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        港珠澳足尺鋼橋面鋪裝疲勞加速加載模型設(shè)計(jì)研究

        2020-04-01 07:20:39余春霖陳家海容洪流張肖寧
        西部交通科技 2020年9期
        關(guān)鍵詞:橋面鋪裝剛度疲勞

        余春霖 陳家海 容洪流 張肖寧

        摘要:為建立科學(xué)合理的加速加載試驗(yàn)?zāi)P鸵怨└壑榘拇髽蛘划愋凿撓淞簶蛎姘暹M(jìn)行鋪裝材料比選試驗(yàn),文章以橫向拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo),通過有限元軟件建立試驗(yàn)?zāi)P?,并以瀝青表面層和鋼板底面層的應(yīng)變幅值試驗(yàn)值和理論值的對比來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明:在關(guān)鍵點(diǎn)位上兩個(gè)幅值較為接近,同時(shí)應(yīng)變幅趨勢也基本一致。研究認(rèn)為所設(shè)計(jì)的疲勞模型能滿足實(shí)橋橋面鋪裝層試驗(yàn)的要求。研究過程可為鋼橋面鋪裝模型設(shè)計(jì)工程提供理論借鑒。

        關(guān)鍵詞:鋼箱梁橋;橋面鋪裝;加速加載模型;疲勞;剛度;應(yīng)變場

        0 引言

        港珠澳大橋是中國興建的一個(gè)超級跨海通道,其橋面鋪裝面積非常巨大,路面鋪裝的好壞直接影響橋面竣工后的行車舒適性[1]。為了在較短的時(shí)間內(nèi)完成鋪裝試驗(yàn)以確定鋪裝材料的性質(zhì),指導(dǎo)鋪裝方案選用,必須加快試驗(yàn)的速度。加速加載試驗(yàn)?zāi)茉谳^短的幾個(gè)月時(shí)間對長達(dá)數(shù)年后的橋面運(yùn)行效果進(jìn)行模擬,已經(jīng)得到了公路研究者的認(rèn)可[2]。如何建立加速加載試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行試驗(yàn)是其中關(guān)鍵的一環(huán),由于港珠澳大橋工程特殊的社會影響力,對于這樣一座首創(chuàng)設(shè)計(jì)的大橋,為了獲得更多的一手?jǐn)?shù)據(jù),指導(dǎo)進(jìn)一步的工作,減弱由于尺寸效應(yīng)導(dǎo)致受力性能不一致的情況,考慮采用足尺模型對其受力性能進(jìn)行模擬。國內(nèi)外對足尺實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷难芯枯^少,長沙理工大學(xué)張起森[3]采用直道鋼橋足尺模型對廈門海滄大橋的鋪裝層高溫和疲勞性能進(jìn)行研究,其模型只考慮了截取原始橋面的結(jié)構(gòu)尺寸作為足尺模型的參數(shù)設(shè)計(jì),沒有進(jìn)一步考慮到橋面鋪裝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)問題,這樣得出的評價(jià)效果不能準(zhǔn)確反映橋面鋪裝的性能。為了使港珠澳大橋加速加載模型試驗(yàn)的結(jié)果更貼近實(shí)橋鋪筑效果,需要在設(shè)計(jì)模型尺寸時(shí),選取能夠反映鋪裝層破壞的指標(biāo)并對其進(jìn)行控制,建立更貼合實(shí)際狀況的模型進(jìn)行鋪裝層試驗(yàn),從而比較出更適合用在實(shí)橋的鋪裝材料以指導(dǎo)工程選用。

        1 模型設(shè)計(jì)思路

        瀝青橋面鋪裝破壞開裂的主要原因還是層間出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力使其對應(yīng)的拉應(yīng)變大于材料粘結(jié)拉應(yīng)變[4]。查閱大量的參考文獻(xiàn)和橋面鋪裝力學(xué)性能研究成果發(fā)現(xiàn):鋪裝層的開裂主要是面層橫向拉應(yīng)力過大導(dǎo)致的縱向裂縫。因此可以考慮以控制橫向拉應(yīng)變?nèi)胧?,控制橫向拉應(yīng)力來控制裂縫的產(chǎn)生。通過使實(shí)物模型在同樣加載方式下達(dá)到與設(shè)計(jì)時(shí)相同的應(yīng)變狀況,來調(diào)整實(shí)物模型的結(jié)構(gòu)狀況,使得后續(xù)在模型上進(jìn)行鋪裝材料的疲勞試驗(yàn)更接近港珠澳大橋上的使用狀況。張順先[5]通過ANSYS軟件逐步分析瀝青材料橋面鋪裝應(yīng)力應(yīng)變分布狀況,得出鋪裝層橫向最大拉應(yīng)變?yōu)?88 με,出現(xiàn)在梯形加勁肋和邊腹板頂?shù)匿佈b層表面附近,同時(shí)認(rèn)為第二跨跨中的瀝青鋪裝層應(yīng)力分布可以較為全面地反映全橋應(yīng)力分布情況。因此此設(shè)計(jì)考慮將388 με拉應(yīng)變大小作為控制指標(biāo)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。

        2 模型建模過程

        2.1 模型初選分析

        考慮到橋梁第二跨跨中的瀝青鋪裝層應(yīng)力分布可以較為全面地反映全橋應(yīng)力分布情況,初步截取實(shí)橋跨中部分作為初始模型,試驗(yàn)構(gòu)件長度取8 m,橫隔板設(shè)置間距為2.5 m,厚度取橋梁設(shè)計(jì)時(shí)的最小值,分別為頂板板厚18 mm,橫隔板厚16 mm ,U肋高300 mm、寬300 mm、厚8 mm。由ANSYS軟件分析可知汽車荷載作用最不利位置在跨中,荷載作用中心位于腹板外側(cè)260 mm處,作用范圍為60 cm×20 cm。布置位置如圖1、圖2所示。使用單軸單輪1.5倍軸載52.5 kN作用下局部變形圖和Mises應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示,此時(shí)鋪裝層的橫向應(yīng)變分布如圖5所示。

        從圖5可以看出此模型在荷載作用下的橫向拉應(yīng)變只達(dá)到了122.9 με左右,約為控制應(yīng)變的1/3,不滿足模型設(shè)計(jì)要求??梢娊厝?shí)橋節(jié)段進(jìn)行試驗(yàn)并不能很好地還原實(shí)橋應(yīng)變狀況,得出的對比結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映鋪裝層性能。

        2.2 疲勞試驗(yàn)?zāi)P托薷?/p>

        由于實(shí)橋截取段在荷載作用下最大拉應(yīng)變達(dá)不到控制值,需要通過弱化結(jié)構(gòu)剛度來達(dá)到要求。首先考慮到模型運(yùn)輸問題將模型寬度縮減為3 300 mm,同時(shí)也滿足了力學(xué)模型≥3 000 mm的要求,再考慮調(diào)整模型的頂板厚度進(jìn)行剛度折減,經(jīng)過不斷試算對比,當(dāng)頂板厚度降到12 mm時(shí),滿足要求,此時(shí)的模型斷面圖如圖6所示。在設(shè)計(jì)的汽車荷載作用下變形云圖和Mises應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

        根據(jù)ANSYS軟件對橋面鋪裝分析結(jié)果可知,橋梁頂部每米最大位移差為0.15 mm,但只改變頂板厚度后的結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到這個(gè)要求。為滿足要求,需要在加速加載設(shè)備外260 mm的橋面板處施加均布荷載。同時(shí)還要調(diào)整模型其他尺寸來減小布載大小,避免布載過大難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過使用ABAQUS軟件試算,需施加范圍為8 000 mm×2 085 mm的均布荷載0.05 MPa,總重834 kN,布載如圖9白色區(qū)域所示。模型結(jié)構(gòu)調(diào)整后如圖10所示,尺寸參數(shù)列于表1,此時(shí)模型在設(shè)計(jì)的汽車荷載作用下局部變形圖如圖11所示。此時(shí)試驗(yàn)?zāi)P偷臋M向拉應(yīng)變?yōu)?84 με,比實(shí)橋模型設(shè)計(jì)荷載目標(biāo)的388 με僅小1%。

        3 疲勞試驗(yàn)?zāi)P蛯?shí)物構(gòu)件驗(yàn)證

        3.1 模型制作與驗(yàn)證依據(jù)

        根據(jù)模型試算得出的參數(shù)加工制作實(shí)體試驗(yàn)?zāi)P停善穼?shí)拍如圖12所示。

        采用關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變大小作為控制鋪裝層疲勞破壞的指標(biāo),就要監(jiān)測對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變大小,但在加速加載車運(yùn)行的過程中,靜荷載作用得到的應(yīng)變是難以監(jiān)測的。考慮在設(shè)計(jì)荷載作用下監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)位的應(yīng)變振幅,當(dāng)加速加載車在試驗(yàn)?zāi)P蜕线\(yùn)行得到的應(yīng)變幅值與實(shí)橋模型在設(shè)計(jì)荷載作用下得到的應(yīng)變幅值接近時(shí),可以認(rèn)為它們對橋面鋪裝層產(chǎn)生的疲勞損傷是一致的。

        采取兩種工況的差值作為應(yīng)變幅的理論值,工況一是加載車兩個(gè)輪分別位于監(jiān)測點(diǎn)的兩側(cè),工況二是加載車單側(cè)車輪作用于監(jiān)測點(diǎn)。模型計(jì)算鋼材彈性模量取206 000 MPa。橋面鋪裝厚度為7 cm,下層MA層為3 cm,抗壓彈性模量取7 000 MPa;上層SMA層為4 cm,抗壓彈性模量取3 000 MPa??紤]到鋪裝層表面和鋼板底面的應(yīng)變情況是關(guān)鍵部位,使用這兩處驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性較高。實(shí)體試驗(yàn)?zāi)P蛻?yīng)變片布設(shè)如圖13所示。

        試驗(yàn)采用對鋪裝層疲勞性能加速加載200萬次的方式進(jìn)行,每天分兩次加載,共加載10萬次一天,測試時(shí)使用華東測試的DH3820動(dòng)態(tài)應(yīng)變記錄儀進(jìn)行采集。同時(shí)按照每分鐘取一個(gè)波峰和波谷的方式對原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中18號點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì)圖如圖14所示。

        3.2 瀝青表面層與鋼板底面層應(yīng)變對比驗(yàn)證

        將瀝青鋪裝層表面應(yīng)變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進(jìn)行比較,其中實(shí)測應(yīng)變幅取應(yīng)變單點(diǎn)圖上應(yīng)變幅的平均值。結(jié)果如圖15所示。

        從圖15中可以看出,跨中橫向18號應(yīng)變點(diǎn)應(yīng)變水平較高,理論值與實(shí)測值均在160~200 με之間。其他點(diǎn)位振幅結(jié)果與理論值也基本一致,應(yīng)變幅的趨勢也基本相同。

        將鋼板底面層應(yīng)變檢測值與理論振幅值繪制成趨勢圖進(jìn)行比較,其中實(shí)測應(yīng)變幅取應(yīng)變單點(diǎn)圖上應(yīng)變幅的平均值。結(jié)果如圖16所示。

        由圖16可以看出,兩次振幅實(shí)測值與振幅理論值相比,第一次的振幅值相差較大,考慮其原因是兩次鋪裝的不同材料導(dǎo)致的。第一次試驗(yàn)采用的傳統(tǒng)MA材料相較于第二次采用的GMA材料彈性模量要低一些。觀察第二次鋪裝振幅結(jié)果,在11、13、15、17等幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位上,振幅實(shí)測值與理論值較為接近,可認(rèn)為模型的剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將此設(shè)計(jì)模型用于鋪裝層材料特性的比較而得出的結(jié)果將更加可靠。

        4 結(jié)語

        加速加載模型設(shè)計(jì)有助于試驗(yàn)?zāi)M實(shí)橋狀況,對橋面鋪裝性能進(jìn)行對比研究。本文研究發(fā)現(xiàn)改變模型頂板厚度可以有效地減小模型剛度,但為滿足模型位移條件,還需優(yōu)化其他構(gòu)件尺寸,避免堆載過大難以實(shí)現(xiàn)的問題;在足尺模型設(shè)計(jì)上,采用控制鋪裝層橫向最大拉應(yīng)變來控制模型剛度,避免了直接截取原橋段進(jìn)行試驗(yàn)導(dǎo)致的剛度不匹配,試驗(yàn)破壞現(xiàn)象無法產(chǎn)生的情況;考慮鋪裝層表面和鋼板底面應(yīng)變幅狀況,使用與之對應(yīng)的振幅實(shí)測值與振幅理論值進(jìn)行比較,驗(yàn)證了足尺模型的可靠和合理性。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]田澤峰. MLS足尺瀝青路面加速加載試驗(yàn)[M].北京:人民交通出版社, 2015.

        [3]張起森,李宇峙,邵臘根,等.廈門海滄大橋橋面瀝青鋪裝層直道疲勞試驗(yàn)研究[J].中國公路學(xué)報(bào),2001(1):62-67,74.

        [4]錢振東,黃 衛(wèi),駱俊偉,等.正交異性鋼橋面鋪裝層的力學(xué)特性分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002(3):47-51.

        [5]鐘 科,陳 飛,魏小皓,等.基于加速加載試驗(yàn)的鋼橋面鋪裝性能研究[J].公路交通科技,2017,34(11):50-56.

        [6]張順先.基于使用性能的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計(jì)研究與疲勞壽命預(yù)測[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

        收稿日期:2020-06-02

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