大跨度坦拱（精选三篇）
大跨度坦拱 篇1
宁波市澄浪桥及接线工程属永达路连接线过奉化江段, 其主桥一跨跨越奉化江, 水中不设墩。主桥结构为中承式无风撑钢箱拱肋拱桥, 主拱横桥向布置为2 片拱肋, 拱肋布置在人行道外侧, 沿道路中心线方向错开10.320 m, 形成斜桥布置。主拱向内倾斜10°, 2 片主拱间不设风撑。主桥效果图见图1。
主拱肋竖直方向矢高25 m, 跨径为175 m, 矢跨比1/7, 拱轴线为多段圆弧线拟合而成。主拱拱肋采用矩形封闭钢箱形拱肋, 在主拱跨径1/4 处附近由1 个封闭钢箱分叉为2 个封闭钢箱, 2 个钢箱拱肋之间设置钢桁架支撑连接。主梁采用双箱布置、横向通过横梁连接, 双箱外侧伸出悬臂横梁用于锚固吊杆, 主梁通过吊杆和拱肋联系。主拱水平力通过系杆进行平衡。
拱脚至水平拉索锚固区拱肋节段采用钢- 混凝土组合结构。在钢箱内填筑微膨胀混凝土并设置预应力钢束, 抵抗拱脚处的弯矩, 钢与混凝土间通过剪力钉、PBL键及加劲板挖孔的方式进行连接, 预应力束伸入承台, 混凝土灌注范围为钢混结合段预应力钢束锚固端承压板处向下至拱脚。钢混凝土组合拱肋节段的立剖面示意图见图2。
由于澄浪桥主桥拱肋截面尺寸较大, 特别是拱脚处的上、下肢截面宽度均> 6 m、高度均为2.5 m, 局部混凝土几何尺寸较大, 属于大体积混凝土结构, 而且大体积混凝土灌注在密闭的钢拱肋中, 结构受力复杂, 应对混凝土进行水化热分析。
1) 分析水化热对混凝土造成的影响, 避免施工过程中混凝土出现温度裂缝。
2) 水化热产生温度场导致混凝土膨胀, 计算混凝土膨胀对钢拱肋产生的应力与变形, 确保安全。
此外, 还应分析拱肋内预应力钢束的张拉对钢混凝土结合段的受力影响。
2 仿真模型及计算参数
钢混凝土结合段拱肋的水化热分析采用大型通用有限元程序ANSYS, 先对结合段混凝土拱肋结构进行热分析, 将热分析得到的温度场作为体荷载施加到结构单元的节点上进行热- 结构耦合场分析, 最终得到结构的应力分布。三维热分析模型中, 拱肋中混凝土模拟选用ANSYS实体solid70 单元, 该单元有8 个节点, 每个节点只有1 个温度自由度, 具有3 个方向热传导能力, 并能实现匀速热流的传递[1]。结构分析模型中, 拱肋内混凝土及承台模拟选用solid45 单元 (ANSYS默认solid70 等效结构单元) , 钢拱肋模拟采用shell63 单元, 模型共分solid单元128 491 个, shell单元137 883 个。钢混凝土组合拱肋节段的三维仿真模型见图3, 承台及节段内灌注的混凝土模型见图4。
在水化热分析中, 水泥的水化热并不是一次性全部释放, 而是随时间逐步释放的, 水泥的水化热随时间而变化的公式为[2]
式中:Q (t) 为龄期t时的累计水化热, k J/kg ;Q0为t→∞时的最终水化热, k J/kg ;t为龄期;m为水化系数。
混凝土弹性模量随浇筑时间变化取指数式公式为[2]
式中:Et为龄期t时的弹性模量, MPa ;E0为t→∞时的最终弹性模量, MPa。
C50 混凝土热分析的其他参数参考各类规范选定, 计算模型中主要热分析参数取值见表1。
ANSYS温度场分析环境温度取宁波地区年平均温度16℃, 混凝土入模温度根据经验取20℃。
3 水化热温度场分析
对于钢混凝土结合段拱肋模型的水化热温度场分析, 承台及拱肋嵌固段为非研究对象, 在此不做水化热分析, 默认其已浇筑养护完成, 并在模型中将其设为环境平均温度。承台与拱肋交界面灌注的混凝土分2 次完成, 分别以拱肋内预应力束分2 批锚固为基准, 这2 个混凝土浇筑段需设置入模温度及边界散热条件。
由于文章篇幅所限, 本文只列出混凝土浇筑后出现温度最大值的第2 天与预应力钢束张拉 (浇筑后第9 天) 的节段温度场变化图。钢拱肋内第一段混凝土浇筑完成第2 天与第9 天, 节段混凝土温度场分布分别见图5、图6。
由混凝土水化热仿真分析结果[5]可知, 钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成后, 混凝土体内温度随着水化热的产生不断增加。在第2 天体内温度达最大值49.6℃, 之后随着热量的散发不断降低, 第9 天混凝土体内温度最大值为34.3℃, 下降约15.3℃。
钢拱肋内第二段混凝土浇筑完成第2 天与第9天, 节段混凝土温度场分布分别见图7、图8。
在第2 天时体内温度达到最大值49.6℃, 之后随着热量的散发温度不断降低, 第9 天混凝土体内温度最大值为33.4℃, 下降约16.2℃。温度分布规律同第一段混凝土。
4 节段应力与变形分析
4.1 钢混凝土拱肋节段应力分析
在温度场荷载的作用下, 混凝土结构由于不能自由变形而产生应力, 混凝土结构的应力与温度荷载及自身弹性模量成正比, 由于浇筑初期混凝土弹性模量处于不停增长, 而混凝土温度随着水化热的生成和散发也处于先增大后减小的变化过程。因此, 混凝土应力峰值出现在温度荷载与弹性模量乘积较大的时间点, 经初步计算, 出现在节段浇筑后的第6 天。
由于篇幅所限, 本文只图示出第一段混凝土浇筑后第6 天与第9 天 (预应力钢束张拉) 的混凝土应力云图, 分别见图9~ 图12。
表2 中列出每一段混凝土浇筑完成后第3 天、第6 天, 以及预应力钢束张拉时的混凝土与钢拱肋的应力值。
表2 中, 混凝土应力“压”表示压应力、“拉”表示拉应力, 没有列出拉应力的表示该阶段混凝土基本处于受压状态;钢拱肋应力为Mises应力。表2 中前5 个施工阶段列出的是混凝土与钢拱肋的应力最大值, 而第6 个施工阶段列出应力的主要分布范围。
由以上三维仿真计算结果得到, 除在第一批预应力张拉之前钢拱肋内灌注的混凝土在截面中心区域有最大1.33 MPa的拉应力外, 其他阶段均处于受压状态, 最大压应力出现在第二批预应力钢束张拉后下肢拱肋与承台交界处, 最大值为18.4 MPa。钢拱肋的最大Mises应力出现的施工部位与混凝土相同, 最大Mises应力值为120 MPa。
综上所述, 钢混凝土组合拱肋节段在混凝土水化热效应与预应力作用下的应力满足施工阶段要求。
4.2 钢混凝土拱肋节段截面变形分析
混凝土结构在施工过程中, 由于水泥水化作用将产生大量的水化热, 水化热造成混凝土内部温度升高而膨胀, 导致外侧钢拱肋变形。根据仿真分析结果, 图13 所选取的钢拱肋截面在水化热等作用下截面变形相对较大。
根据前面的水化热混凝土温度场计算结果可知, 混凝土浇筑完成后2 d时的水化热最为剧烈, 钢拱肋截面的变形也相对较大。图14、图15 分别为第一段混凝土浇筑完成后2 d钢拱肋1 号截面变形图, 其他截面的变形图不再一一图示。
图14、图15 中, 截面开口处为上、下肢拱肋水平系杆锚槽处。局部坐标x轴垂直于截面指向拱顶, y轴垂直于顶底板并指向顶板, z轴指向拱肋内腹板。
表3 列出钢拱肋1 号~4 号截面在水化热作用下的截面变形。
由表3 可见, 钢拱肋在水化热作用下截面变形是能够满足施工阶段的刚度要求的。
5 结语
通过对宁波市澄浪桥大跨度主桥坦拱的主拱钢混凝土组合节段施工过程水化热效应的有效分析, 为实际施工起到积极的理论指导作用。
根据仿真分析结果, 在实际施工过程中省去为降低组合段混凝土水化热效应的冷凝管设置, 以及优化为防止施工过程水化热引起拱肋过大截面变形的临时截面加劲设计, 从而降低施工难度, 节省施工时间, 减少施工措施费, 可为其他类似工程提供有价值的参考。
至今, 澄浪桥主桥结构已经成功合龙。
摘要：宁波市澄浪桥主桥是一大跨度坦拱桥, 其主拱拱脚至水平拉索锚固区的节段为钢混凝土组合结构;该节段截面尺寸较大, 拱肋结构施工时会受到混凝土水化热作用的影响。利用大型结构分析软件ANSYS分析钢混凝土拱肋节段的水化热效应、内预应力的作用效应。分析结果显示, 在水化热效应和预应力作用下, 钢拱肋和混凝土的应力是可控的, 水化热作用下的钢拱截面变形很小, 结构能够满足施工时的受力要求。
关键词：大跨度坦拱,钢混凝土拱肋节段,施工阶段,水化热效应,三维仿真分析
参考文献
[1]张朝辉.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].2版.北京:机械工业出版社, 2008.
[2]杨嗣信.高层建筑施工技术[M].2版.北京:中国建筑工业出版社, 2001.
[3]混凝土结构设计规范:GB50010-2011[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[4]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG D62—2004[S].北京:人民交通出版社, 2004.
大跨度大空间火灾扑救措施 篇2
(一)大跨度、大空间厂房的钢结构部分在高温下极易变形，导致建筑物局部倒塌。火灾中，当温度升至350摄氏度、500摄氏度、600摄氏度时，钢结构的强度分别下降1/3、1/2、2/3。在全负荷情况下，钢结构失稳的临界温度为500摄氏度。此外，钢构件极易受高温作用后，钢结构冷热聚变，受热膨胀，遇冷水后会急剧收缩，而且火灾时，某一部分变形受损会破坏整个构件的整体受力平衡，所以钢结构建筑，尤其是大跨度厂房发生火灾时，钢构件极易受高温作用后较短时间内就会发生扭曲、变形，进而导致整个建筑的倒塌，救援难度增大。
(二)大跨度、大空间厂房人员密集、可燃物多，火灾扑救和人员疏散困难。大型钢结构厂房规模大，建筑结构连体成片，生产机器设备密集，人员和物品高度集中，厂房内生产使用的原料和成品大多属可燃物，有的还属于易燃易爆品，甚至是有毒的化学物品，如制衣厂的布匹、纺织厂的棉花、印刷厂的纸张电缆厂的橡胶、化工企业的爆炸性物质等。一旦发生火灾，火势蔓延快、燃烧猛烈、并产生大量烟雾，扑救难度大。
(三)大跨度、大空间厂房火势蔓延迅速。大跨度、大空间厂房建筑空间跨度大，占地面积大，一般高度均大于7米，门窗多，通风好，可燃物料多，一旦发生火灾，蔓延途径多、火势蔓延快、燃烧猛烈，在热气流的作用下，很快形成大面积火灾。
大跨度大空间建筑火灾扑救对策 篇3
关键词：大跨度大空间建筑;火灾扑救;处置对策
近年来，随着经济社会的快速发展和城市建设步伐的不断加快，大跨度大空间结构成了大型企业厂房的主要结构形式。由于这种建筑形式具有结构简单、施工方便、内部空间大，特别是投资少且投资周期短等许多优点，越来越受到投资者的青睐。但这种建筑在消防方面，特别是在火灾扑救方面存在许多难点，一旦发生火灾，极易造成大面积燃烧和重大财产损失。
一、大跨度大空间建筑的定义与分类
（1）定义。大跨度大空间建筑是指主要由柱、梁、板、外墙四部分组成，梁和柱是建筑物的主要承重构件，所有承重墙（柱）之间单跨宽度60米以上或单个防火分区5000平方米以上且净空高度8米以上的建筑。（2）分类。大跨度大空间建筑，根据建筑物的用途可分为民用建筑和工业建筑;根据建筑物的材料可分为钢筋混凝土结构、钢结构和混合结构。
二、大跨度大空间建筑火灾特点
（1）可燃物多，火灾荷载大。目前，大跨度大空间建筑已广泛应用于工业厂房、体育场馆、大型商（市）场、仓储等，此类建筑内可燃物品多，空间大，一旦发生火灾，火势猛烈，温度高，烟雾浓，火灾荷载大，蔓延速度快，扑救难度比较大。（2）建筑规模大，火势蔓延快。大跨度大空间建筑单体建筑面积小的数千平方米，大的数万平方米，内部具有较大的空间，空气流通好。发生火灾时，火势可迅速向四周蔓延，燃烧猛烈，极易产生强大的热气流形成大面积燃烧。（3）作战纵深长，内攻困难。由于建筑空间大，内部障碍物多，通道多狭长、错位布置，由两侧进入内部实施堵截难以形成合力;加上火场烟雾浓重，通常火场内能见度小于3米，强光手电等照明工具难以发挥作用，深入内部的作战人员只能摸索前行，内攻战斗难以长时间坚守。（4）燃烧时间长，建筑易塌坍。大跨度大空间建筑多采用钢结构，火灾中，当温度升至350摄氏度、500摄氏度、600摄氏度时，钢结构的强度分别下降1/3、1/2、2/3。在全负荷情况下，钢结构失稳的临界温度为500摄氏度。此外，钢构件受高温作用后，受火场用水影响，钢结构冷热聚变，受热膨胀，遇冷水后会急剧收缩。
三、大跨度大空间建筑火灾扑救对策
（1）仔细侦察火情，判明火场信息。初到场力量应迅速组织人员进行火情侦察，首先通过询问报警人、单位内部人员及其他知情人员了解火场情况，主要了解起火部位、起火时间、内部燃烧物、储存物品等情况;进入火场内部进行侦察时，必须全身防护，佩戴空气呼吸器，携带强光手电、破拆工具，并铺设发光照明线作为引导，应规定好进出联络信号。进入火场内部侦察时，必须要用水枪进行掩护，可以边进攻边侦察。（2）全面搜救人员，安全疏散受困群众。在扑救大跨度大空间建筑火灾时，如有人员被困，必须贯彻“救人第一、科学施救”的指导思想，一切灭火战术措施要围绕救人展开。根据现场实际情况，及时成立多个搜救疏散小组，要做好人员防护，携带好救助、照明等相关器材，要以最快时间疏散、抢救遇险人员。（3）积极扑救火灾，控制火势蔓延。先期力量到场后，前方指挥员要根据火场侦察情况，首先准确确定火场主攻方向，要强化内攻意识，坚决贯彻强攻近战措施，积极实施内攻。重点对建筑承重钢梁柱、屋架等构件进行冷却保护，防止结构变形倒塌。（4）强化排烟措施。加强排烟散热是保证内攻有效性和安全性的重要措施，因此，应将排烟散热作为大跨度大空间建筑火灾扑救的首要任务。及时在下风方向开辟排烟散热通道，打开下风及侧下风方向所有出入口的大门和窗户，充分利用建筑的开口部位进行自然排烟散热，充分利用移动装备排烟，为灭火进攻创造条件。（5）确保火场供水不间断。建筑处于大面积燃烧阶段时，扑救火灾需要较大的用水量，现场指挥员要根据火场作战区域划分及用水量，进行科学的火场用水量估算，确定火场供水方案并安排专人负责落实。一般以参战中队为作战单元进行车辆作战编组，分别形成各自的供水作战区域，合理分配使用水源，并采取符合火场实际的供水方法，组成多条稳定有效的供水干线，尤其要保障好主攻方向的用水量。（6）及时启动应急联动机制，加强联动保障。消防支（大）队要主动与当地的政府应急部门联系，及时快速启动应急联动方案，使相应的应急部门第一时间赶到现场，协助灭火救援。当火灾现场所处地区属于消防水源不足地区，要及时与政府应急部门联系，迅速调动环卫等相关部门的应急供水车辆及时到达现场，为灭火救援现场提供可靠的灭火水源保障。当建筑发生大面积燃烧，需要破拆来进一步进行灭火时，要提前通过应急联动机制调集挖掘车、叉车、铲车、凿岩车等大型工程机械设备进行现场破拆，为灭火救援创造条件。当建筑为生产、储存易燃易爆、有毒害的危险化学品厂房或库房时，要及时通过应急机制调动安监、环保、医疗等相关部门到达现场，进行现场指导和救治人员。当火灾发生在人员密集区，应根据现场的实际情况，适时调动公安、交通、供电、医疗、市政等城市应急部门到达救援现场，协助维护现场秩序，提供应急供电、交通运输、医疗救护等方面的保障。
参考文献：
[1] 《消防战训工作的改革与发展》？伍和员？东南大学出版社2008.10