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        基于橋梁特殊檢測(cè)的普通鋼筋混凝土剛架拱橋工作性能評(píng)價(jià)

        2019-05-18 02:25:10■高
        福建交通科技 2019年2期
        關(guān)鍵詞:剛架標(biāo)度拱橋

        ■高 昊

        (福建省福泉高速公路有限公司,福州 350000)

        0 前言

        剛架拱橋是指外形似斜腿剛架的拱橋,由剛架拱片、橫系梁與橋面系組成。剛架拱片是拱肋與拱上建筑組成整體的承重結(jié)構(gòu),立面上略呈拱形,其間用橫系梁和橋面系連接成整體共同受力。剛架拱橋是在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構(gòu)橋等基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)拱橋特點(diǎn)及無(wú)支架施工經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的新橋型,屬于有推力的高次超靜定結(jié)構(gòu),其大部分構(gòu)件偏心受壓,無(wú)純拉構(gòu)件,可以充分利用混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

        由于剛架拱橋結(jié)構(gòu)線條簡(jiǎn)單、外形美觀大方、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低,適用于地基較差的橋位處,所以在全國(guó)范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但是剛架拱橋是預(yù)制安裝,存在主拱肋微彎板、混凝土填平層及橋面鋪裝間的連接強(qiáng)度不足、橫向和縱向剛度偏弱等缺點(diǎn),再加上施工中采用的原材料不合格、施工過(guò)程不規(guī)范出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題,橋梁缺少養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)力度不夠,以及這些年來(lái)日益增加的交通壓力,原有的橋梁結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)了各種病害,無(wú)法滿足現(xiàn)在交通的需求,影響了橋梁的使用和行車安全。

        1 工程概況

        本文工程實(shí)例為某省道上的一座普通鋼筋混凝土剛架拱橋,橋梁全長(zhǎng)60m,設(shè)計(jì)橋型為單孔剛架拱橋,凈跨徑為50m,凈矢高為6.25m,矢跨比1/8。上部結(jié)構(gòu)由4片剛架拱片、橫系梁和微彎板組成,拱片曲線部分采用二次拋物線結(jié)構(gòu)形式,微彎板采用6cm厚、F0/L0=1/10的結(jié)構(gòu)形式,剛架拱拱片、橫系梁采用搭架現(xiàn)澆,微彎板采用預(yù)制安裝。橋面布置為凈9.00m(行車道)+2×0.50m(安全帶),橋面鋪裝鋼筋混凝土,厚度為橋中19.00cm,雙向橫坡1.50%?,F(xiàn)澆橋面采用30#防水混凝土,上部結(jié)構(gòu)各部件均采用40#混凝土,主筋采用Ⅱ級(jí)鋼筋,其它采用Ⅰ級(jí)鋼筋。下部構(gòu)造為U型橋臺(tái)、片石混凝土明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。臺(tái)帽及拱座采用20#混凝土,臺(tái)身采用7.5#水泥砂漿砌塊、片石,外圍采用7.5#水泥砂漿細(xì)料石鑲石,基礎(chǔ)采用15#片石混凝土。

        橋梁設(shè)計(jì)荷載:汽車-20、掛車-100。洪水設(shè)計(jì)或然率為100年一遇。橋跨結(jié)構(gòu)總體布置如圖1所示。

        為了解橋跨主體結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài),檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)是否滿足公路Ⅰ級(jí)正常行車使用要求,我們對(duì)該橋進(jìn)行了特殊檢測(cè),評(píng)價(jià)橋跨結(jié)構(gòu)的工作性能。

        圖1 橋梁總體布置圖及試驗(yàn)測(cè)試截面示意圖

        2 缺損狀況檢查及病害成因分析

        2.1 缺損狀況檢查結(jié)果

        根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)該橋現(xiàn)有橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)等目所能及的部位進(jìn)行外觀檢查。檢查的外觀病害情況如下:

        (1)上部結(jié)構(gòu):剛架拱片出現(xiàn)混凝土掉塊3處,共計(jì)面積S=0.23m2,水平裂縫1條,縫寬1.00mm,縫長(zhǎng) 0.50m;微彎板出現(xiàn)混凝土掉塊露筋2處,共計(jì)面積S=0.37m2,橫向裂縫流白灰1條,長(zhǎng)1.20m;橫系梁出現(xiàn)混凝土麻面露筋2處,共計(jì)面積S=0.12m2。

        (2)下部結(jié)構(gòu):橋臺(tái)砌石出現(xiàn)斷裂1處,長(zhǎng)0.60m;滲水、流白灰1處,長(zhǎng)1.00m;豎向裂縫2條,最大縫寬0.20mm,縫長(zhǎng)1.20m;砌石勾縫脫落1處;橋臺(tái)臺(tái)身滲水、長(zhǎng)草。

        (3)橋面系:兩端伸縮縫處下游側(cè)路緣石均出現(xiàn)上下、左右錯(cuò)位,最大1.8cm;大里程側(cè)橋頭搭板處下游側(cè)護(hù)欄,1處破損;橋頭搭板坑槽2處,共計(jì)面積S=2.45m2;路緣石3處開裂,最大縫寬1.60mm,長(zhǎng)0.90m;橋面橫向裂縫10條,最大縫寬1.60mm,長(zhǎng)5.00m;兩端伸縮縫均橡膠體破損、砂土堆積。

        根據(jù) 《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011),該橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為3類。

        2.2 病害成因

        (1)4#拱片大里程側(cè)拱腳2處混凝土掉塊是由于附近開挖施工時(shí)大石塊撞擊造成的;

        (2)拱片、微彎板、橫系梁局部存在蜂窩、麻面、掉塊、露筋等現(xiàn)象,主要與施工時(shí)振搗不實(shí)或漏漿有關(guān);

        (3)1#橋臺(tái)下游側(cè)1處砌石斷裂可能是由于在長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降以及土方堆積造成橋臺(tái)側(cè)土壓力發(fā)生變化引起的;

        (4)橋臺(tái)出現(xiàn)不同程度流白灰主要與在滲水作用下混凝土內(nèi)部滲出的石灰類附著物有關(guān);

        (5)大里程側(cè)橋頭搭板下游側(cè)護(hù)欄存在1處破損是由于重車碰撞導(dǎo)致;

        (6)兩端伸縮縫橡膠體破損、砂土堆積是由于長(zhǎng)期車輛荷載作用和養(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致;

        (7)全橋橋面鋪裝局部出現(xiàn)裂縫,是由于在長(zhǎng)期車輛荷載作用下形成。

        3 材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)

        3.1 幾何形態(tài)參數(shù)檢測(cè)

        采用全站儀分別對(duì)該橋各拱片下邊緣線形進(jìn)行測(cè)量(10等分,共11個(gè)截面)。以拱腳處高程為測(cè)量零點(diǎn),測(cè)得各拱片線形對(duì)比如圖2所示。

        根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知,拱片線形實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值偏差為0~18mm,在規(guī)范允許偏差±40mm范圍內(nèi)。考慮到施工誤差、測(cè)量誤差及車輛荷載的影響,該橋拱片線形與設(shè)計(jì)線形基本吻合。

        3.2 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

        對(duì)各拱片底部主筋的保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè),每個(gè)拱片1個(gè)測(cè)區(qū)20個(gè)測(cè)點(diǎn),根據(jù)拱片鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne與設(shè)計(jì)值Dnd的比值,確定鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度。

        檢測(cè)結(jié)果表明,所測(cè)4片拱片的鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度均為1,鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不顯著。

        圖2 各拱片線形對(duì)比圖

        3.3 材質(zhì)強(qiáng)度和碳化狀況檢測(cè)

        采用回彈法對(duì)各拱片進(jìn)行混凝土強(qiáng)度回彈測(cè)試,每個(gè)拱片10個(gè)測(cè)區(qū),并按比例進(jìn)行混凝土碳化深度測(cè)試,根據(jù)碳化深度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回彈強(qiáng)度修正。

        根據(jù)構(gòu)件實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值,計(jì)算其推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbt,確定混凝土強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度。根據(jù)構(gòu)件各測(cè)區(qū)混凝土碳化深度平均值與實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度平均值的比值Kc,確定混凝土碳化評(píng)定標(biāo)度。

        檢測(cè)結(jié)果表明,所測(cè)4片拱片的混凝土碳化深度平均值與實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度平均值的比值Kc均小于0.5,碳化深度評(píng)定標(biāo)度均為1;混凝土推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbt均大于0.95,強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度均為1,拱片材質(zhì)強(qiáng)度狀況良好。

        3.4 鋼筋銹蝕電位檢測(cè)

        采用半電池電位法對(duì)各拱片進(jìn)行鋼筋銹蝕電位水平檢測(cè),每個(gè)拱片1個(gè)測(cè)區(qū)20個(gè)測(cè)點(diǎn),根據(jù)測(cè)區(qū)銹蝕電位水平最低值,確定鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度。

        檢測(cè)結(jié)果表明,所測(cè)4片拱片的電位水平最低值均處于(-200,-300]mV范圍,鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度均為2,說(shuō)明拱片鋼筋具有銹蝕活動(dòng)性,但銹蝕狀態(tài)不確定,可能坑蝕。

        4 荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

        4.1 靜載試驗(yàn)

        4.1.1 靜載試驗(yàn)工況及檢驗(yàn)對(duì)象

        根據(jù)該橋設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,應(yīng)用MIDAS計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算,模型見圖3。根據(jù)各跨拱軸線變化后的橋跨結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),確定試驗(yàn)工況,具體見表1,主要測(cè)試截面見圖1。以汽車-20,掛車-100活載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值等效換算,確定所需試驗(yàn)荷載、加載車輛和輪位。

        表1 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

        圖3 剛架拱橋計(jì)算模型圖

        4.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

        應(yīng)變測(cè)點(diǎn):在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)、L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大負(fù)彎矩)和拱腳截面(Ⅲ-Ⅲ)的各拱肋拱底位置粘貼混凝土應(yīng)變片,各控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

        圖4 控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

        撓度測(cè)點(diǎn):在跨中截面(Ⅰ-Ⅰ)和L/4截面(Ⅱ-Ⅱ最大正彎矩)各拱片頂部中心對(duì)應(yīng)橋面位置布設(shè)塔尺,各控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

        裂縫觀測(cè):觀測(cè)各試驗(yàn)工況作用下相應(yīng)截面的裂縫開展情況。

        圖5 控制截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

        4.1.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

        靜載試驗(yàn)結(jié)果表明,跨中截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.79~0.85,相對(duì)殘余撓度最大值為10.7%;L/4截面(最大正彎矩)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.83~0.93,相對(duì)殘余撓度最大值為12.1%。各測(cè)試截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)(以下簡(jiǎn)稱 《規(guī)程》)規(guī)定的限值1.00,相對(duì)殘余撓度最大值均小于《規(guī)程》規(guī)定的20%。說(shuō)明該橋剛度總體上滿足設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

        跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.84~0.87,相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為1.4%;L/4截面 (最大負(fù)彎矩)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.72~0.93,相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為1.7%;拱腳截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.82~0.98,相對(duì)殘余應(yīng)變最大值為10.2%。雖然各測(cè)試截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于 《規(guī)程》規(guī)定的限值1.00,相對(duì)殘余應(yīng)變最大值均小于《規(guī)程》規(guī)定的20%,但是拱腳截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大值達(dá)到0.98,接近于限值1.00,表明結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度安全富余度較低。

        各工況下相應(yīng)控制截面未見新裂縫產(chǎn)生。

        4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

        在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下,測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng),測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比,以分析橋跨結(jié)構(gòu)自振特性。

        4.2.1 豎向自振特性試驗(yàn)

        在橋面八分點(diǎn)位置上放置脈動(dòng)傳感器,實(shí)測(cè)的信號(hào)經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析,得到該橋豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和頻譜圖如圖6所示,橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)豎向1階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖7所示。

        試驗(yàn)表明,該橋?qū)崪y(cè)豎向前2階自振頻率分別為4.64Hz和8.11Hz,大于理論計(jì)算值4.44Hz和 7.85Hz,實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型一致。該橋跨結(jié)構(gòu)豎向1階頻率實(shí)測(cè)值與理論值的比值為1.05,豎向自振頻率評(píng)定標(biāo)度為2。結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度滿足要求。

        4.2.2 橫向自振特性試驗(yàn)

        圖6 豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和跨中測(cè)點(diǎn)頻譜圖

        圖7 實(shí)測(cè)與理論豎向自振頻率及振型圖比較

        在橋面八分點(diǎn)位置上放置脈動(dòng)傳感器,實(shí)測(cè)的信號(hào)經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析,得到該橋橫向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖和頻譜圖如圖8所示,橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)橫向1階模態(tài)參數(shù)及其與理論值的比較如圖9所示。

        圖9 實(shí)測(cè)與理論橫向自振頻率及振型圖比較

        試驗(yàn)表明,該橋?qū)崪y(cè)橫向1階自振頻率為0.93Hz,大于理論計(jì)算值0.80Hz,實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型一致。該橋跨結(jié)構(gòu)橫向1階頻率實(shí)測(cè)值與理論值的比值為1.16,橫向自振頻率評(píng)定標(biāo)度為1。結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度滿足要求。

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)該剛架拱橋進(jìn)行特殊檢測(cè),得到結(jié)論如下:

        (1)橋梁總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為3類。

        (2)拱片線形實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值偏差在規(guī)范允許偏差范圍內(nèi),實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)線形基本吻合。

        (3)拱片鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度均為1,鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不顯著。

        (4)拱片混凝土強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度均為1,碳化深度評(píng)定標(biāo)度均為1,混凝土強(qiáng)度狀況良好。

        (5)拱片鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度均為2,鋼筋有銹蝕活動(dòng)性,但銹蝕狀態(tài)不確定,可能坑蝕。

        (6)橋梁靜載試驗(yàn)表明:該橋各測(cè)試截面撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于《規(guī)程》規(guī)定值1.00;各截面相對(duì)殘余撓度和應(yīng)變最大值為12.10%,小于《規(guī)程》規(guī)定值20%;但是校驗(yàn)系數(shù)最大值達(dá)到0.98,接近于規(guī)定限值1.00,表明結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度安全富余度較低。

        各工況下相應(yīng)控制截面未見新裂縫產(chǎn)生。

        (7)橋梁動(dòng)載試驗(yàn)表明:該橋?qū)崪y(cè)豎向和橫向自振頻率均大于相應(yīng)理論計(jì)算值,實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本吻合,表明結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度滿足要求。

        綜上所述,該剛架拱橋承載能力目前尚能滿足公路Ⅰ級(jí)正常行車使用要求,但是承載能力富余度較低。

        6 建議

        為保證橋梁結(jié)構(gòu)行車安全性和耐久性,需對(duì)橋梁病害進(jìn)行修復(fù)或加固處理,具體建議如下:

        (1)對(duì)橋梁構(gòu)件做適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)措施,要求施工方在開挖過(guò)程中避免石頭撞擊事件再次發(fā)生,合理安排好土方的堆放,避免土方堆積對(duì)橋梁的正常使用造成影響;

        (2)鑿除蜂窩、麻面、流白灰、松散部位,采用環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ);對(duì)漏筋處銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹處理后采用環(huán)氧樹脂砂漿修復(fù);對(duì)裂縫做封閉處理;對(duì)護(hù)欄進(jìn)行修復(fù);

        (3)今后營(yíng)運(yùn)中應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)各受力控制截面支座等重要部件的檢查和養(yǎng)護(hù)管理,建立永久性控制檢測(cè)點(diǎn),定期觀測(cè)橋面撓度和橋臺(tái)變位;

        (4)條件允許情況下可對(duì)拱片進(jìn)行加固處理;在加固之前,嚴(yán)格按原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求通行,建議限載30t,嚴(yán)禁超限超載通行。

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