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        橋梁平轉(zhuǎn)施工稱重試驗及啟動牽引力計算探討

        2011-09-04 08:26:38陳順超黃平明王吉磊
        鐵道建筑 2011年11期
        關(guān)鍵詞:牽引力轉(zhuǎn)體油層

        陳順超,黃平明,王吉磊

        (1.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室,西安 710064;

        2.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,昆明 650224;3.中鐵十局 濟鐵公司,濟南 250001)

        當(dāng)新建橋梁跨越交通繁忙的既有鐵路或高速公路時,為了最大限度地減小橋梁施工對交通運營的影響,首選方案就是平面轉(zhuǎn)體施工。平面轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵部位是轉(zhuǎn)體系統(tǒng),它由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤及牽引系統(tǒng)組成。目前的橋梁轉(zhuǎn)體施工,轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)普遍采用凹形預(yù)制鋼球鉸,外加鋼管混凝土撐腳作為保險支腿;牽引系統(tǒng)普遍采用預(yù)埋鋼鉸線索、牽引反力座及電腦控制同步連續(xù)千斤頂[1-4]。

        橋梁轉(zhuǎn)體要想順利、安全、平穩(wěn),就必須保證梁體在轉(zhuǎn)動過程中始終處于平穩(wěn)狀態(tài),并且牽引系統(tǒng)能提供充足、穩(wěn)定的牽引力。要做到這兩點,必須通過稱重試驗測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩以及靜摩阻系數(shù),從而制定相應(yīng)的配重方案,并根據(jù)實際支承情況計算啟動牽引力,確保牽引系統(tǒng)的動力安全系數(shù)滿足要求。目前,稱重試驗雖已在轉(zhuǎn)動體不平衡狀況識別中普遍采用,《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000)也提供了啟動牽引力的計算公式,但仍然存在不完善之處。本文將結(jié)合濱州—德州高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控實踐,對轉(zhuǎn)體橋稱重試驗及啟動牽引力計算進(jìn)行探討。

        1 轉(zhuǎn)體稱重試驗的討論

        轉(zhuǎn)體稱重試驗的目的是測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩、靜摩阻力矩及靜摩阻系數(shù),并據(jù)此制定相應(yīng)的不平衡配重方案。絕大多數(shù)情況,球鉸的摩阻力矩大于不平衡力矩,砂箱拆除后,撐腳并不落地,轉(zhuǎn)動體處于球鉸單獨支承狀態(tài)。

        稱重試驗的原理是假設(shè)轉(zhuǎn)動體能繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)動體發(fā)生轉(zhuǎn)動位移突變時,轉(zhuǎn)動體在施加的轉(zhuǎn)動力矩、不平衡力矩及靜摩阻力矩三者作用下剛好處于力矩平衡的臨界狀態(tài)。目前通常的做法如圖1所示,分別在轉(zhuǎn)動體的兩個相對方向施加豎向頂升力,并同時測試梁體的豎向位移,繪制位移—力曲線,從中判斷出拐點,拐點所對應(yīng)的力即為臨界力 P1,P2,頂升力作用點至球鉸中心距離分別為 L1,L2,根據(jù)下述公式(1)~公式(3)即可計算得到不平衡力矩、靜摩阻力矩及靜摩阻系數(shù)。

        圖1 稱重試驗常規(guī)做法原理示意

        其中,R球為球鉸球面半徑;G為轉(zhuǎn)動體總重量。

        從上述分析可見,稱重試驗的關(guān)鍵是如何較準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)動體由靜止到轉(zhuǎn)動的臨界點,這又涉及到力和位移兩個方面的因素,下面分別來分析。

        1.1 作用力的影響

        稱重試驗最理想的方式是直接施加轉(zhuǎn)動力矩,但實際只可能通過力的施加來產(chǎn)生力矩。當(dāng)力作用于剛體時,其作用效應(yīng)可分為轉(zhuǎn)動力矩和力兩部分,其中轉(zhuǎn)動力矩屬于有效部分。為了潤滑,上、下球鉸之間充填有一定厚度的黃油四氟粉,如圖2所示。當(dāng)有頂升力作用時,同側(cè)的黃油壓力會減小,空隙變大,相對一側(cè)的黃油會被壓迫、擠出,空隙減小。并且頂升力越大,此效應(yīng)越顯著??梢姡Q向力的作用對球鉸的均勻轉(zhuǎn)動是不利因素,在保證轉(zhuǎn)動力矩的情況下,力越小,越接近球面轉(zhuǎn)動的理想狀態(tài)。所以,從提高測試精度的角度考慮,作用力的力臂越長越好。

        圖2 豎向力對球鉸影響的示意

        作用力的施加位置位于懸臂端部是最理想的狀況,這存在兩種可能。一是在梁端的下部用小型千斤頂頂升,這種方式實際不可行。因為梁下需要搭設(shè)支架才能有著力點,支架的穩(wěn)定性成問題,而且梁端下部頂升將使懸臂根部斷面的底板受拉,有可能損壞梁體。二是在梁端上部壓重,在懸臂根部產(chǎn)生的負(fù)彎矩剛好由頂板的預(yù)應(yīng)力鋼束承擔(dān)。以濱德高速為例,轉(zhuǎn)體T構(gòu)長76 m,要克服不平衡力矩 +摩阻力矩,偏安全地考慮需要在距梁端2 m處壓重450 kN。則上緣最大拉應(yīng)力、下緣最大壓應(yīng)力增量分別約為0.7 MPa,0.82 MPa,且壓重完成后所有截面均為壓應(yīng)力,足夠安全。壓重橫向位置只要不集中于頂板中央,對箱梁局部也不會造成損壞。

        梁端壓重的加載方式,由于豎向力小,其試驗精度顯然優(yōu)于常用的墩底頂升的方案,安全性也能保證,唯一的缺點是吊裝工作量較大?,F(xiàn)場吊裝條件允許時,可優(yōu)先考慮采用。

        1.2 位移測試

        目前,稱重試驗通常測試球鉸的豎向位移,其實并不合理。由于豎向力的影響,豎向位移并非完全由球鉸的轉(zhuǎn)動引起,實際上前期位移主要是黃油層受壓或減壓所導(dǎo)致的豎向位移。位移大小與黃油層的厚度有關(guān),且位移與力之間也并非呈線性關(guān)系。反映在位移—力曲線上表現(xiàn)為曲線微凸,拐點不明顯,難以判斷。從稱重試驗的原理來看,既然是球面轉(zhuǎn)動,則應(yīng)該是測試沿球鉸邊緣切線方向的位移最為合理,如圖2所示。當(dāng)然安置百分表時,如果沿切線方向安置,容易造成接觸點打滑,影響測試結(jié)果。但是由于切線的水平夾角較小,通過測試水平位移,也能消除黃油層豎向位移的不利影響,起到與測試斜向位移同樣的效果。

        為了探究豎向位移與水平位移的不同,在濱德高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體稱重試驗中對兩者進(jìn)行了對比研究。圖3為同一次試驗對應(yīng)的位移—力曲線圖。由圖3中豎向位移曲線可知,突變前豎向已產(chǎn)生較大位移,實際反映了黃油層的影響;而圖3中水平位移曲線在球鉸轉(zhuǎn)動之前幾乎沒有位移,且突變更明顯。豎向位移—力曲線在突變前微凸,表現(xiàn)為非線性的性質(zhì),可以想象黃油層越厚,非線性將越明顯;而水平位移則受黃油層的影響很小,拐點更容易判斷。由圖3中豎向位移曲線可得臨界力為3 326 kN,由圖3中水平位移曲線可得臨界力為3 342 kN,采用時應(yīng)以后者為準(zhǔn)。

        圖3 位移—力曲線

        由上述分析可見,測試水平位移能消除黃油層的不利影響,較測試豎向位移更為合理。實際測試時,應(yīng)以水平位移測試為準(zhǔn),或兩者同時測試,綜合分析。

        2 啟動牽引力的計算

        根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000),轉(zhuǎn)體牽引力的計算公式為[5]

        式中,T為牽引力;G為轉(zhuǎn)體總重量;R為下球鉸平面半徑;D為牽引力偶臂;f為靜摩阻系數(shù),可由稱重試驗得到。

        公式(4)推導(dǎo)的前提是整個轉(zhuǎn)體重量由球鉸單獨承擔(dān)。不考慮中間轉(zhuǎn)軸的影響,支承面可簡化為圓形,圓可看成由無數(shù)個圓心角無限小的等腰三角形組成,而三角形的重心位于垂線的2/3處,則容易得到公式(4)。

        目前的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)普遍采用球鉸+撐腳保險腿的形式,轉(zhuǎn)體時最理想的狀況是球鉸單獨支承,而撐腳與滑道處于若即若離的狀態(tài),僅起保險的作用。實際上,這種理想狀況是不可能存在的,因為撐腳下要放入四氟滑片,擠入黃油,實際已經(jīng)受力。而且為了防止平轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)體豎向“大翻身”,普遍采用的是不平衡配重方案。為了保險,還在翹起的一側(cè)施加頂升力,使撐腳產(chǎn)生一定的壓力。因為撐腳摩阻力的力臂更大,此時如仍然按公式(4)計算啟動牽引力,則顯然會偏小。所以,比較合理的計算方法,應(yīng)該考慮撐腳參與受力的實際情況。撐腳參與受力后,轉(zhuǎn)動體實際處于超靜定結(jié)構(gòu)狀態(tài),要精確考慮撐腳的受力狀態(tài)是不可能的,也沒有必要。轉(zhuǎn)前配重完成后,對翹起一側(cè)繼續(xù)頂升,這時轉(zhuǎn)動體實際已出現(xiàn)轉(zhuǎn)動位移突變,由于撐腳和球鉸下黃油的蠕變,其最終趨勢是趨向于球鉸和一側(cè)的撐腳共同承載。所以,承載的面積可考慮為球鉸全部面積加上半數(shù)撐腳的面積,如大部分設(shè)計是6個撐腳,即可考慮3個撐腳參與受力。

        撐腳底板的形狀為扇形,如圖4所示。設(shè)撐腳摩阻力合力為F,合力臂為R撐腳,撐腳內(nèi)外側(cè)平面半徑分別為 R1、R2,摩阻系數(shù)為 f,撐腳底壓應(yīng)力為 σ,扇形所對應(yīng)圓心角為φ,則有

        則轉(zhuǎn)體牽引力的計算公式為

        圖4 撐腳摩阻力臂計算示意

        濱德高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動體系,單幅轉(zhuǎn)體質(zhì)量約4 500 t;下球鉸平面直徑3.0 m,上球鉸平面直徑3.7 m,中心轉(zhuǎn)軸直徑0.26 m,球鉸球面半徑6.02 m,轉(zhuǎn)臺直徑6.60 m;撐腳內(nèi)、外側(cè)半徑分別為2.45 m,3.25 m,六個撐腳對稱布置于縱軸線兩側(cè),每組撐腳由2個直徑600 mm的鋼管混凝土圓柱狀結(jié)構(gòu)組成,撐腳下鋼板面積為1.16 m2;實測靜摩阻系數(shù)為0.041。轉(zhuǎn)前對轉(zhuǎn)動體進(jìn)行了頂升,使得撐腳接觸滑道,根據(jù)頂升情況考慮3個撐腳參與受力。實測啟動牽引力為467 kN,式(4)和式(6)計算結(jié)果分別為274 kN和444 kN。按規(guī)范公式(4)計算的啟動牽引力比實測值偏小很多,而按簡化公式(6)的計算值與實測值則較吻合。因此,應(yīng)考慮撐腳參與受力的實際情況,按公式(6)計算啟動牽引力,具體參與的程度應(yīng)視撐腳接觸的情況具體考慮,一般可考慮為半數(shù)撐腳參與受力。

        3 結(jié)論與建議

        1)梁端壓重代替千斤頂頂升,能保證結(jié)構(gòu)安全,豎向力的作用效應(yīng)更小,更接近球面轉(zhuǎn)動的理想狀況,測試結(jié)果更準(zhǔn)確。但吊裝工作量較大,現(xiàn)場條件允許時,可優(yōu)先考慮。

        2)稱重試驗測試轉(zhuǎn)體水平位移,能消除黃油層豎向變形的影響,位移突變更明顯,臨界力的判斷更準(zhǔn)確、更容易。因此,位移測試應(yīng)以水平位移為主,或水平和豎向位移結(jié)合,綜合判斷臨界力。

        3)規(guī)范提供的啟動牽引力計算公式只考慮球鉸支承,計算值偏小,偏于不安全。比較合理的計算方法應(yīng)考慮球鉸和撐腳共同支承的實際情況,球鉸考慮為全部受力,撐腳一般可考慮為半數(shù)參與受力。

        [1]張聯(lián)燕,程懋方,譚邦明,等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社,2002:12-25.

        [2]陳寶春,孫潮,陳友杰.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J].公路交通科技,2001,18(2):24-28.

        [3]魏峰,陳強,馬林.北京市五環(huán)路斜拉橋轉(zhuǎn)動體不平衡重稱重試驗分析[J].鐵道建筑,2005(4):4-6.

        [4]余常俊.轉(zhuǎn)體法施工轉(zhuǎn)動體系設(shè)計、加工與安裝技術(shù)研究[J].鐵道建筑,2010(6):1-3.

        [5]中華人民共和國交通部.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.

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