产生最大载荷的K值。
也可假定动冰荷载 (包括直立结构和椎体结构) 为三角形曲线, 见图1。
在冰区风机基础的冰荷载计算中, 建议通过收集和分析海上平台的测冰数据和已有冰荷载模型试验的成果, 考虑海冰与结构相互作用对冰荷载的影响, 计入冰速对冰力大小的影响、多桩 (锥体) 结构前冰排的“非同时破坏”对总冰力的大幅折减及桩 (锥) 间距对冰力的折减作用, 考虑合适的海上风机基础冰荷载优化计算方法, 避免结构设计过于保守。
2.2 冰激振动对风机塔架地基基础整体的动力影响
冰激振动并非柔性结构在交变冰荷载作用下的特有现象, 1985年到1986年冬季加拿大Molikpaq大型沉箱式刚性结构遭遇严重冰激振动的事实使人们认识到刚性结构同样面临冰激振动的危险。风况的不稳定导致风轮具有非常宽广的激振频率, 以一台3 MW典型风电机组为例, 为避免系统共振, 整个支撑结构的允许频率范围非常狭窄, 一般需要控制在0.30 Hz~0.39 Hz之间。有研究表明, 对不同冰速下的冰力谱进行分析, 冰力的主频集中在0.27 Hz~0.84 Hz之间[5], 正好涵盖了上述支撑结构的控制频率, 海冰作用有可能导致结构整体发生共振, 研究冰激振动对结构的动力影响非常必要。
需要指出的是, 冰激振动模型试验的关键是保证模型和原型的振动机理相同, 因此, 动冰力模型试验中要特别注意制定合适的模型律用来建立相似体系, 以确保结构的动力特性、冰激振动过程中的动冰力、结构振动对冰力的反馈等最大限度接近工程实际。另外, 可在频域上联系冰力与结构响应之间的复数频率反应函数实现从响应谱到冰力谱的转化, 以此消除柔性结构上测得的冰力谱包含结构动力特性的影响[6]。
2.3 抗冰振疲劳分析
对冰区海上风机基础而言, 动冰荷载可能引起整体结构产生振动加速度, 诱发显著的振动响应, 对风机和电气设备的正常运行造成一定影响, 风机基础杆件焊接处的节点也可能由此引发冰振疲劳, 严重时会引起结构失效。目前, 海上平台设计普遍推荐安全寿命设计方法用于海洋平台构件疲劳分析与寿命评估, 该方法主要基于Miner线性累积损伤理论和材料的S-N曲线, 在风机基础的冰振疲劳分析中也建议采用这一方法。根据张大勇等[7]提出的渤海平台单立柱桶形基础的疲劳分析方法, 推荐采用谱方法估算冰激疲劳寿命, 步骤如下:
a) 根据结构的杆件布置、结构刚度、质量和阻尼等建立结构力学模型, 确定结构的振型和频率;
b) 根据现场测冰数据及历史冰情资料, 统计结构设计使用年限内的平均冰期、冰作用方向、冰厚及冰速的概率分布情况, 划分冰况并统计每种冰况出现的概率;
c) 通过已有海上平台的大量实测数据和模型试验成果, 分析结构上海冰破坏的冰力谱形式, 建立随机冰力谱模型;
d) 进行结构动力分析, 求得各工况的应力谱, 按照瑞利分布确定应力历程循环数曲线;
e) 根据冰期、每种冰况出现的概率、结构的自振频率估算相应冰况每年出现的应力循环数;
f) 利用Miner理论估算危险节点的疲劳损伤。
2.4 抗冰结构设计
冰荷载的大小主要取决于冰的破坏形式。冰与直立结构作用时以挤压破坏形式为主, 与斜面结构作用时产生弯曲破坏。由于冰的弯曲强度低于压缩强度, 斜面结构的冰荷载要低于直立结构的冰荷载, 因此, 在圆柱结构上安装锥体可有效降低极值冰力, 这一点已经得到理论和模型试验的验证。
抗冰锥体的中心点通常位于平均海平面附近, 锥体高度至少应能覆盖冰磨蚀区内导管架主体构造重要的环形焊缝, 通常可取冰区设计高水位以上0.5 m到设计低水位以下1.0 m。渤海导管架平台抗冰锥体实用的锥角范围一般在40°~65°。正、倒锥角最合理的搭配应是使正、倒锥体上的冰力相等。实践证明, 目前更为有效的抗冰锥结构是采用正、倒锥角非对称布置 (即正锥角大于倒锥角) 的设计形式。同时可考虑在抗冰锥体与主体结构之间安装弹性阻尼构件降低动力效应。
安装锥体对降低结构冰激振动的效果并未得到充分论证。研究表明, 冰与锥体的弯曲破坏过程中也能够形成交变冰力, 从而引起结构比较显著的振动。但是, 也有观点认为, 尽管直立结构或锥体结构都可能发生强烈的冰激振动, 但直立结构上的稳态振动比锥体结构上的随机振动更为显著[8]。为安全起见, 建议对同一结构在安装锥体前后的冰振响应进行比较研究。
此外, 可对结构振动敏感性很高的电气设备进行专门的避振设计, 建议设置隔振装置将设备与结构隔离开, 限制基础的振动向设备传递, 并通过模型试验验证隔振装置的效果。
3 结语
通过对冰荷载计算方法、冰激振动研究、冰振疲劳分析和抗冰结构设计的相关介绍, 明确了海上风机基础设计中开展冰荷载研究的必要性。主要结论如下:
a) 推荐结构静冰荷载和动冰荷载计算采用的规范, 并结合已有测冰数据和模型试验成果进行适当优化;
b) 通过模型试验研究冰激振动引发结构共振的可能性, 分析其对结构整体动力响应的影响;
c) 推荐采用基于Miner线性累积损伤理论和材料的S-N曲线的安全寿命设计方法估算冰振疲劳, 给出了谱方法的分析步骤;
d) 安装锥体是冰区海上风机基础的有效抗冰措施, 建议通过比较试验判定安装抗冰锥体对结构振动安全性的影响。
摘要：冰荷载参与组合的工况往往成为冰区海上风机基础设计的控制工况。通过对冰荷载计算方法、冰激振动研究、冰振疲劳分析和抗冰结构设计的相关介绍, 明确了海上风机基础设计中开展冰荷载研究的必要性, 为海冰作用对基础设计的影响评估提供了理论依据和技术路线指导。
关键词：海上风机基础,冰荷载,冰激振动,抗冰设计
参考文献
[1]岳前进, 时忠民.柔性抗冰海洋平台与动冰力研究[J].工程力学, 2003 (增刊) :114-122.
[2]中交第一航务工程勘察设计研究院有限公司, 刘进生, 杨希宏, 等.JTS 144-1-2010港口工程荷载规范[S].北京:人民交通出版社, 2010.
[3]American Petroleum Institute, API.API RP 2N Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions[S].Second Edition, Washington, DC:API, 1995.
[4]International Electrotechnical Commission.IEC 61400-3 Wind Turbines-Part 3:Design requirements for offshore wind turbines[S].Geneva, Switzerland:IEC, 2009.
[5]史庆增, 徐继祖, 宋安.海冰作用力的模拟实验[J].海洋工程, 1991 (2) :16-21.
[6]史庆增.海冰的动力作用和冰力谱[J].海洋学报, 1994 (9) :106-111.
[7]张大勇, 车啸飞, 岳前进, 等.渤海单立柱桶形基础平台抗冰振分析[J].船舶力学, 2011 (8) :915-920.
人防设计荷载取值的探讨 篇4
核武器爆炸动荷载作用下,人防荷载(等效静荷载标准值)的取值与核等级、覆土、板跨、是否考虑上部建筑的影响等因素有关。
覆土在0.5 m(包括0.5 m)之间时,板跨在3 m～9 m之间时,核6级的顶板荷载不考虑上部建筑的影响取值为60 kN/m2,考虑上部建筑的影响取值为55 kN/m2,核5级的顶板荷载不考虑上部建筑的影响取值为120 kN/m2,考虑上部建筑的影响取值为100 kN/m2。
覆土在0.5 m～1.0 m(包括1.0 m)之间时,根据顶板区格最大短边的净跨取值。顶板区格最大短边的净跨越大,取值相对来说越小,顶板区格最大短边的净跨越小,取值相对来说越大。在这个覆土范围内,不考虑上部建筑影响时,6级取值在65 kN/m2～70 kN/m2之间,5级取值在130 kN/m2～140 kN/m2之间,考虑上部建筑的影响时,6级取值在60 kN/m2～65 kN/m2之间,5级取值在110 kN/m2～120 kN/m2之间,不考虑上部建筑的影响时的取值比考虑上部建筑影响取值大。
覆土在1.0 m～1.5 m(包括1.5 m)之间时,荷载值比覆土在1.0 m～1.5 m(包括1.5 m)之间时有所提高。这个覆土范围内人防荷载的取值仍然是根据顶板区格最大短边的净跨取值。不考虑上部建筑影响时,6级取值在70 kN/m2～75 kN/m2之间,5级取值在130 kN/m2～145 kN/m2之间,考虑上部建筑的影响时,6级取值在60 kN/m2～70 kN/m2之间,5级取值在115 kN/m2～135 kN/m2之间。
当覆土超过1.5 m时,相关规范没有提到这种情况下的取值。现在很多大型社区由于各种需要,特别是由于市政管道和社区设备(水管,电缆等)埋深的要求,很多-1层人防地下室的覆土超过了1.5 m,规范更新的时候应该把这种情况也考虑进去。
根据上面的取值来看,覆土越厚,人防顶板取值越大,板跨越小,人防顶板取值越大。考虑人防时,荷载的组合分为平时组合和战时组合。平时荷载组合即按照荷载规范进行组合。战时荷载组合一般考虑1.2恒载(包括板自重)+人防荷载。当然,人防荷载作用的时候钢筋和混凝土的强度都提高了,所以要考虑材料强度提高系数,不同等级的混凝土材料强度提高系数是一样的,均为1.5,不同级别的钢筋材料强度提高系数不一样,Ⅰ级钢是1.5,Ⅱ级钢是1.35,Ⅲ级钢是1.2。
对于多层的甲类防空地下室,当相邻楼层分别划分为上、下两个抗力级别相同或者抗力级别不同且下层抗力级别大于上层的防护单元时,则上、下两个防护单元之间楼板的等效静荷载标准值应按防护单元隔墙上的等效静荷载标准值确定,但只计入作用在楼板上表面的等效静荷载标准值[1]。
人防地下室底板的人防荷载取值与覆土、板跨、核武器级别、地下水位、是否考虑上部建筑的影响、基础形式等有关。无桩基的底板的人防荷载受覆土、板跨、核武器级别的影响的方式与顶板相似。底板位于地下水位之上时的取值比位于地下水位之下时的取值小。有桩基钢筋混凝土底板的人防取值,位于饱和土中的6级人防荷载取值为25 kN/m2,5级人防荷载取值为50 kN/m2。人防底板的荷载组合也分平时和战时。平时荷载组合即按照荷载规范组合,战时荷载组合为1.2恒载(包括板自重、水浮力)+人防荷载。计算平时配筋时要考虑裂缝,计算人防配筋时不需要考虑裂缝。当人防地下室水位很深的时候,战时等效荷载比平时荷载小,这种情况下底板的配筋由平时荷载和裂缝控制。
计算人防地下室柱子配筋的时候也应该考虑人防荷载,柱子的配筋同样分两种情况进行计算,配筋取大值。柱子的平时荷载是上方建筑物的自重、附加恒荷载(覆土、装修层等)、所有活荷载的组合,柱子的战时荷载是人防荷载、上方建筑物的自重、附加恒荷载(覆土、装修层等)的组合。由于一般人防地下室都在建筑物的最下面,当建筑物为高层或者活荷载很大的时候,柱子的配筋一般由平时荷载控制。单建式的人防地下室柱子的配筋是由战时控制。
2 工程实例分析
人防梁、板的战时配筋计算与平时配筋计算是有区别的。考虑人防荷载时,板是按照塑性理论计算,配筋率为0.25%,配筋双层双向,不考虑裂缝。以东莞凯东新城3期人防地下室为例,柱网8.4 m×8.4 m,布置井字梁,板厚200 mm,主梁600×1 000,次梁350×800,按照6级人防考虑,人防荷载取70 kN/m2,覆土等附加恒荷载24 kN/m2,活荷载20 kN/m2(消防通道)。PKPM软件计算出来的板的支座和跨中配筋率均为0.25%,即构造配筋,主梁的支座配筋率为1.48%,跨中配筋率为0.93%,次梁的支座配筋率为1.43%,跨中配筋率为0.64%。不考虑人防荷载时,板的支座配筋率为0.236%,跨中配筋率为0.248%。主梁的支座配筋率为1.13%,跨中配筋率为0.93%,次梁的支座配筋率为1.25%,跨中配筋率为0.64%(见图1,图2)。此人防地下室的其余部分活荷载为4 kN/m2,计算出来的结果是战时梁、板的钢筋面积都比平时大。一般情况下,跨度不大于8.4 m的梁,覆土在0.5 m以内,活荷载不大于4.0 kN/m2,布置井字梁,考虑人防荷载计算出来的板的配筋比不考虑人防荷载计算出来的配筋大。不过这种情况下人防的计算结果一般是构造配筋。当覆土很厚,或者活荷载很大的时候,考虑人防荷载计算出来的板的配筋可能比不考虑人防荷载计算出来的配筋小,要进行比较。但若考虑5级人防,战时和平时板的配筋计算和6级情况不一样。计算人防板配筋的时候要分战时和平时进行计算,结果取大值。对于梁,覆土和活荷载小的时候,这种情况下战时荷载计算出来的结果比平时荷载的计算结果大。当覆土很大或者活荷载很大,特别是活荷载超过20 kN/m2时,梁的支座配筋和跨中配筋平时荷载作用下控制还是战时荷载作用下控制须进行比较。
3结语
结合工程实例,对人防设计荷载的控制因素做了分析,计算人防地下室构件配筋的时候要将平时荷载和战时荷载分开计算,取最不利荷载作为配筋结果。活荷载小于10 kN/m2时,梁板的配筋由战时控制。当活荷载大于20 kN/m2时,梁板的配筋要根据荷载分开进行比较。
摘要：通过对人防荷载取值的分析、人防构件战时计算结果与平时计算结果的比较,结合工程实例,分析了人防设计荷载的控制因素,得出人防设计荷载的控制组合在不同情况下各有侧重的结论。
关键词：人防荷载,战时配筋,平时配筋
参考文献
[1]GB 50038-2005,人防地下室设计规范[S].
消防车荷载的设计探讨 篇5
随着建筑市场的发展, 地下室设计基本成为了建筑项目的“标配”, 而且规模变得越来越大, 功能也越来越复杂。因为地下室在整个项目投资中占据的比重较大, 所以历来就是开发商要求进行成本控制的重点。为了满足开发商限值设计的要求, 地下室结构除了结构选型方面的比选外, 地下室使用荷载的确定也是重要环节。地下室使用荷载中, 影响最大的莫过于消防车活荷载。
过去由于结构荷载规范在对消防车活荷载的规定上比较粗略, 《建筑结构荷载规范 ( 2006 年版) 》 ( 以下简称“2006年版《荷载规范》”) 要求单向板 ( 板跨度≥2 m) 时消防车活荷载取35 k N /m2、双向板 ( 板跨度≥6 m) 时取消防车活荷载20 k N /m2的, 既没有考虑到地下室覆土厚度等因素的影响, 而且规定的结构跨度又没有完全符合常用工程做法, 所以选用合理的消防车活荷载取值需要人为进行换算, 不同的设计人员往往结果不一。新的GB50009 - 2012《建筑结构荷载规范》 ( 以下简称“2012 年版《荷载规范》”) 在这些方面有所改进, 规定单向板 ( 板跨不小于2 m) 和双向板 ( 板跨不小于3 m × 3 m) 时消防车活荷载取35 k N/m2、双向板 ( 板跨不小于6 m × 6 m) 和无梁楼盖 ( 柱网不小于6 m × 6 m) 时消防车活荷载取20 k N /m2, 并且考虑地下室顶板上覆土厚度的影响列举了各种情况下的荷载折减系数。总的来讲, 2012 版《荷载规范》进一步明确了消防车活荷载的取值, 对实际工程设计有重要的指导意义, 但是在板跨规定方面依然不能完全满足实际工程设计的要求。
以实际工程中经常遇到的井字形楼盖为例, 柱网跨度往往是7. 8 ~ 8. 4 m, 每个板跨纵横向各布置2 根次梁, 因此所形成的双向板板跨是2. 6 ~ 2. 8 m ( 如图1 所示) , 小于2012 年版《荷载规范 》规定的双向板 ( 板跨不小于3 m × 3m) 的取值条件。那么在这种条件下, 消防车活荷载如何取值才是经济适用的呢? 下面本文根据12 版《荷载规范》附录C中“楼面等效均布活荷载的确定方法”来对2. 6 m × 2. 6 m的双向板进行具体研究。
1 计算荷载
1. 1 消防车荷载
参考现有资料 ( 《建筑结构荷载设计手册》 ( 2 版) 、《全国民用建筑工程设计技术措施 ( 结构) 》等) , 目前常见的中型消防车总重量小150 k N, 重型消防车重量则一般200 ~300 k N。当建筑物总高在30 m以上或建筑物面积较大时, 应考虑重型消防车荷载。本文将总重为300 k N的大型消防车作为研究对象, 其前轴重60 k N、后轴重2 × 120 k N, 有2 个前轮和4 个后轮, 车身尺寸、前后轮的轮压尺寸及位置如图2 所示。
由于实际项目中, 消防车道一般为5 m左右, 可能出现单车或者双车并行 ( 如图3) 的情况。对于2. 6 m ×2. 6 m的双向板, 单车和双车并行的情况下都有可能4 个后轮同时作用, 但双车并行时轮距更小, 可以判断双车并行是更不利的情况, 因此下面我们以双车并行作为研究对象。
1. 2 轮压扩散与叠加
当消防车荷载直接作用在板面上时, 局部轮压荷载可以简单地由单轮重量除以车轮触地面积得到。随着地下室顶板覆土的增加, 轮压会通过土层扩散后作用于顶板。由于国内外对于轮压在覆土中和混凝土板中的扩散还没有系统的研究, 本文假定轮压以一定角度扩散, 如图4。
同时参考CJJ105 - 2005《城市供热管网结构设计规范》附录C中对于轮压扩散角的规定, 将轮压在混凝土板中的扩散角取为45°, 在覆土中的扩散角取为35°, 则轮压扩散后受力面的边长可以按式 ( 1) ~ ( 2) 计算。
式中: bcx、bcy分别为轮压扩散后作用面的宽度与长度; btx、bty分别为轮压着地面积的宽度与长度; H为覆土厚度; θ 为轮压扩散角; h为板厚。 ( 为便于研究, 本文忽略轮压在混凝土顶板中扩散的影响。)
重轴单轮压力p = 60 k N作用下, 扩散后的轮压应力q为:
以上讨论了单轮轮压在覆土中扩散的情况, 随着覆土厚度的增加, 轮压作用面积不断扩大, 单轮扩散至顶板的压力随着压力作用范围的增大会减小, 但各轮胎轮压的作用面积可能发生重叠, 如图5 所示。
根据前述的轮压扩散原则, 得到覆土厚度H = 0、0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5、3. 0 m条件下双车并行的各后轮轮压扩散情况 ( 见图6) , 作为后面计算等效荷载的输入条件。
2 等效荷载计算
2012 年版《荷载规范》附录C“楼面等效均布活荷载的确定方法”中规定“C. 0. 6 双向板的等效均布荷载可按与单向板相同的原则, 按四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定”, 但没有给出具体的计算方式。本文按以下等效原则计算: 在板上施加单位面荷载1 k N/m2, 计算出板中最大弯矩M, 可以得到等效荷载系数 β = M/ql2, 然后根据已算得的板中最大弯矩Mmax由下式计算等效均布活荷载: q = Mmax/ βl2。按上述原则, 用SAP2000 建立2. 6 m × 2. 6 m的双向板模型, 四边的边界条件为简支, 单元选用shell单元 ( 尺寸为0. 1 m × 0. 1m) 。在板上施加单位面荷载1 k N / m2, 计算出板中最大弯矩M = 0. 298 k N·m, 则等效荷载系数 β = M / ql2= 0. 044。
3 与规范值对比
2012 年版《荷载规范》规定双向板板跨不小于3 m × 3 m时消防车活荷载标准值取35 k N/m2, 而通过上述分析得到双向板板跨2. 6 m × 2. 6 m消防车活荷载标准值应为50k N / m2, 说明板跨越小计算板内力时的等效荷载越大, 这符合实际受力的趋势。
通过两种板块在不同覆土条件下等效荷载的折减比较, 可以看出规范的折减值比本文计算得到的折减值更大, 且变化趋势更平滑。造成这种不同的原因主要有两个: 一方面是因为规范取值通过大量计算数据进行了统计处理; 另一方面是因为本文仅考虑双车并行的情况, 当覆土增加时可能在3 车、4 车并行的情况下, 造成更多的轮压重叠, 等效荷载的折减更大。
4 结论
对于板跨小于3 m × 3 m的双向板, 按等效荷载的计算原则, 消防荷载标准值将高于规范取值。从工程设计应用的角度, 建议当板跨2. 6 m × 2. 6 m时, 消防车活荷载取50k N / m2; 当板跨2. 6 m × 2. 6 m ~ 3 m × 3 m之间时, 按插值原则确定; 当考虑覆土厚度的影响时, 板跨小于3 m × 3 m的情况建议偏安全地按规范板跨3 m × 3 m取值。另外, 现在越来越多的大城市出现50 t以上的超大型消防车, 设计时应按等效荷载原则计算。[ID: 002705]
摘要：GB50009-2012《建筑结构荷载规范》明确了各种覆土条件下的取值, 但在板块规定方面依然不能完全满足实际工程设计的需要, 本文重点研究了板块为2.6 m×2.6 m情况下的消防车等效荷载, 供设计界同仁参考。
关键词：消防车荷载,等效荷载,覆土,板跨,折减系数
参考文献
[1]戴冠民, 田堃.地下车库顶板消防车活荷载的合理取值研究[J].建筑结构, 2013, 43 (1) :44-47.
[2]王昕, 胡达敏, 李保忠, 等.消防车等效均布活荷载参数化研究[J].建筑结构, 2013, 43 (S2) :364-369.
[3]范重, 鞠红梅, 彭中华.消防车等效均布活荷载取值研究[J].建筑结构, 2011, 41 (3) :1-4.
浅议公路桥梁设计荷载及其组合 篇6
1 关于我国现今公路桥梁荷载标准的研究
我国在2004年的时候, 将公路桥梁荷载的相关标准由之前车队荷载修改为车道荷载, 这两种模式的转变在细细地比较之后, 我们不难发现, 后者较前者多了关于均布荷载与集中荷载的参照标准与计算方式, 这一改变直接将荷载标准的影响反映在了相关的车辆荷载模式之中。其结果就是大大的提高了我国公路桥梁工程的质量与荷载水平, 且这不是局部的提高, 而是整体上的提高。但是公路运输中的诸多问题告诉我们, 我国公路桥梁工程在许多方面都有很大的进步空间, 包括工程实际阶段的方法选择、施工阶段的管理、工程质量保证措施、工程维护保养等方面。
2 关于公路桥梁设计荷载的几个基本理论
2.1 随机理论
随机过程是数学研究中常用到的一种统计手段, 意即用于研究一种随机现象随时间变化的出现的变化规律。[1]可定义为:t是集合T中的元素, X是关于t的随机函数, 则称Xt是关于随机变量t的随机函数。
2.2 车辆荷载效应标准值基本理论
这一轮有两部分内容组成, 一部分是基准期 (包括荷载基准期) , 另一部分是重现期以及荷载标准值。基准期是概率分析过程中常常使用的一种方法, 是指在公路桥梁工程的设计过程中, 考虑该工程结构的可靠度以及该建筑的使用寿命时, 结合对各种影响因素、变量与时间的关系之后, 计算出的工程的可靠度。
车辆荷载效应的标准值在我国的相关规定中大部分是使用在工程实际阶段计算出的基准期的有效数据进行计算, 取基准期最高效率, 其分布值为0.95的数据。[2]另外, 车辆荷载效应的标准值也可以使用重现期来表达, 相关公式为
在我国, 公路桥梁的相关规定中明确指出在公路桥梁工程设计中采用的基准期应该是100年, 因此, 根据以上公式, 我们可以清楚地计算出公路桥梁设计的车辆荷载效应标准值的重现期是2000年。
2.3 车辆荷载效应标准值的计算理论
同样, 该计算理论也是由两大部分组成, 一部分是影响线的计算, 另一方面试关于横向分布系数的计算。在建筑工程结构力学中, 影响线在实际的数值计算中具有重要的位置, 而常使用的是根据其所画出的图中的散值点, 在一般情况下, 会规定一个单位, 其指向是固定不变的, 然后画图, 该图能清新的表达车辆荷载随着结构发生改变的时候, 其中一个因变量的变化情况, 这一个因变量就是影响线。[3]
在上个世纪三十年代初期的时候, 在国际上很多专家通过深入研究公路桥梁的空间设计计算理论, 并尝试将其与设计中横向分布系数计算的基本理论结合, 最后成功地使复杂的空间计算变成平面计算问题。
2.4 关于车辆离心力的相关研究
根据我国关于公路桥梁设计的规定中, 有转弯的公路及弯曲的桥梁在设计时可以把车辆收到的离心力当成一种荷载来计算, 该荷载是可变的。另外, 车辆所受离心力在桥梁曲线半径小于0、25千米时必须计算。我们假设C为离心力系数, V为设计规定速度 (km/h) , R为曲率半径 (m) , 有:
在实际的计算过程中, 需要计算多道公路桥梁的车辆荷载离心力, 在计算时, 应该将荷载标准效应值根据相关的要求折减, 使相关数据符合规范, 可继续进行横向计算。其中, 关于离心力着力点的选择建议选择距离弯曲面以上1.2米的地方, 当然也可将着力点定在桥面上以便计算。
2.5 工程结构重要性数据校准
不一样的公路桥梁结构具有不同的重要性数据标准, 不一样的等级是通不同的系数来表示的, 比如, 目前我国公路的安全等级是分为一、二、三级的, 每一个等级的建筑都有不同的要求, 安全性等的指标都是不一样的, 其中, 二级公路的标准是1.0, 这是相关文件对建筑结构重要性取值的规定, 而一级跟二级相比则缩小了0.5, 三级与二级相比则增大了0.5, 以上是关于公路桥梁设计过程中的相关基本理论介绍, 包括了车辆随机理论、车辆荷载效应标准值基本理论、车辆荷载效应标准值计算、车辆离心力的相关研究, 这些理论在公路桥梁设计荷载中是很重要的。
3 荷载基本组合分项系数取值方法
3.1 车辆荷载效应
车辆荷载效应是指建立在实际测量的车辆统计数据上的车辆荷载效应, 可以采用前文提到的计算公式计算出桥梁工程弯曲曲率半径与力矩的组合值, 两个路段相关数据代入公式, 计算出组合效应值和规范标准值, 用它们的比值求出曲率半径与力矩在不同的情况中的统计参数, 称为统计对象。[4]公式如下,
3.2 组合箱梁荷载效应
根据相关调查数据, 不同国家公路桥梁荷载在组合箱梁的效应值随跨径变大所表现出来的变化总体趋势是差不多的, 其主要差别在荷载效应值。所有国家中最大的荷载标准值的弯曲半径是英国, 其值是我国荷载效应值的0.4~0.5倍。前文提到公路桥梁荷载效应值随着跨径的增加变化趋势大致相同, 而且, 虽然有些国家设计过程中规定的曲率半径较大以致产生的弯矩值也较大, 但是他们的差别并未因此而增大, 除此之外, 其他国家的弯曲半径比较小。另外, 还得根据建筑结构的极限状态计算影响因素带来的差异以确定最终的取值。
4 总结
从整体上来说, 我国公路桥梁荷载标准在国际上处于较低水平, 虽然符合世界发展的总体趋势, 但是我国公路桥梁荷载设计效应偏低, 在所有工程建筑中, 小跨度桥梁所占的比例偏高。另外, 随着我国国民经济的快速发展, 建通运输也对公路桥梁的荷载能力提出了更高的要求, 促使公路桥梁设计产生了很大的良好变化, 在工程设计过程中, 公路桥梁荷载量得到了相应的提高。考虑到我国各地区车流量之间存在较大差异, 因此可以根据这些差别规定我国各地区不同的公路桥梁系数要求, 这样既能保证公路桥梁荷载满足当地发展要求, 又可避免不必要的浪费。
摘要：公路桥梁设计是公路桥梁工程的前提, 而桥梁工程在公路工程中又起到枢纽的作用。设计中关于工程荷载的相关标准直接关系到工程使用后的保养与安全。为了满足超载现象日益严重的运输行业的要求, 同时也为了适应运输行业的快速发展, 应该积极对这一问题进行研究。下文将针对上述问题, 结合公路运输现状讨论公路桥梁设计荷载及其组合。
关键词：公路设计,桥梁设计,公路桥梁荷载
参考文献
[1]陈晓东.公路桥涵设计通用规范[J].人民交通, 2010 (16) :56-58.
[2]赵琨, 贾文静.公路工程结构可靠设计统一标准[J].中国建筑, 2012 (03) :23-25.
[3]范云芝.工程结构可靠性设计统一标准[J].才智, 2011 (01) :38-39.
设计中的荷载 篇7
关键词：井壁荷载,应力分析,临界深度,极限平衡,弱胶结软岩
0 引言
我国是产煤大国,也是煤炭消费的大国,井筒是矿井最重要的工程构筑物,是矿井生产的咽喉要道,因此保障井筒的正常运行对矿业生产的安全进行意义重大。确定井壁荷载是井壁结构设计的前提和基础,通过实践表明传统井壁荷载方法对井壁荷载确定不够准确,尤其是对西部深厚弱胶结软岩地区缺乏合理的设计依据。
主要表现为:
1)传统荷载设计值偏大,井壁荷载随着井筒深度线性增加并且不适用。现场实测数据表明,传统方法计算值明显大于现场实测值。
2)传统计算方法对巨厚软岩不适用性。实际计算过程中大多采用土层相关计算公式,所求荷载过于保守。
3)传统计算方法难以确定与荷载计算相关的工程地质参数。
因此本文基于波兰井壁荷载设计方法,通过煤矿监测数据对其进行修正,得出了适用于中西部地区弱胶结软岩的井壁荷载设计公式。
1 计算公式
现场实测数据表明,作用在井壁上的荷载并不是随深度不断增长的,当超过一定深度后,井壁荷载基本保持不变。因此,本文将井壁荷载分为三部分:零荷载段、荷载增长段、荷载稳定段,相应的有临界深度和极限深度。在临界深度以上荷载较小,可以忽略不计,为荷载零段;在临界深度以下至极限深度为荷载增长段;极限深度以下为荷载稳定段。
1.1 临界深度的确定(Zkr)
对致密岩层:
对松散地层:
其中,Kk为岩石结构削弱系数,取决于地层厚度h。
。
其中,Kp为应力集中系数,Kp=Kp1Kp2Kp3,Kp1为应力集中系数,用于非爆破法施工时取2.0,爆破法施工时取3.0;Kp2为应力集中系数,与计算截面距马头门距离有关。当计算截面距离马头门顶板距离小于3D1时取1.5,其他位置取1.0(D1为马头门等效直径);Kp3为应力集中系数,与掘砌支护时间有关,当在井壁围岩开挖后24 h内完成井壁支护时取1.0,72 h内取0.7,按线性差值取用;R
1.2 极限深度的确定(Zgr)
对于松散岩层,无极限深度,即认为井壁荷载处于增长段,无稳定段。
对于致密岩层:
ϕ′(r)=γmϕ′(n) (4)
其中,γm为材料相关的安全系数,取0.7～0.9。
1.3 不含水地层井壁荷载计算
零荷载段:
p=0 (5)
荷载增长段:
荷载稳定段:
1)当
2)当岩石抗拉强度和抗压强度满足
若计算截面深度Z>800 m,采用式(7)计算出的井壁荷载需放大10%。
其中,R
1.4 冻结法施工时外层井壁荷载计算
冻结法凿井外壁掘砌期间,有外层井壁单独承受所需的支撑压力和冻结压力,外层井壁荷载可按照式(8)计算:
其中,rz为井筒荒径;dm为冻结壁厚度;R
1.5 含水地层井壁荷载计算
含水地层井壁荷载可看作为由水压产生的荷载与岩土体对井壁荷载之和,即:
p*=pw+p (9)
井壁荷载p可按1.3节公式计算,但需将内摩擦角、内粘聚力替换成等效内摩擦角和等效内粘聚力。同时需要将岩土体重度替换为等效重度。
水压荷载pw可按照式(10)计算:
pw=nwγwhw (10)
其中,nw为水压荷载折减系数,对于冻结法施工外壁承载力计算时取1.0,对完全隔水地层取0.1,对与含水层以上相邻的地层,应视地层隔水情况取0.1～0.2,当隔水效果好时取小值。此外,当地层渗透系数小于井壁的渗透系数时,所取的折减系数不能大于0.2;γw为水重力密度,一般取1×104N/m3;hw为含水层水头高度。
2 实例分析
为了对比分析采用修正后的波兰井壁荷载计算公式的实用性,以胡家河矿区某井筒为例,结合现场实测数据,对该计算公式进行对比验证分析。井筒荒径为9.6 m,设计深度为620 m,穿越地层为:
侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a),白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)及第四、三系地层(Q+N),主要穿越地层为典型的富含水弱胶结软岩地层。
井筒建造过程中,在160 m,260 m,410 m,570 m地层分别埋设土压力传感器、水压力传感器、钢筋应力传感器和温度传感器。平面布置图如图1,图2所示。
对比分析传统计算公式、改进后的井壁荷载计算方法、现场实测数据如表1所示。
通过对比发现,采用本文公式后,所求井壁荷载与井筒实测数据较为接近。而采用传统井壁荷载设计方法将弱胶结软岩采用巨厚表土层相关公式进行分析,求得的井壁荷载明显偏大。可见,新的公式对弱胶结软岩地层是可行的。
3 结语
基于波兰井壁荷载设计方法,对其公式进行了修正,得出了适用于弱胶结软岩地层的井壁荷载设计方法。以胡家河矿区风井为例,结合现场实测数据验证了该计算公式是可行的。主要得出如下结论:
1)在弱胶结软岩地区,井壁荷载并不是随着深度而无限增长的,存在着一个极限深度,当井筒超过极限深度时基本保持不变。
2)采用传统巨厚表土层荷载计算公式进行弱胶结软岩地层井壁荷载求解,所求荷载明显偏大,是不适用的。
3)通过现场的测试数据分析表明,将作用在井壁上的荷载随深度划分为零荷载段、荷载增长段、荷载稳定段的设计方法,是可行的。
4)导出了求解弱胶结软岩地层的井壁荷载设计公式。通过胡家河矿区风井验证分析该设计公式是安全可靠的。
参考文献
[1]陈希哲.土力学地基基础[M].第3版.北京:清华大学出版社,2000.
[2]蔡子刚.波兰井壁荷载计算新方法[J].建井技术,1990(1):44-46.
[3]陈红蕾.深厚冲积层冻结壁与井壁相互作用研究[D].北京:煤科总院建井研究分院,2009.
[4]刘环宇.厚冲积层立井井筒破坏的发生机理及防治技术研究[D].南京:河海大学,2005.
设计中的荷载 篇8
2 大件荷载下大跨径连续梁桥的特点
大件荷载下大跨径连续梁桥, 主梁承受的活载比公路-I级荷载下 (三车道) 的活载大大增加, 箱梁的根部、跨中梁高要比普通荷载的桥梁取值更大。
大件荷载桥梁的纵向预应力钢束, 特别是边跨合龙底板束、中跨合龙底板束, 比普通荷载桥梁需要设置的数量更多、规格更大, 其竖向预应力钢束, 也比普通荷载桥梁需要更大的规格。
多主跨连续梁桥, 约束体系的设置至关重要。在正常使用阶段, 约束体系应能够适应主梁温升温降引起的变形, 而在地震荷载的作用下, 应使各个主墩能够同时参与受力。
3 大跨径连续梁桥的设计技术要点
3.1 主梁截面的计算
因为在大跨径连续梁桥设计中跨度会增加, 最终会导致连续桥梁的结构自重较大, 所以在设计中要尽可能的减少桥梁的自重, 这就需要在主梁截面的设计上加大工作量, 计算出合适的截面加强桥梁的承载力, 在设计过程中, 要结合桥梁的实际情况来设计出符合要求、标准的方案, 及时的发现问题, 并且进行修改, 这样才能取得最理想的效果。
3.2 箱梁结构的计算
在大跨径连续桥梁设计中会利用变高或者改变底板的厚度来改善箱梁的受力, 然后通过桥梁的曲线对比, 得出桥梁变化规律的方程式, 箱梁的底板会按照得到的方程式进行拟合, 得出最终的计算结果。
3.3 预应力体系优化的设置
在大跨径连续桥梁设计技术中居多使用的是悬臂法进行施工, 并且会把桥梁的受力现象当成预应力来设计, 成为了一种桥梁设计的布置依据。纵向的预应力设计主要是依靠荷载条件下的包络图, 包络图选择弯矩包络图, 这样能够有效的提高悬臂的应力束, 在纵向的预应力设计中要把悬臂预应力作为重要的工作内容, 这样才能准确的计算出截面的受力情况, 从而减少剪力滞带来的不利影响, 在施工过程中还要结合桥梁结构各个部件受力的特点, 如果发生边孔弯起的预应力大幅度的减少了, 要及时取消当前工程的进程, 避免出现梁桥工程的重大失误, 在预应力钢束中尽量使用分散性质的锚固, 这样才能做好锚固区域的固定工作, 在构造设计工作上要注重每一个细节。
4 耐久性设计
4.1 混凝土结构耐久性
钢筋混凝土的破坏主要分为混凝土自身的破坏以及由于混凝土自身变化造成的钢筋破坏。引起钢筋混凝土结构破坏的因素主要有混凝土中性化、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀以及氧和水等因素。国内外桥梁钢筋混凝土结构物防腐蚀措施目前主要有两大类: (1) 基本措施, 如设计足够的混凝土保护层厚度, 或者设计采用高性能混凝土; (2) 附加措施, 如选择涂层钢筋 (热浸镀锌钢筋、环氧涂层钢筋) 或钢筋阻锈剂, 或采用混凝土表面防护涂层或硅烷浸渍, 或对混凝土中的钢筋采用阴极保护技术。
4.2 钢结构耐久性
钢结构的腐蚀环境通常由水上大气区、浪溅区、水位变动区、水下区四部分组成, 是一种复杂的腐蚀环境。这种腐蚀性与距离海岸的远近和朝向、风向和风速以及所处气候带和纬度相关, 这种腐蚀来源是风席卷着河水或者是海水中的水分子或者其他粒子并沉积到基材表面。目前, 大跨径连续梁桥钢结构防止腐蚀的措施除正确设计构件、合理选材外, 通常有以下几种方式: (1) 采用厚浆型重防腐涂料; (2) 采用阳极性金属热喷涂层或复合涂层; (3) 设计构件时考虑足够的腐蚀裕量; (4) 采用耐腐蚀材料包套; (5) 根据电化学腐蚀原理, 采用牺牲阳极。
4.3 钢-混凝土结合面结构耐久性
钢-混凝土组合结构结合面主要分为桥面板混凝土与钢结构顶板顶面的结合面以及混凝土横梁与钢结构的结合面两部分对于桥面板混凝土与钢结构顶板顶面的结合面, 此结合面的耐久性对于结构受力极其重要, 处理不当将对剪力钉产生腐蚀, 改变结构的受力模式。此外, 在钢与混凝土的接缝位置, 采用专用密封胶进行密封, 防止水汽进入结合面。对于混凝土横梁与钢结构的结合面, 同样存在防腐的薄弱环节, 对此, 首先将钢结构外防腐涂层延伸进入混凝土横梁15cm, 其次, 采用防腐密封胶对接缝位置进行处理, 形成多层次的防腐保护体系。
5 在大跨径连续桥梁设计中应注意的问题
5.1 原材料的选择
在大跨径连续桥梁设计中要加强原材料选择工作的力度, 在施工中混凝土是主要的施工材料, 所以要选择质量合格的施工原材料, 针对质量不合格的材料拒绝入厂, 在桥梁设计中最好采用轻质的混凝土, 这对减少桥梁重量有着重要的作用, 能够使得桥梁具有更好的稳定性和安全性。其次, 还要选择收缩性系数较小的混凝土, 这样能够有效的控制桥梁的变异现象。最大程度的减少潜在的安全隐患, 为桥梁工程的安全性和稳定性做好前期预防工作。
5.2 加强腹板斜裂缝控制工作
如果在桥梁工程中出现了腹板斜裂缝现象会对整个工程产生重大的不利影响, 所以加强腹板下弯束的拉应力是非常有必要的, 这样能够有效的增强桥梁的强度, 充分的减少桥梁工程中设备的重量。其次是腹板的厚度也是重要的施工因素, 如果腹板的厚度过大, 会使得工程出现挠度问题, 所以控制好腹板的厚度, 这也是提高桥梁抗裂性与承载力的重要因素, 减少桥梁损坏的程度。
6 实行大跨径连续桥梁施工控制的意义
虽然大跨度连续桥梁拥有很多的施工特点, 但是也存在相应的失误, 如果在桥梁建设工程中出现了失误, 会影响整个工程的安全性和质量, 从而发生不可挽回的重大事故, 所以加强大跨径连续桥梁施工控制是很重要的工作内容, 在控制中要最大程度的减少工程给人们带来的人身、财产方面的损害。经过调查发现引起桥梁工程事故的原因主要有人为的事故和自然灾害, 自然灾害是不能避免的, 但是要做好预防和控制工作, 而人为事故是可以控制的, 例如技术条件的落后, 这是形成桥梁事故最常见的原因, 还有很多的施工人员的安全意识不高, 不具备优秀的专业素质, 导致工程中出现重大失误, 在施工中往往还存在管理混乱的情况, 导致出现豆腐渣工程, 针对以上事故情况要加强控制措施, 防止此类问题的再次发生, 交通企业要实行定期培训工作, 提高施工员工的专业素质和安全意识, 最大程度的减少事故的发生。
7 结语
综上所述, 在大件荷载下大跨径连续梁桥的设计当中需要不断提升稳定性与安全性, 强化桥梁建设工程的控制与预防措施, 在最大程度上降低潜在的安全隐患, 这样才可以推动桥梁行业健康与可持续发展。交通单位要定期进行技术培训, 强化设计人员与施工人员的专业素养, 提升他们的安全意识, 这样才能够在最大程度上确保桥梁工程高质量、顺畅的施工。
摘要：大件荷载下的大跨径连续梁桥具备长度长、伸缩度良好、受力性能好、合拢顺序多等优势, 被广泛的应用于桥梁的设计当中。现如今, 我国大跨径连续梁桥的设计还面临众多的问题, 这些问题都需要在设计过程中进行改进, 才有可能在最大程度上提升大跨径连续梁桥的安全性与质量。
关键词：大件荷载,大跨径,连续桥梁,设计
参考文献
[1]燕斌.大跨径连续梁桥合理抗震体系研究[A].第六届中国公路科技创新高层论坛论文集[C].2013.
[2]任明飞.混凝土连续梁设计指南[R].上海:上海同豪土木工程咨询有限公司, 2007.