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        連續(xù)剛構(gòu)橋梁的安全性能評(píng)估

        2016-10-09 08:54:47陳娜
        福建交通科技 2016年4期
        關(guān)鍵詞:校驗(yàn)撓度彈簧

        ■陳娜

        (福州榕城港務(wù)發(fā)展有限公司,福州 350028)

        連續(xù)剛構(gòu)橋梁的安全性能評(píng)估

        ■陳娜

        (福州榕城港務(wù)發(fā)展有限公司,福州350028)

        本文以某分離式連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃榻B了該橋環(huán)境振動(dòng)的測(cè)試及精細(xì)有限元模型的建立,包括上下部結(jié)構(gòu)和樁土共同作用的模擬等,并進(jìn)行了實(shí)測(cè)與計(jì)算動(dòng)力特性的比較分析,利用結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)動(dòng)力特性和精細(xì)有限元模型對(duì)該橋的安全性能進(jìn)行了評(píng)估。

        剛構(gòu)橋梁環(huán)境振動(dòng)測(cè)試精細(xì)有限元模型安全性能評(píng)估

        隨著交通事業(yè)的大力發(fā)展的需求,我國(guó)大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。在大跨徑橋型方案比選中,連續(xù)梁橋型仍具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。在已建的高速公路及市政道路鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁的數(shù)量眾多,隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移,橋梁管養(yǎng)部門急需了解橋梁的安全性能。為得到該橋當(dāng)前狀態(tài),需要對(duì)橋梁的安全性能進(jìn)行評(píng)估。本文利用結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)動(dòng)力特性和精細(xì)有限元模型的結(jié)合進(jìn)行某橋梁的承載力評(píng)估,該方法外業(yè)工作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低,同時(shí)不影響交通,對(duì)于橋梁管理部門掌握橋梁當(dāng)前狀態(tài)具有非常強(qiáng)的可操作性。

        1 橋梁概況

        某分離式大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T梁和預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)箱梁組合式橋梁,見圖1。橋梁全長(zhǎng)757m,橋跨組合為30m+(40+70+40)m+3×30m+4×4×30m,設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí),基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋墩采用雙柱式圓柱墩、矩形薄壁墩,橋臺(tái)采用肋式、柱式橋臺(tái),板式、盆式橡膠支座。該橋已經(jīng)使用10年,為得到該橋當(dāng)前狀態(tài),評(píng)估其安全性能,進(jìn)行了環(huán)境振動(dòng)測(cè)試和安全評(píng)估。

        2 環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

        2.1測(cè)點(diǎn)布置

        該分離式大橋主橋?yàn)?0m+70m+40m的連續(xù)剛構(gòu)橋,主橋共布置:17個(gè)橫橋向測(cè)點(diǎn)+1個(gè)橫橋向參考點(diǎn);17個(gè)豎橋向測(cè)點(diǎn)+1個(gè)豎橋向參考點(diǎn)以及17個(gè)縱橋向測(cè)點(diǎn)+1個(gè)縱向參考點(diǎn)。

        2.2環(huán)境振動(dòng)測(cè)試

        測(cè)試時(shí)橋梁振動(dòng)的加速度信號(hào)由傳感器拾振,由采集儀采集大量的加速度信號(hào)。三個(gè)測(cè)試跨三個(gè)方向各分別有兩個(gè)測(cè)站。采樣頻率 500Hz,每測(cè)站采樣時(shí)間為10min。測(cè)試情況見圖2。

        3 有限元分析模型

        3.1有限元模型

        有限元模型用ANSYS前處理建立,按結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸建模,模型采用笛卡爾三軸坐標(biāo)。X軸沿橋縱軸線方向,Y軸豎向向上,Z軸沿橋橫軸方向。全橋有限元模型共有單元5445個(gè),節(jié)點(diǎn)9099個(gè)。有限元模型見圖3。

        3.2單元類型和材料參數(shù)

        在有限元模型中,全橋采用Solid65單元模擬,用Combin14單元模擬橋兩端伸縮縫。

        基本材料參數(shù)如下:箱梁C55混凝土:彈性模量E=3.55×104MPa,容重Dens=24.5kN/m3,密度為2.55×103kg/ m3,泊松比0.167;橋墩C40混凝土:彈性模量E=3.25×104MPa,容重Dens=24.5kN/m3,密度為2.55×103kg/m3,泊松比0.167;承臺(tái)C30混凝土:彈性模量E=3.00×104MPa,容重Dens=24.5kN/m3,密度為2.55×103kg/m3,泊松比0.167。

        3.3邊界條件模擬

        根據(jù)實(shí)際位置施加約束,對(duì)支座節(jié)點(diǎn)Y方向(豎向)固結(jié),X方向(橫橋向)和Z方向(縱橋向)用Combine14(Spring-Damper)單元模擬其縱、橫向摩擦;橋面兩端施加X方向和Z方向的彈簧,以模擬伸縮縫的約束情況;各處彈簧剛度取值見表1。對(duì)樁與土的相互作用,由于樁插入巖層樁尖處視之為固結(jié)約束,樁與樁側(cè)土的用彈簧阻尼單元Combine14模擬。

        表1 各處彈簧初始剛度系數(shù)表

        3.4樁-土相互作用土彈簧參數(shù)確定

        在本文中,為方便建模計(jì)算,引入以下幾點(diǎn)假定:

        (1)地基土水平分層,不考慮土層的傾斜,土介質(zhì)為線彈性的連續(xù)介質(zhì)。

        (2)在給定的單元內(nèi),假定地基反力系數(shù)為常數(shù),由加權(quán)平均法得到該段土的平均地基反力系數(shù),為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定彈簧系數(shù)為常數(shù),不考慮土層的非線性反應(yīng)。

        (3)由于2號(hào)墩樁底嵌入弱風(fēng)化凝灰熔巖深不小于3.0m,可以認(rèn)為樁尖的位移為零,把樁尖設(shè)為固端。

        (4)由于3號(hào)墩樁底處巖層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,故按摩擦樁計(jì)算,樁尖設(shè)為不完全固結(jié),豎向約束,橫向縱向添加Combine14彈簧阻尼單元。

        從而建立如圖4簡(jiǎn)化模型,把樁-土系統(tǒng)離散為質(zhì)彈阻模型,土和樁的相互作用根據(jù)土的分層用一系列的帶阻尼的等價(jià)土彈簧來(lái)模擬,根據(jù)樁側(cè)土層不同土質(zhì)用m法來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)處彈簧的系數(shù);與樁一起振動(dòng)的地基土作為附加質(zhì)量加在對(duì)應(yīng)的樁上加以考慮。全橋模型邊界約束示意圖和樁基模擬局部圖如圖5和圖6所示。

        4 實(shí)測(cè)與計(jì)算動(dòng)力特性比較

        通過(guò)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,共得到該分離式大橋豎向3階、橫向2階及縱向1階的頻率和振型,見表2和表3,相應(yīng)的有限元計(jì)算的頻率和振型也列于表2和表3。表2中的誤差是通過(guò)計(jì)算值與SSI法得到的頻率比較得到的。由表2可以看出,實(shí)測(cè)和計(jì)算頻率吻合較好,誤差基本在5%以內(nèi)。從MAC計(jì)算結(jié)果來(lái)看,實(shí)測(cè)和計(jì)算的振型吻合良好,見表3。

        表2 實(shí)測(cè)與計(jì)算動(dòng)力特性

        表3 實(shí)測(cè)與計(jì)算振型比較

        5 承載力性能評(píng)估

        5.1計(jì)算依據(jù)及計(jì)算工況

        為評(píng)價(jià)該橋是否滿足荷載標(biāo)準(zhǔn)正常行車使用要求,以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值等效換算,確定所需的試驗(yàn)荷載、加載車輛和輪位。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值,按最不利截面布置,分為滿載和偏載兩種方式。采用6輛三軸載重汽車加載,試驗(yàn)載重汽車軸重列表4。

        表4 加載車輛重量表

        根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),擬進(jìn)行以下試驗(yàn)工況的計(jì)算:

        工況I:檢驗(yàn)邊跨跨中截面(1號(hào)截面)在最不利汽車荷載(分滿載和偏載兩種工況)作用下的最大正彎矩效應(yīng);工況Ⅱ:檢驗(yàn)中跨跨中截面(3號(hào)截面)在最不利汽車荷載(分滿載和偏載兩種工況)作用下的最大正彎矩效應(yīng);工況Ⅲ:檢驗(yàn)2號(hào)墩頂截面(2號(hào)截面)在最不利汽車荷載作用下的最大負(fù)彎矩效應(yīng)。

        5.2計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

        計(jì)算撓度和應(yīng)變結(jié)果見表5和表6,《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/TJ21-2011)中給出的預(yù)應(yīng)力混凝土橋撓度校驗(yàn)系數(shù)的常值范圍為0.60~1.00,應(yīng)變(應(yīng)力)校驗(yàn)系數(shù)的常值范圍為0.50~0.90。該橋?qū)崪y(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.56~0.94,應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.46~0.86,滿載時(shí)各工況下的撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)基本在常值范圍之內(nèi)。故1、2、3截面的承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

        表5 各工況滿載撓度表

        表6 各工況滿載應(yīng)變表

        6 結(jié)語(yǔ)

        (1)環(huán)境振動(dòng)測(cè)試能夠識(shí)別出橋梁基本動(dòng)力特性,其中豎向基頻為2.19 Hz,橫向基頻為7.56 Hz,縱向基頻為1.46 Hz,一階模態(tài)阻尼比豎向?yàn)?.8%,橫向?yàn)?.2%,縱向?yàn)?.6%,介于一般橋梁結(jié)構(gòu)臨界阻尼比1.0%~10.0%之間,屬于正常范圍。

        (2)利用環(huán)境振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)橋梁有限元模型進(jìn)行參數(shù)修正后,該分離式大橋理論模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果比較吻合,表明所采用的計(jì)算參數(shù)和邊界條件是基本正確的,修正后的有限元模型能夠基本反映橋梁當(dāng)前的真實(shí)狀態(tài)。

        (3)汽車靜載測(cè)試和分析表明:本橋滿載時(shí)跨中截面的最大撓度為11.11mm,遠(yuǎn)小于規(guī)程規(guī)定的限值,說(shuō)明試驗(yàn)跨橋跨結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足設(shè)計(jì)荷載 (公路-I級(jí))要求。該橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.46~0.86,滿載時(shí)各工況下的撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)基本在常值范圍之內(nèi),能夠滿足設(shè)計(jì)荷載要求和安全使用要求。

        [1]孫勇,岑成賢.ANSYS在橋梁工程中的應(yīng)用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,3.

        [2]王新敏,李義強(qiáng),許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與 應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [3]中華人民共和國(guó)交通部發(fā)布.公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范,(JT021-89)[S].北京:人民交通出版社,1989.

        [4]萬(wàn)平.鋼筋混凝土橋梁安全性評(píng)估方法研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

        [5]祝小龍,趙春花,周成濤.某高架橋橋墩傾斜成因分析及安全評(píng)估[J].中外公路,2013,33(4):208-221.

        [6]張喜剛,劉高,馬軍海,等.中國(guó)橋梁技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].科學(xué)通報(bào),2016(4):415-425.

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