采煤沉陷区既有框架桥可升式钢结构加层技术研究

发布时间：2020-06-09 05:54

【摘要】：本文以采煤沉陷区既有框架桥加高工程为研究背景,设计一种可升式钢结构作为既有框架桥的加层结构。通过理论计算和数值模拟设计了钢结构的各构件,以ANSYS软件数值模拟为基本手段,分析了所设计结构受开采沉陷影响的静力响应、动力特性和稳定性,并针对钢结构稳定性提出优化方案。取得如下主要成果:(1)设计出新的满足采煤沉陷区既有框架桥加高要求的可升式钢结构,使框架桥加层的临时结构和永久结构合为一体。(2)钢结构倾斜斜率不变,不同倾斜情况下,随钢平台抬升,下沉侧的钢结构柱受力减小,不下沉侧钢结构柱受力增加;主梁受力均减小。(3)钢平台抬升高度不变,不同倾斜情况下,随钢结构倾斜斜率增加,下沉侧的钢结构柱轴力线性减小,不下沉侧柱轴力线性增大;主梁内力均线性增加。(4)次梁受开采沉陷影响较小,受力状态变化不大。(5)可升式钢结构受开采沉陷影响其自振频率变化范围在4.98Hz~21.29Hz之间,均大于火车振动频率;钢结构在钢平台抬升3.6m时动力特性最优。(6)钢平台抬升6m成永久结构后,倾斜斜率超过40‰时,须对钢结构柱进行加固。(7)对钢结构柱加斜撑优化加固。钢结构稳定性能显著提升。一阶屈曲荷载增大,一阶屈曲最大变形减小。
【图文】：

沉陷区,多层框架,铁路桥

在继续采煤和老采空区“活化”的情况下，这些建在采煤沉陷区上的道路、桥梁会产生大的基础下沉，其下沉值远远超过现行道路、桥梁设计规范的要求[2]。采煤沉陷区上的铁路桥梁是保证煤炭外运的重要构筑物，因其在基础下沉情况下也需保证铁路运行的特殊性，已成为制约开采铁路下压煤的瓶颈。对于铁路桥梁下沉的一般技术对策和处理办法是：下沉量不大时，地面采用加高桥梁墩台的方法；下沉量大时，待下沉基本稳定后，拆除原有桥梁进行重建[3]。这种处理方法不能解决在大幅下沉地区铁路线路不能中断的桥梁建设问题，，且桥梁拆除重建需耗费大量的人力物力，对国家不能不说是一种巨大的浪费。中国矿业大学采动区路桥工程研究所根据目前的煤炭开采引起地基大幅沉降的现状，研究发明了一整套在保证不中断铁路运输下修建桥梁的技术，该桥梁最大可适用地基沉降 10m 左右。其核心是在采动区使用刚度大的适应地基不均匀沉降的箱型框架结构桥。当桥梁下沉时，在既有箱型框架桥上填筑煤矸石路基以维持铁路标高不变，但路基填料重度大且桥涵有过水要求，路基加高高度有一定限制；桥梁下沉稳定后，在既有框架桥上加层建设新框架桥来取代路基填料（如图 1-1）。

钢结构,概念图,框架,顶升

钢结构在各个箱体上独立设置。独立设置的钢结构相对整体钢结构桥而言，避免了下部不同箱体不均匀沉降而产生的附加应力；相对自身而言，其只受不均匀沉陷中下沉、倾斜的影响，避免了受水平移动、正曲率、负曲率的影响。为了能使随着地表下沉铁路标高不变，钢结构需设计成可抬升式。不同于海上石油平台的升降形式，本钢结构抬升完成后将作为永久结构存在，只升不降，所以设计结构时不需采用电动机械滑杆模式。为此，确定本钢结构抬升方式为液压千斤顶顶升。为解决液压顶升只能一段一段顶升的弊端，本钢结构设计成有碴轨道。当达不到顶升最小高度时，填筑道碴维持铁路标高不变；当达到顶升高度时，顶升后减少道碴，维持铁路标高不变。单个箱体上的钢结构跨径与箱体相同，与整体钢结构桥相比，跨径小，独立的钢结构受力小，顶升方便。本钢结构设计以济河铁路中桥为背景，铁轨下单个箱体平面尺寸为 12m×8m，设计成四柱支撑一个钢平台的形式。四柱立于单个箱体表面，钢平台可随地表沉陷而抬升。如图 2-2、2-3 所示。本设计的重点是：钢平台设计、柱设计、钢平台与柱的连接节点设计、柱脚连接设计。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U445.7

【参考文献】