旅游栈道安全评价技术研究_宋建学

JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Sep󰀁󰀁2008Vol󰀁29󰀁No󰀁3

󰀁󰀁文章编号:1671-6833(2008)03-0129-04

旅游栈道安全评价技术研究

宋建学,袁英保,刘贺龙

(郑州大学土木工程学院,河南郑州450001)

摘󰀁要:旅游景区栈道通常就地取材,设计、施工技术资料不详,并经常发生人员拥挤现象,存在安全隐患.提出栈道安全评价技术路线,其内容包括栈道依附的岩体、栈道与岩体结点、栈道结构本身及栈道附属结构等4项;根据结点连结方式不同,建立悬挑式、立柱式、斜柱式栈道力学分析模型.按照实际栈道调查,分别对8种模型在相应荷载下的弯矩、轴力和剪力对比分析,发现最大弯矩和剪力出现在水平横梁上,最大轴力出现在斜支撑上,进而提出栈道最不利内力验算模式.结合案例工程,对栈道工程实例进行安全评价,验证了分析模型的适用性.关键词:杆件结构;力学模型;栈道;安全评价中图分类号:TU312󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

0󰀁引言

古代历史上的栈道方便山区与外界联系,促进社会融合与进步;而现代旅游景区的栈道

通常是为了保持景区自然景观,增加旅游情趣而将既有栈道改造或重新架设.

通常,旅游景区栈道结构及受力形式复杂.从材料上看,木材,石材,钢材,钢筋混凝土等多种材料在栈道中都有应用.部分栈道也使用了其它材料,如草绳、竹片等.从结构形式上看,栈道的结构形式有悬挑式、立柱式、斜柱式、凹槽式、多层平梁重叠连缀式等.实际中有些栈道结构形式并非如此清晰,而是多种结构形式组合而成.从建造环境看,栈道多建在悬崖峭壁上,由于地形复杂多变,栈道也因地形而变化,因此,实际中几乎没有完全相同的两个栈道.历史栈道基本上由能工巧匠来建造,无设计参数或施工记录可循.现代栈道也因其建造环境复杂多变,仍然主要依赖经验设计、建造,大多栈道设计、施工资料不详.另外,栈道运营中多存在超员,年久失修等问题,带来严重安全隐患.

近年来旅游业空前发展,而景区重大安全事故也时有发生.笔者针对旅游景区栈道(以下简称栈道)安全问题进行分析研究,提出栈道安全分析技术路线,并结合案例进行安全评价.

󰀁󰀁收稿日期:2008-06-11;修订日期:2008-07-20

[1-2]

1󰀁栈道安全评价一般程序

根据对栈道结构特点分析,提出栈道安全评价的一般程序如图1所示.

图1󰀁栈道安全评价程序

Fig.1󰀁SafetyassessmentprocedureofTSA

1.1󰀁依附岩体安全评价

栈道都是建在悬崖峭壁上,所以所依附的岩体是否安全,将直接关系到栈道的安全,必须对栈道所依附岩体进行安全评价.如岩体的矿物组成、

󰀁󰀁作者简介:宋建学(1967-),男,河南省洛阳市人,郑州大学教授,博士,主要从事工程结构安全监测研究,jxsong@

zzu.edu.cn.󰀁130

郑州大学学报(工学版)2008年

力学性能、风化程度、裂隙发展等都要进行相应的鉴定评价.

1.2󰀁栈道结构与岩体结合处安全评价

栈道自身结构,可能会在某一固定的作业区或者工厂加工完成,其加工环境相对比较稳定,质量比较容易保证;但是栈道结构与岩体结合处必须在现场施工完成,其工作环境是悬崖峭壁,地形复杂、施工不便.因此结合处的施工难度大,质量难以保证,必须对结合处进行安全评价.例如,使用锚杆技术进行连接的栈道(锚杆与岩体连接),必须对锚杆的强度,注浆的成分、质量,锚杆与栈道连接的承载力等做出鉴定.1.3󰀁栈道自身结构安全评价1.3.1󰀁荷载、内力计算

栈道荷载包括永久荷载和可变荷载.永久荷载是指栈道本身结构和附属结构(栏杆、铺板等)自重.活荷载指栈道上的移动荷载,旅游景区主要指游客荷载,不同地区需要根据当地具体情况考虑风荷载、雪荷载以及地震荷载等加以调整.

栈道结构与空间框架结构类似,可以取一个单元进行计算.内力计算要充分考虑栈道所用结构形式、材料、节点连接方式等因素,合理提取栈道受力计算模型.1.3.2󰀁强度验算

根据上述内力计算结果,可确定栈道各部分受力特点.根据具体材料特性,验算其相应的抗弯承载力、抗拉承载力、抗压承载力、抗剪承载力和抗扭承载力等.不同的受力构件可相应地验算其最不利受力条件.1.3.3󰀁刚度验算

根据内力计算结果,验算构件的挠度.特别是旅游景区栈道,变形不易过大,必须考虑到游客心理反应,这一方面目前尚无技术标准.1.3.4󰀁稳定性验算

立柱式和斜柱式栈道的支撑杆件是受压构件,可能因发生失稳破坏而导致整个结构的破坏,所以需要验算支撑杆的受压稳定性.1.4󰀁栈道附属结构的安全评价

[3]

全评价.

2󰀁栈道计算模型

2.1󰀁悬挑式栈道

悬挑式栈道结构与悬臂梁结构相似,型可以采用悬臂梁模型.2.2󰀁立柱式栈道

立柱式栈道结构和其简化结构如图2所示.

图2󰀁立柱式栈道结构及简化模型

Fig.2󰀁Originalandsimplifiedmodelforcolumn

supportedaisle

󰀁󰀁由于栈道材料性质、施工质量等不同,图2中A、B、C三结点连接方式实际上差别很大,分别可能是刚结、铰结等.根据这三结点连接方式不同,笔者针对立柱式栈道提取八种不同力学模型,并分别对八种模型在相应荷载下的弯矩图、轴力图、剪力图对比分析,发现:即使l1、l2的尺寸不同,最大弯矩和剪力都出现在水平横梁上,最大轴力出现在立柱上.在相同荷载和结构尺寸条件下,8种力学模型中,(a)模型将产生最大弯矩和轴力,(b)模型产生最大剪力(如图3所示).因此,在进行立柱式栈道内力分析时,根据具体的结构尺寸,可以使用图3所示两种模型分别验算弯矩、轴力和剪力.

栈道附属结构包括栏杆、铺板、顶棚(起到防雨、防上方石块坠落等作用,历史上又称这种栈道

为阁道).虽然附属结构对栈道自身结构安全没有直接的影响,但是附属结构的安全却与使用者的人身安全直接相关.如果铺板或者栏杆出现问题,栈道自身结构可能仍然是安全的,但是上面的行人却可能坠崖,所以有必要对附属结构进行安图3󰀁立柱式栈道结构模型

Fig.3󰀁Calculationmodelforcolumnsupportedaisle

2.3󰀁斜柱式栈道

斜柱式栈道结构及其简化结构模型如图4所示:

仿2.2节有关讨论,斜柱式栈道也可以提取8种不同的力学模型.󰀁第3期宋建学等󰀁旅游栈道安全评价技术研究

󰀁131

图4󰀁斜柱式栈道结构及简化模型Fig.4󰀁Originalandsimplifiedmodelfor

tilting󰀂columnsupportedaisle

图6󰀁景区栈道

Fig.6󰀁Viewoftrusssupportedaisle

󰀁󰀁为简化计算,根据实际栈道调查,取l1=l2,

分别对8种模型在相应荷载下的弯矩、轴力和剪力对比分析,发现:最大弯矩和剪力在水平横梁上,最大轴力在斜支撑上.在进行斜柱式栈道内力计算时,根据具体的结构尺寸,可以使用图5所示3种模型分别验算弯矩、轴力和剪力.

3.1󰀁荷载集度q确定

根据现场测量得到的栈道构件截面尺寸,结合文献[4]规定的活荷载量值,综合取定栈道均布荷载为3󰀁5kN/m(包括恒载和活载,以活荷载

为主).

栈道单元一般跨度为3m,因此单元内线荷载集度为:标准值qk=3!3󰀁5=10󰀁5kN/m;设计值q=1󰀁4!3!3󰀁5=14󰀁7kN/m.3.2󰀁强度验算

栈道结构如图4所示,采用14号工字钢,则

2

图5󰀁斜柱式栈道结构模型

Fig5󰀁Calculationmodelfortilting󰀂column

supportedaisle

E=206!10MPa,A=21󰀁5cm,W=102cm.l1=l2=l=0󰀁65m.计算最大弯矩、剪力、轴力分别是:Mmax=0󰀁13ql,Nmax=0󰀁74ql,Vmax=0󰀁63ql.

(1)验算横梁上最大弯矩处的强度:

Mmax

∀f󰀁xWX

6

2

323

󰀁󰀁对8种模型内力对比分析还发现:斜柱式栈

道的水平横梁上的弯矩、剪力、轴力都较大,所以在对水平横梁进行评价时,其抗弯、抗拉、抗剪承载力都应该进行验算;斜柱式栈道的斜支撑上弯矩和剪力相对于横梁都较小,但轴压力较大,起控制作用,所以在进行斜支撑的安全评价时,可只验算其抗压承载力和稳定性.

(1)

0󰀁807!1022

󰀁54N/mm1󰀁05!102!10

(2)验算横梁上最大剪力:

VmaxSX

󰀂∀fvmax=IXtw

3

(2)

3󰀁林州红旗渠景区栈道安全评价

林州红旗渠是当地人民在20世纪60年代,凭着一锤一钎一双手,苦战十年建成的.1996年,

红旗渠游览区被命名为󰀂全国中小学爱国主义教育基地 ;2002年被国家旅游局评定为AAAA级景区.整个景区天然丽质与人工胜迹结合,成为红色教育与旅游观光的胜地.现在年接待游客量已达80万人次.

红旗渠景区属山区地貌,峡谷内地形变化复杂,绝对高程大约1000m,地貌单元属太行山脉,地震设防烈度为7度.现场检测发现,景区栈道结构复杂,且部分栈道结构受力主筋有挠曲现象.以下介绍栈道安全评价有关内容(见图6).6󰀁02!1022

=8󰀁97N/mm12󰀁2!10!5󰀁5

(3)验算作用在斜支撑上的受大轴压力:

=

3

Nmax

∀fA

(3)

7󰀁07!1022

󰀁29N/mm<215N/mm.2=3

21󰀁5!10

因此,栈道强度满足要求.3.3󰀁刚度验算

3󰀁3󰀁1󰀁受弯构件刚度验算

vMkmaxl1[v]1#=∀=(4)l10EIX39107l400

式中:v为由荷载标准值产生的最大挠度;[v]为容许挠度值.󰀁132

3󰀁3󰀁2󰀁受压、受拉构件刚度验算

长细比:

郑州大学学报(工学版)2008年

式、斜柱式栈道最大弯矩和剪力出现在水平横梁上,最大轴力出现在斜支撑上.

(3)栈道结构本身的安全评价包括强度、刚度和受压稳定性三方面.

lx0󰀁92!102

!===16<[!]=150.

ix5󰀁75因此,刚度满足要求.

3.4󰀁稳定性验算

验算斜支撑的受压稳定性:

Nmax22

=3󰀁33N/mm∀f=215N/mm.∀A因此,满足要求.

参考文献:

[1]󰀁税晓洁.藏在历史迷雾中的汉江古栈道[J].中国西

部,2004(3):80-83󰀁

[2]󰀁立󰀁山,刘卫国,任桂园,等.绝壁上的史诗永远消

逝的三峡古栈道[J].中国公路,2006,16:49-53󰀁[3]󰀁刘旭政,黄平明,张永健.基于模糊神经网络的大

跨悬索桥安全评估研究[J].郑州大学学报:工学版,2007,28(3):48-51󰀁[4]󰀁

JGJ130∃2001,建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范规范[S].

4󰀁结论

(1)栈道安全评价技术内容包括栈道依附的岩体、栈道与岩体结点、栈道结构本身及栈道附属结构四项.

(2)尽管结点连结方式不同,悬挑式、立柱

SafetyAssessmentonTruss-supportedAisleinSceneryZone

SONGJian-xue,YUANYing-bao,LIUHe-long

(SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,450001,China)

Abstract:Truss󰀂supportedaisle(TSA)isthemainstructureinmountainareasceneryzone.However,mostoftheTSAsaremadeofrawmateria,landwithoutformaldesignandconstructioncontrolling.Firstly,thesafetyassessmentprocedureonTSAissuggested.ItisproposedthattheprocedureofTSAsafetyassessmentbedividedintofoursteps:theassessmentofsupportingrock,evaluationofjointbetweenrockandTSA,cal󰀂culationonTSAandcheckingontheappendixstructureofTSA.Then,thecalculationalgorithmsaboutcanti󰀂lever,vertical󰀂columnedandtilt󰀂columnedTSAstructureareputforward.Basedontheparametersobtainedfromfieldsurvey,thereareeightstructuralpatternssummarized.ItisfoundthatforaTSAstructure,themax󰀂muimmomentandshearforcescomeintobeinginthehorizontalbeam,andthemaximumaxialforceexistsinthetiltrod.Themaximuminternalforcemodelsaresetupafterstructureanalysis.Finally,acasestudyiscarriedouttoshowthevalidityofthesuggestedprincipleaboutTSAassessmen.tKeywords:rodmemberstructure;mechanismmodelofstructure;truss-supportedaisle,safetyassessment