مطالعات فاز صفر هيدروليک و سازه پل رودخانه ای

مقدمه

محدوده مطالعاتي رودخانه و پل مطالعاتي در شکل ‏4‑1 و شکل ‏4‑2 نمايش داده شده است. پل موجود با ابعاد 2 دهانه 22 متر و پايه­ هاي مستطيلي با دماغه مدور به قطر 5/1 متر بوده و پل مطالعاتي به موازات اين پل و با فاصله کمي در بالادست آن قرار مي ­گيرد. بدليل نزديکي و فاصله کم، اين دو پل عملکرد هيدروليکي يکپارچه ­اي خواهند داشت. لذا در مدلسازی هيدروليکي بصورت يکپارچه در نظر گرفته شده­ اند.

شکل ‏4‑1:تصوير ماهواره ­اي محدوده پل کيلومتر 960+694 محور راه­ آهن

شکل ‏4‑2: تصوير ماهواره ­اي محدوده پل کيلومتر 960+694 محور راه ­آهن

شکل ‏4‑3: تصوير ماهواره­ اي محدوده پل کيلومتر 960+694 محور راه­ آهن

شکل ‏4‑4: مدل مفهومي پلان رودخانه محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 در نرم­افزار WMS – نمايش توپوگرافي با خطوط ارتفاعي

شکل ‏4‑5: مدل مفهومي پلان رودخانه در محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 در نرم­افزار WMS – نمايش توپوگرافي با طيف رنگي

مشخصات جريان در محدوده مطالعاتي

مقدمه

به علت اهميت محدوده مورد مطالعه، خطاهاي ناشي از استفاده از روش­ هاي دستي ممکن است قابل توجه باشد؛ لذا براي تعيين مشخصات و تحليل جريان، مدل­هاي نرم­افزاري WMS و HEC-RAS بکار رفته است که نتايج بدست آمده در ادامه ارائه شده است.

ضريب زبري مانينگ مقطع جريان در مقطع اصلي جريان، برابر با 035/0 و در سيلاب دشت دو طرف نيز، برابر با 035/0 در نظر گرفته شده است که بر اساس شرايط فيزيکي، هندسي و مورفولوژيک حاکم بر رودخانه در بازه مطالعاتي تعيين شده است.

شکل ‏4‑6: مدل مفهومي پلان رودخانه در محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 در نرم­ افزار HEC-RAS

2-2-2- مشخصات هيدروليکي و آبشستگي واريانت 2 دهانه 22 متر

شکل ‏4‑7:مدل مفهومي سه ­بعدي رودخانه در محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 در شرايط وقوع سيلاب طراحي 100 ساله در نرم­ افزار HEC-RAS – واريانت 2 دهانه 22 متر

شکل ‏4‑8: مدل مفهومي پروفيل رودخانه در محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 در شرايط وقوع سيلاب طراحي 100 ساله در نرم­ افزار HEC-RAS – واريانت 2 دهانه 22 متر

شکل ‏4‑9: مشخصات جريان در شرايط وقوع دبي حداکثر لحظه­اي سيل 100 ساله در نماي بالادست کيلومتر 960+694 پل در نرم ­افزار HEC-RAS – واريانت 2 دهانه 22 متر

شکل ‏4‑10: مشخصات جريان در شرايط وقوع دبي حداکثر لحظه­اي سيل 100 ساله در نماي پايين ­دست پل کيلومتر 960+694 در نرم­ افزار HEC-RAS – واريانت 2 دهانه 22 متر

جدول ‏4‑1: مشخصات جريان دبي حداکثر لحظه­اي سيل 100 ساله رودخانه در محدوده مطالعاتي پل کيلومتر 960+694 – واريانت 2 دهانه 22 متر

جدول ‏4‑2: مشخصات آبشستگي پل کيلومتر 960+694 در شرايط وقوع دبي حداکثر لحظه­اي سيل 100 ساله در نرم افزار HEC-RAS – واريانت 2 دهانه 22 متر

فصل پنجم: مشخصات فنی

مقطع عرضي پل

عرض پل در محور جدید که به فاصله 8 متر از آکس پل موجود قرار دارد برابر با 60/5 متر می باشد. هم چنین در طرفین پل از قرنیز به عرض 40 سانتیمتر استفاده می گردد. در شکل 5 مقطع عرضی پل نشان داده شده است.

شکل ‏5‑1: مقطع عرضی پل

آيين نامه ها و استاندارد هاي مورد استفاده

آيين نامه هاي و استانداردهاي مورد استفاده در طراحي عبارتند از :

آيين نامه بارگذاري پل هاي راه و راه آهن – نشريه شماره 139 سازمان برنامه و بودجه

آيين نامه آشتو

آيين نامه طرح پل های راه و راه آهن در برابر زلزله – نشریه 463 سازمان برنامه و بودجه

خصوصیات مصالح

با مراجعه به آیین نامه بتن ایران، مخفف به “آبا” در رابطه با بخش های بتنی، و آئین نامه آمریکائی (AASHTO2002) و در رابطه با بخش های مختلف بتنی و فولادی پل ها و منظور نمودن مشخصه‌های قطعات بتنی و فولادی به شرح زیر، طراحی این بخش ها صورت می گیرد.

بتن مسلح

انواع بتن مورد استفاده در سازه پل و میلگرد لازم برای مسلح کردن آنها ، به ترتیب زیر معرفی می شوند.

الف- بتن ها، بسته به محل های مصرفشان، عبارتند از : (B400) ، (B350) ، (B300) و (B250)

ب- میلگرد مورد نیاز مسلح کردن بتن ، از نوع آجدار (AIII) با حد جاری شدن حداقل4000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع، در نظر گرفته می شود.

فولاد

فولاد مصرفی از نوع فولاد ST37 با حد جاری شدن 2400 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و فولاد ST52 با حد جاری شدن 3600 کیلوگرم بر سانتی متر مربع منظور می‌گردد.

کابل های مصرفی در تیر های پیش ساخته بتنی با مقاومت نهایی 18900 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع و از نوع گرید270 و مطابق استاندارد ASTM A416 باشد.

بارگذاری

بار مرده

شامل وزن تمامي اجزاي باربر و غير باربر تشکيل دهنده مقطع عرشه و زیر سازه پل می باشد که شامل دو گروه بارهای مرده مرحله اول و بارهای مرده مرحله دوم مي شود. بار مرده مرحله اول ناشي از وزن تيرهاي طولي، دال عرشه بوده و بار مرده مرحله دوم ناشي از وزن دیافراگم ها و تیرهای عرضی، بالاست، ریل و تراورس، عايقکاري، قرنیز و نرده می باشد.

بار زنده

بر اساس نشریه شماره 139 برای ابنیه فنی راه آهن به جای بار حقیقی قطار، از بار فرضی معادل مطابق شکل 6 استفاده می شود که از آن به عنوان ” بارگذاری استاندارد ” یاد می شود. این بار شامل 4 بار متمرکز 25 تنی به فواصل 6/1 متر و بار گسترده 8 تن برمتر در ابتدا و انتها می باشد.

شکل ‏5‑2: بارگذاری استاندارد قطار ایران

فصل ششم: گزینه های مختلف پل

فصل ششم

گزینه های مختلف پل

کليات

برای پل مورد مطالعه گزینه های مختلفی برای زیرسازه و عرشه در نظر گرفته شده است. بررسی گزینه‌های مختلف پل عمدتاً با بررسی نوع مصالح عرشه، طول دهانه درنظر گرفته شده برای عرشه انجام‌ می‌گیرد.

مشخصات کلی پل اعم از عرشه، پایه و کوله

با توجه به مسايل اجرائي و شرايط محيطي محل احداث پل، امكان طراحي پل با مصالح بتني و فلزي امكان پذير مي باشد.

سیستم عرشه پل

در مورد عرشه پل تنوع بسیار زیادی وجود دارد که از نظر رفتار سازه‌ای، تحت بارهای وارده در دو حوزه مختلف طبقه‌بندی خواهند شد :

1) عرشه‌های نامعین استاتیکی که دارای دهانه‌های پیوسته بوده و دارای معایب و مزایای زیر هستند :

مزایا

اقتصادی‌تر و ظریف‌تر بودن عرشه پل به جهت توزیع لنگرهای عرشه در کل عرشه پل

ارائه کیفیت بهتر بهره‌‌برداری به جهت حذف درزهای انبساط

ارائه ضریب اطمینان بالاتر در برابر تخریب کلی سازه در برابر بارهای غیرمنتظره و لرزه‌ای

معایب

حساسیت سازه‌ پل در برابر انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دما که موجب تنش زیاد در سازه پل خواهد شد.

حساسیت سازه ‌پل در برابر نشستهای احتمالی تکیه‌گاهی که باعث ایجاد تنش در سازه خواهد شد.

نیاز به دقت بالا در اجرای پل

2) عرشه‌های معین استاتیکی که دارای معایب و مزایای زیر هستند :

مزایا

حساس نبودن سازه در برابر انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دما

حساس نبودن سازه در برابر نشستهای تکیه‌گاهی

عدم نیاز به دقت بالای اجرای پل به اندازه سازه‌های نامعین

معایب

ارائه کیفیت پایین بهره‌برداری به علت وجود درزهای انبساط

غیر اقتصادی‌تر بودن عرشه پل

ارائه ضریب اطمینان پایین‌تر در برابر تخریب کلی سازه در برابر بارهای غیرمنتظره و لرزه‌ای

عرشه هاي پل بتن مسلح معمولاً به صورت دال توپر يا مجوف و يا به صورت تير و دال بتني درجا ساخته مي شوند كه اين نوع عرشه ها با توجه به شكل تيرها، محل ساخت و نيز سيستم قالب­بندي داراي تنوع زيادي بوده و استفاده از آنها داراي محاسن فراواني مي­باشد كه از محاسن آن مي توان استفاده از پيش ساختگي و افزايش سرعت ساخت و در نتيجه كاهش هزينه اقتصادي، در دسترس بودن كليه مصالح لازم در نزديكي محل پروژه و عدم نياز به تخصص اجرايي بالا ذكر كرد.

مي توان با پيش تنيده كردن عرشه پل هاي بتني علاوه بر بهره بردن كامل از مقاومت فشاري بتن ابعاد مقاطع بتني را نيز كاهش داد. پيش تنيدگي بتن مي تواند به صورت پيش كشيدگي يا پس كشيدگي در عرشه پل هاي بتني اعمال گردد. اين پيش تنيدگي علاوه بر داشتن مقاطع ظريف با وزن كم و دهانه‌هاي بزرگتر تغيير شكل كمتري نيز نسبت به حالت بتن پيش ساخته مسلح داراست.

سازه فلزي نيز مي تواند به عنوان يك سيستم پيشنهادي ديگر از نظر جنس مصالح مطرح باشد كه به علت سرعت اجرا و ظريف بودن مقاطع و امكان پوشش دهانه‌هاي بزرگ به عنوان گزينه خوبي براي طرح سازه پل مطرح شود. اما اجراي سازه ­ي پل به صورت فلزي معايبي نيز داشته كه هزينه بالاي اجراي آن نسبت به گزينه‌هاي ديگر و هزينه بالاي نگهداري در زمان بهره برداري از جمله آنها مي باشند.

امكان پيش ساخته نمودن قسمت هاي اصلي سازه فلزي و كنترل كيفيت جوش ها و اتصالات در كارخانه و وزن كم حمل و مونتاژ سريع آن در محل پروژه نيز مي توان از ديگر مزاياي سازه فلزي برشمرد.

کوله و پایه پل

در پروژه هاي پلسازي عموماً به دليل هزينه كمتر در اجرا و عدم نياز به نگهداري پر هزينه، كوله ها و پايه‌ها از نوع بتني ساخته مي­شوند.

پايه هاي مياني مي­تواند به شكلهاي مختلف مانند تك ستون دايروي، چند ستون دايروي قابی شکل، ديواري شكل و غيره ساخته شوند. در برخي از موارد كه نياز به پيوستگي پايه با سيستم عرشه پل فلزي و قاب شدن كل مجموعه می باشد، مي­توان از پايه هاي فلزي نيز استفاده نمود.

كوله ها نيز مي تواند به صورت كوله وزني، كوله بسته و كوله باز طرح و محاسبه گردد. ديوارهاي كوله وزني عموماً به دليل وزن بالا و حجم زياد بتن مصرفي در آنها براي ارتفاعهاي كمتر از 4 متر استفاده مي­گردند. در سيستم كوله بسته، ديواره قائم كوله وظيفه مقابله با فشارهاي جانبي خاك و انتقال نيروهاي عرشه و جانبي خاك به فونداسيون را دارا می باشد. در اكثر موارد وجود دو ديوار برگشتي در پشت كوله وظيفه حفظ خاك پشت كوله و جلوگيري از ريزش آن را به طرفين برعهده دارد. در اين نوع كوله ها به دليل بهره بردن از مقاومت كششي آرماتورها ابعاد ديوار و فونداسيون بسيار كمتر از حالت وزني آن مي باشند.

در حالت كوله باز به دليل عبور خاك از بين ستون هاي كوله فشار جانبي خاك كمتري نسبت به حالت كوله بسته خواهيم داشت به اين ترتيب بسته به ارتفاع خاكريز قسمتي از دهانه پل توسط خاك پر مي شود. به دليل كاهش فشار جانبي خاك در اين حالت ابعاد كوچكتري براي كوله خواهيم داشت.

مشخصات کلي گزينه هاي پيشنهادي براي پل

با توجه به موارد ذکر شده در بالا در ادامه به بررسی گزینه‌های مطالعه شده پرداخته خواهد شد. در گزینه های ارائه شده از مدول های مختلفی متناسب با دهانه های پل موجود استفاده شده است که شامل دهانه های 75/21 متری با عرشه بتنی و فلزی دو سر ساده و عرشه فلزی سرتاسری، و دهانه 50/43 متری با عرشه فلزی دو سر ساده، می باشند.

واريانت اول ( پل با 2 دهانه 75/21 متری و عرشه شامل 4 تیر بتنی پیش ساخته I شکل و کوله بسته در طرفین)

در این گزینه تابلیه پل مرکب از 4 تیر بتنی پیش ساخته با مقطع I شکل و ارتفاع ثابت 70/1 متر و دال بتنی مسلح درجاریز به ضخامت متغیر 25 سانتیمتر در وسط و 30 سانتیمتر در کناره می­باشد‌ که با یکدیگر به صورت کامپوزیت عمل می‌نمایند. فاصله تیرهای طولی از یکدیگر برابر 20/1 متر و طول قسمت طره ای دال برابر 0/1 متر می­ باشد. سیستم سازه ای عرشه به صورت ایزواستاتیکی بوده به شکلی که شاه تیرهای طولی در محل تکیه گاه بر روی نشیمنگاه های الاستومری قرار می­ گیرند و رفتار مفصلی- غلطکی را دارا می باشد.

پایه های کناری در این گزینه از نوع کوله بسته و با ضخامت متغیر 1 متر در بالا و 5/1 متر در پایین و به ارتفاع 4/6 متر از روی فونداسیون تا نشیمنگاه تیر می باشد. کوله بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 00/5 × 60/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 30 متر می باشد، قرار دارد. پایه میانی بصورت تک پایه و متشکل از یک ستون لوبیایی شكل به ابعاد کلی 5/1 × 0/3 متر و ارتفاع 90/5 متر از روی فونداسیون تا سرستون می باشد. پایه میانی بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 0/5 × 0/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 30 متر می باشد، قرار دارند. این گزینه به لحاظ تعداد دهانه و طول دهانه کاملا مطابق با پل موجود می باشد.

واريانت دوم ( پل با 2 دهانه 75/21 متری ساده و عرشه شامل 4 تیرورق فلزی I شکل )

در این گزینه تابلیه پل مرکب از 4 تیرورق فلزی با مقطع I شکل و ارتفاع ثابت 20/1 متر و دال بتنی مسلح درجاریز به ضخامت متغیر 25 سانتیمتر در وسط و 30 سانتیمتر در کناره می­باشد‌ که با یکدیگر به صورت کامپوزیت عمل می‌نمایند. نوع فولاد مصرفی در شاهتیرهای این گزینه فولاد ST37 می باشد. فاصله تیرهای طولی از یکدیگر برابر 20/1 متر و طول قسمت طره ای دال برابر 0/1 متر می­باشد. سیستم سازه ای عرشه به صورت ایزواستاتیکی و دو سرساده بوده به شکلی که شاهتیرهای طولی در محل تکیه گاه بر روی نشیمنگاه های الاستومری قرار می­گیرند و رفتار مفصلی- غلطکی را دارا می­باشد. در تابلیه از تیرهای عرضی به فاصله هر 5/6 متر استفاده می شود. این تیرها وظیفه توزیع بارهای زنده و جانبی و بالا بردن مقاومت عرشه‌ در برابر پیچش را دارند.

پایه های کناری در این گزینه از نوع کوله بسته و با ضخامت متغیر 1 متر در بالا و 5/1 متر در پایین و به ارتفاع 85/6 متر از روی فونداسیون تا نشیمنگاه تیر می باشد. کوله بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 0/5 × 60/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 30 متر می باشد، قرار دارد. پایه میانی بصورت تک پایه و متشکل از یک ستون لوبیایی شكل به ابعاد کلی 5/1 × 0/3 متر و ارتفاع 35/6 متر از روی فونداسیون تا سرستون می باشد. پایه میانی بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 0/5 × 0/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 25 متر می باشد، قرار دارند. این گزینه به لحاظ تعداد دهانه و طول دهانه کاملا مطابق با پل موجود می باشد.

واريانت سوم ( پل با 2 دهانه 75/21 متری سرتاسری و عرشه شامل 4 تیرورق فلزی I شکل )

در این گزینه تابلیه پل مرکب از 4 تیرورق فلزی با مقطع I شکل و ارتفاع متغیر 0/1 متر در پایه های کناری و 20/1 متر در پایه میانی و دال بتنی مسلح درجاریز به ضخامت متغیر 25 سانتیمتر در وسط و 30 سانتیمتر در کناره می­باشد‌ که با یکدیگر به صورت کامپوزیت عمل می‌نمایند. نوع فولاد مصرفی در شاهتیرهای این گزینه فولاد ST37 می باشد. فاصله تیرهای طولی از یکدیگر برابر 20/1 متر و طول قسمت طره ای دال برابر 0/1 متر می­باشد. سیستم سازه ای عرشه به صورت نامعین و شاهتیرهای طولی در محل پایه میانی بصورت پیوسته اجرا می گردند. در تابلیه از تیرهای عرضی به فاصله هر 5/6 متر استفاده می شود. این تیرها وظیفه توزیع بارهای زنده و جانبی و بالا بردن مقاومت عرشه‌ در برابر پیچش را دارند.

پایه های کناری در این گزینه از نوع کوله بسته و با ضخامت متغیر 1 متر در بالا و 5/1 متر در پایین و به ارتفاع 05/7 متر از روی فونداسیون تا نشیمنگاه تیر می باشد. کوله بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 0/5 × 60/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 30 متر می باشد، قرار دارد. پایه میانی بصورت تک پایه و متشکل از یک ستون لوبیایی شكل به ابعاد کلی 5/1 × 0/3 متر و ارتفاع 45/6 متر از روی فونداسیون تا سرستون می باشد. پایه میانی بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 20/1 متر و ابعاد 0/5 × 0/5 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 25 متر می باشد، قرار دارند. این گزینه به لحاظ تعداد دهانه و طول دهانه کاملا مطابق با پل موجود می باشد.

واريانت چهارم ( پل با 1 دهانه 5/43 متری و عرشه شامل 2 تیرورق فلزی جعبه ای)

در این گزینه تابلیه پل مرکب از دو تیرورق فلزی با مقطع جعبه ای با ارتفاع ثابت 8/1 متر و دال بتنی مسلح درجاریز به ضخامت متغیر 25 سانتیمتر در وسط و 30 سانتیمتر در کناره می­باشد‌ که با یکدیگر به صورت کامپوزیت عمل می‌نمایند. سیستم سازه ای عرشه به صورت ایزواستاتیکی بوده به شکلی که شاه تیرهای طولی در محل تکیه گاه بر روی نشیمنگاه های الاستومری قرار می گیرند و رفتار مفصلی- غلطکی را دارا می باشد. نوع فولاد مصرفی در شاه تیرهای این گزینه فولاد ST52 می باشد. لازم به ذکر است که شاه تیرهای طولی دارای بال پایین به عرض 50/1 متر و دو جان قائم به فاصله محور به محور 40/1 متر می باشند. در تابلیه از تیرهای عرضی به فاصله هر 8 متر استفاده می شود. این تیرها وظیفه توزیع بارهای زنده و جانبی و بالا بردن مقاومت عرشه‌ در برابر پیچش را دارند. در بالای مقطع تیرهای طولی جهت افزایش صلبیت مقطع تیر از مهاربندی ضربدری با زاویه 45 درجه در صفحه­ای موازی دال استفاده می­شود.

پایه های کناری در این گزینه از نوع کوله بسته و با ضخامت متغیر 1 متر در بالا و 5/1 متر در پایین و به ارتفاع 25/6 متر از روی فونداسیون تا نشیمنگاه تیر می باشد. کوله بر روی فونداسیون عمیق با سرشمع به ضخامت 50/1 متر و ابعاد 00/6 × 0/6 متر که برروی 4 شمع به قطر 100 سانتیمتر و عمق 35 متر می باشد، قرار دارد.