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        我國(guó)既有普速鐵路橋梁檢定若干問題探討

        2019-11-11 08:15:42宋國(guó)華柯在田齊法琳楊宜謙董振升王一干
        鐵道建筑 2019年10期
        關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu)模型

        王 巍,宋國(guó)華,柯在田,齊法琳,楊宜謙,董振升,王一干

        (1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京 100081)

        橋梁結(jié)構(gòu)作為鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其狀態(tài)是影響鐵路運(yùn)輸效率的重要因素,鐵路橋梁檢定評(píng)估工作是確定橋梁運(yùn)用條件、制定橋梁大修及技術(shù)改造計(jì)劃的重要技術(shù)支撐。為保證鐵路運(yùn)輸安全,《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》規(guī)定:技術(shù)復(fù)雜及重要的橋梁檢定,每十年不少于一次[1]。既有普速鐵路橋梁的檢定評(píng)估主要依據(jù)是鐵運(yùn)函〔2004〕120 號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[2](下文簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)。

        《橋檢規(guī)》是2004 年由原鐵道部組織有關(guān)部門和單位總結(jié)完成的,由于該規(guī)范沒有條文說明,部分條款在執(zhí)行過程中存在一些難點(diǎn),如梁體橫向振動(dòng)加速度是否要低通濾波及濾波截止頻率等。近年來,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論、測(cè)試技術(shù)也有了較大發(fā)展。

        本文結(jié)合近年來鐵路橋梁檢定工作的相關(guān)實(shí)踐,對(duì)既有普速鐵路橋梁承載能力評(píng)定方法、鋼桁梁有限元模型、鋼桁梁桿件截面應(yīng)力的測(cè)試位置等問題進(jìn)行探討,供既有普速鐵路橋梁檢定參考。

        1 橋梁承載能力評(píng)定方法

        鐵路橋梁檢定工作一般包括橋梁現(xiàn)狀檢查、結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)承載能力的檢算、運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)、橋梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。各鐵路局每年會(huì)安排部分特殊結(jié)構(gòu)橋梁的檢定任務(wù),委托下屬橋檢隊(duì)或者鐵路行業(yè)內(nèi)有相關(guān)資質(zhì)的單位開展檢定工作。此類橋梁檢定一般為橋梁現(xiàn)狀檢查,并以現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)來確定橋梁的承載能力和以動(dòng)載試驗(yàn)確定橋梁的運(yùn)營(yíng)性能。

        為保證橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,一般橋梁靜載試驗(yàn)安排在無風(fēng)及溫差較小的夜間進(jìn)行,且靜載試驗(yàn)涉及單位較多,包括總工室、工務(wù)處、機(jī)務(wù)處、車輛處、電務(wù)處、調(diào)度所、安監(jiān)室等單位[3]。對(duì)于運(yùn)輸任務(wù)繁忙的既有線路開展橋梁靜載試驗(yàn)較為困難,且安全壓力較大,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)靜載試驗(yàn)無法按計(jì)劃完成的情況。

        《橋檢規(guī)》并未對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)開展的前提條件進(jìn)行規(guī)定。公路行業(yè)橋梁承載能力評(píng)定主要依據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[4],該規(guī)范對(duì)公路橋梁荷載試驗(yàn)開展的前提條件進(jìn)行了明確規(guī)定:當(dāng)檢算的作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值在1.0 ~1.2 時(shí),應(yīng)通過荷載試驗(yàn)評(píng)定承載能力[4]。從實(shí)踐情況看,公路橋梁通過外觀檢查和承載能力檢算,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害橋梁,也可以定量給出橋梁的承載能力。與靜載試驗(yàn)相比,橋梁外觀檢查和承載能力檢算更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì),對(duì)正常的交通影響較小。

        相比于公路橋梁,既有普速鐵路橋梁活載更為明確,貨車車輛超載情況極少,開展承載能力檢算更為簡(jiǎn)便,對(duì)鐵路運(yùn)輸影響更小,且更為經(jīng)濟(jì)。因此,對(duì)于既有普速鐵路運(yùn)營(yíng)荷載沒有較大變化或未出現(xiàn)缺陷、損傷的橋梁,建議通過結(jié)構(gòu)檢算確定橋梁承載能力;對(duì)于出現(xiàn)缺陷、損傷或加固改造后的橋梁,建議結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算,通過靜載試驗(yàn)確定橋梁承載能力。

        2 鋼桁梁有限元模型

        結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)是試驗(yàn)荷載作用下測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)彈性變形值或應(yīng)變值與相應(yīng)的理論計(jì)算值的比值,反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)越小,結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大。

        校驗(yàn)系數(shù)中的理論計(jì)算結(jié)果對(duì)校驗(yàn)系數(shù)影響較大,采用有限元模型計(jì)算是得到理論計(jì)算結(jié)果的常用手段。有限元模型是靜載試驗(yàn)工作的基礎(chǔ),《橋檢規(guī)》給出了鋼橋按平面理論分析、橋道縱梁按簡(jiǎn)支計(jì)算的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)[2]。

        我國(guó)鐵路鋼橋采用的桁架結(jié)構(gòu)是一種空間結(jié)構(gòu),各桿件之間的連接是剛性連接,最佳的計(jì)算方法是按空間結(jié)構(gòu)來分析。但是實(shí)際工作中有時(shí)仍沿用《橋檢規(guī)》簡(jiǎn)化的計(jì)算方法,即將桁架結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)平面結(jié)構(gòu)如主桁、縱梁、橫梁、平縱聯(lián)、橫向連接系、橋門架等,并假設(shè)節(jié)點(diǎn)為鉸接,按各自平面上的荷載來計(jì)算桿件內(nèi)力。這種計(jì)算方法無法考慮節(jié)點(diǎn)剛性和結(jié)構(gòu)空間作用的影響。

        以潯江大橋?yàn)槔?,潯江大橋?yàn)? 孔下承式連續(xù)鋼桁梁,設(shè)計(jì)圖號(hào)為“專橋(68)0120-6”,材料為16Mn 低合金鋼,計(jì)算跨度Lp=64 m,每孔8個(gè)節(jié)間,節(jié)間長(zhǎng)度8 m,主桁高度11 m,主桁中心距5.75 m,縱梁中心距2 m。采用MIDAS軟件分別建立平面模型(見圖1,取對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一半)和空間模型(見圖2)進(jìn)行理論值計(jì)算,靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

        圖1 潯江大橋平面有限元模型

        表1 潯江大橋主測(cè)桿件軸向應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

        從表1中可以看出:①對(duì)于上下弦桿,以平面模型的計(jì)算結(jié)果為理論值,下弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.70~0.74,上弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.79~0.95;以空間模型的計(jì)算結(jié)果為理論值,下弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.86~0.89,上弦桿的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.93~1.00。兩者結(jié)果差距較大,空間模型更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果。②對(duì)于吊桿和腹桿,以平面模型的計(jì)算結(jié)果為理論值,結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.81~1.07,以空間模型的計(jì)算結(jié)果為理論值,結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)在0.90~1.03,兩者結(jié)果接近。

        對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的縱橫梁,縱梁的支撐狀態(tài)與支撐在橫梁上的連續(xù)梁類似,橫梁的受力狀態(tài)在一定程度上類似于彈性嵌固于主桁節(jié)點(diǎn)的固端梁。采用《橋檢規(guī)》簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí),縱橫梁的邊界條件與其真實(shí)的邊界條件相差較大,簡(jiǎn)化模型計(jì)算得到的理論值偏大,表2給出了潯江大橋縱橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)??芍臻g模型下的縱橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均大于平面模型下的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù),空間模型更接近于實(shí)測(cè)值。

        表2 潯江大橋縱、橫梁結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)ξσ

        近年來,隨著有限元軟件的大規(guī)模應(yīng)用,橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算水平已有了大幅提高,建議鐵路鋼桁梁計(jì)算模型由原來的平面模型逐漸向空間模型過渡,從而提高有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        3 鋼桁梁桿件截面應(yīng)力測(cè)試位置

        鋼桁梁桿件的實(shí)際受力狀態(tài)與空間梁更為接近,外荷載作用下,桿件不僅要承受軸向力作用,還要承受彎矩、剪力和扭矩的作用[5-6]。除軸向力以外的所有內(nèi)力、構(gòu)造及施工原因引起的桿件應(yīng)力統(tǒng)稱為次應(yīng)力。在鋼結(jié)構(gòu)中,一般很難避免由于構(gòu)件的偏心、節(jié)點(diǎn)的剛性、橋面的變形等因素引起的次應(yīng)力。但我國(guó)鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)中大多都忽略桿件次應(yīng)力的影響,按軸向受力設(shè)計(jì)桿件的截面。TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)主桁桿件截面的高度與節(jié)長(zhǎng)之比在連續(xù)桁梁中大于1/15、簡(jiǎn)支梁中大于1/10時(shí)應(yīng)計(jì)算由節(jié)點(diǎn)剛性引起的次應(yīng)力[7]。

        如前所述,結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)是反映結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的指標(biāo),有限元模型計(jì)算中通常無法重現(xiàn)由于構(gòu)造、施工等原因?qū)е碌臈U件偏心引起的桿件次應(yīng)力?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),應(yīng)變計(jì)一般沿桿件的軸向布置,測(cè)量得到的是荷載作用下桿件所受縱向正應(yīng)力之和[8]。如何盡量降低桿件次應(yīng)力對(duì)桿件軸向力測(cè)試結(jié)果及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響就顯得尤為重要。實(shí)踐表明,合理選擇鋼桁梁桿件應(yīng)力的測(cè)試位置可以降低桿件次應(yīng)力的影響[8],但《橋檢規(guī)》并未給出鋼橋桿件截面應(yīng)力的測(cè)試位置建議。

        成昆線桐模甸2 號(hào)橋128 m 簡(jiǎn)支鋼桁梁和2×64 m上承式連續(xù)鋼桁梁靜載試驗(yàn)中在鋼桁梁個(gè)別桿件上布置5 個(gè)斷面的應(yīng)力測(cè)點(diǎn),以分析節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力的傳遞規(guī)律。128 m 簡(jiǎn)支鋼桁梁選擇下游側(cè)E6E7下弦桿的E6端節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行4 個(gè)斷面的次應(yīng)力測(cè)試,最近的斷面距節(jié)點(diǎn)板為5 cm,測(cè)試斷面間距為5 cm,每個(gè)斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),如圖3 所示。同時(shí),在桿件中部斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比見表3。

        圖3 E6A7斜桿的E6端節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

        2×64 m 上承式連續(xù)鋼桁梁選擇下游側(cè)E7A8下弦桿的E8端節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行4 個(gè)斷面的次應(yīng)力測(cè)試,最近的斷面距節(jié)點(diǎn)板為5 cm,測(cè)試斷面間距為5 cm,每個(gè)斷面布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖4 所示。同時(shí),在桿件中部斷面布置4 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比見表4。

        圖4 E7A8斜桿的E8端節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

        表4 E7A8斜桿E8端節(jié)點(diǎn)附近斷面與桿件中部斷面軸向應(yīng)力和次應(yīng)力系數(shù)對(duì)比

        從表3 和表4 中可以看出,桿件的軸向應(yīng)力由節(jié)點(diǎn)板邊緣向桿件中部方向呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),桿件次應(yīng)力系數(shù)在桿件端部大于桿件中部。對(duì)于鋼桁梁桿件,由于節(jié)點(diǎn)板處受力比較復(fù)雜,桿件截面應(yīng)力測(cè)試時(shí),建議布置到靠近桿件中部的部位,以盡量降低桿件次應(yīng)力的影響。

        4 梁體橫向振動(dòng)加速度濾波的截止頻率

        日本國(guó)鐵技術(shù)研究所對(duì)跨度50 m 以下的鋼橋橫向振動(dòng)加速度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)論是當(dāng)橋梁的水平橫向加速度達(dá)到0.1g~ 0.2g時(shí),車輛容易脫軌[9]。我國(guó)《橋檢規(guī)》中規(guī)定:當(dāng)列車通過時(shí),橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向加速amax不應(yīng)超過1.4 m/s2[2]。但振動(dòng)加速度頻率范圍沒有明確界定。

        橋梁在列車荷載作用下的橫向振動(dòng)以列車加載頻率為主,引起車橋系統(tǒng)橫向振動(dòng)的激勵(lì)源主要是車輛蛇行運(yùn)動(dòng),車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率通常介于按自由輪對(duì)假設(shè)和按剛性定位轉(zhuǎn)向架假設(shè)計(jì)算的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率之間,蛇行運(yùn)動(dòng)頻率要低于自由輪對(duì)的蛇行頻率,高于剛性定位轉(zhuǎn)向架假設(shè)的蛇行頻率[10]。假定車輛車輪經(jīng)過磨耗后的車輪踏面等效錐度由初始狀態(tài)的0.05 變化為 0.10,C80貨車以 80 km/h 左右通過時(shí),蛇行運(yùn)動(dòng)頻率介于 1.49 ~ 2.36 Hz;客車以160 km/h 左右通過時(shí),蛇行運(yùn)動(dòng)頻率介于1.96 ~3.82 Hz。實(shí)測(cè)結(jié)果[11]為:C80貨車以 80 km/h 左右通過時(shí),梁體橫向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率最大約為2.0 Hz;客車以160 km/h 左右通過時(shí),梁體橫向強(qiáng)迫振動(dòng)頻率最大約為2.2 Hz。由此可見,鐵路橋梁橫向振動(dòng)以低頻為主。梁體橫向振動(dòng)與運(yùn)營(yíng)列車車輛構(gòu)架橫向加速度相關(guān)性較強(qiáng),我國(guó)TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》引用歐盟規(guī)范UIC 518—2005Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-safety-track fatigue-ride quality的規(guī)定,車輛構(gòu)架橫向加速度濾波0.5 ~10 Hz[12]。為與車體構(gòu)架橫向加速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一致,梁體橫向振動(dòng)加速度建議采用10 Hz低通數(shù)字濾波處理,且采用10 Hz低通濾波能夠保證梁體橫向振動(dòng)頻率不高于5 Hz的振動(dòng)信號(hào)不失真[13]。

        5 結(jié)語(yǔ)

        基于近年來鐵路橋梁檢定工作的相關(guān)實(shí)踐,對(duì)既有普速鐵路橋梁檢定的一些問題進(jìn)行了探討,建議:

        1)對(duì)于既有普速鐵路運(yùn)營(yíng)荷載沒有較大變化或未出現(xiàn)缺陷、損傷的橋梁,建議通過結(jié)構(gòu)檢算確定橋梁承載能力;對(duì)于出現(xiàn)缺陷、損傷或加固改造后的橋梁,建議結(jié)合結(jié)構(gòu)檢算,通過靜載試驗(yàn)確定橋梁承載能力。

        2)鐵路鋼桁梁有限元計(jì)算模型采用空間模型,以提高有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        3)由于節(jié)點(diǎn)板處受力復(fù)雜,鋼桁梁桿件的應(yīng)力測(cè)試位置宜盡量靠近桿件中部,以降低桿件次應(yīng)力的影響。

        4)鐵路橋梁的橫向振動(dòng)加速度建議采用10 Hz 低通數(shù)字濾波處理。

        相關(guān)成果可供鐵路工作者開展既有普速鐵路橋梁檢定工作和規(guī)范修訂參考。

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