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        在役公鐵桁架橋梁加寬改建結(jié)構(gòu)安全與線形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

        2021-04-08 02:06:02
        城市道橋與防洪 2021年3期
        關(guān)鍵詞:松浦線形橋面

        朱 榮

        (上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司,上海市 200092)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,交通通行需求日趨增長(zhǎng),我國(guó)現(xiàn)有公路橋梁中有相當(dāng)一部分由于建造年代久遠(yuǎn),設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低,橋梁寬度不足,加上運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng),存在材料性能退化和結(jié)構(gòu)損傷等安全隱患,已嚴(yán)重影響了道路的通行能力,成為制約城市交通發(fā)展的瓶頸[1、2]。如將這些橋梁進(jìn)行拆除重建,不僅耗資巨大,而且對(duì)于一些技術(shù)狀況較好的橋梁來(lái)說(shuō),也是一種社會(huì)資源浪費(fèi)[3]。因此,若能采用有效的改造加固措施,提升橋梁通行能力和提高結(jié)構(gòu)承載能力,使其滿足交通增長(zhǎng)的需求,繼續(xù)為交通運(yùn)輸服務(wù),從而給地方帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4、5]。

        松浦大橋作為黃浦江上的第一座大橋,運(yùn)營(yíng)至今已40 余年,見(jiàn)證上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和時(shí)代變革,承載了上海人民的回憶與情懷。伴隨地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革,松浦大橋也必須進(jìn)行改建,以緩解過(guò)江交通壓力的需求,為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

        與新建橋梁相比,既有橋梁改建項(xiàng)目在施工過(guò)程中,有一定的交通通行需求,同時(shí),改建后的橋梁使用功能、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)均發(fā)生較大變化,無(wú)論是大修施工過(guò)程的安全控制,還是改建后運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的保障都提出了極高要求。因此,這對(duì)老橋改建施工監(jiān)控提出了與新建橋梁不同的技術(shù)要求。本文針對(duì)松浦大橋改建工程實(shí)踐,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、改建施工方案研究,以及施工全過(guò)程結(jié)構(gòu)狀態(tài)精細(xì)的計(jì)算分析,確定雙層桁架梁橋改建工程施工控制方法,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè),保證改建過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。

        1 工程概況

        松浦大橋于1976 年建成通車,是一座雙層公鐵兩用橋,上層為兩車道公路,路面寬9 m,兩側(cè)各設(shè)1.5 m 人行道,下層為單線鐵路。上部結(jié)構(gòu)采用兩聯(lián)兩跨連續(xù)的鉚接三角形鋼桁梁,跨徑組合為96 m+112 m+112 m+96 m,桁架高12.8 m,中間支點(diǎn)及112 m 跨端支點(diǎn)均設(shè)6 m 高加勁弦,兩片主桁中距6.018 m,主桁節(jié)間為8 m,通航凈空為10 m,其立面布置見(jiàn)圖1。

        圖1 主橋總體立面布置(單位:m)

        根據(jù)松浦大橋改建設(shè)計(jì)方案,主要改建工作有:(1)拓寬上層公路橋面,將原上層12 m 寬的雙向兩車道橋面拓寬為雙向六車道,改造后寬度24.5 m,設(shè)計(jì)的汽車荷載等級(jí)為公路II 級(jí);(2)將下層單線鐵路橋面改造成非機(jī)動(dòng)車道;(3)將下層橋面兩側(cè)原鐵路檢修道改造成3.97 m 寬的人行道。改建前后的橋梁結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2。

        圖2 主橋大修前后結(jié)構(gòu)斷面(單位:m)

        2 施工監(jiān)控特點(diǎn)分析

        對(duì)于桁架梁橋,結(jié)構(gòu)桿件和連接節(jié)點(diǎn)較多,加上部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕和局部變形,結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)與建成時(shí)存在較大差異,施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力狀態(tài)的調(diào)控措施非常有限,因此,施工控制的重點(diǎn)從傳統(tǒng)的線形控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)安全控制為主,新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)掌控和對(duì)結(jié)構(gòu)安全性控制是鋼桁梁橋關(guān)注的重點(diǎn)。主要特點(diǎn)如下:

        (1)上層公路橋面寬由12 m 拓寬為24.5 m,由原來(lái)的2 車道變?yōu)殡p向6 車道,上、下層橋面重量也有所增加,恒活載的增加對(duì)橋梁原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求提高。

        (2)上層橋面寬度將比現(xiàn)狀橋?qū)捲黾右槐?,整個(gè)斷面上寬下窄,空間受力效應(yīng)明顯,橋面板扭轉(zhuǎn)變形較大,橫向線形的控制問(wèn)題突出。

        (3)由于主體結(jié)構(gòu)線形無(wú)法調(diào)整,而大修引起的恒載增加勢(shì)必引起成橋線形的變化,需關(guān)注成橋線形的影響。

        (4)由于改建項(xiàng)目的特殊性,老橋結(jié)構(gòu)存在一定的性能退化,需要進(jìn)行一定的加固,這就使得結(jié)構(gòu)當(dāng)前和改建完成后的實(shí)際剛度均較難把握,因此,需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

        (5)改建施工中,需要對(duì)主橋支座進(jìn)行更換,應(yīng)進(jìn)行施工過(guò)程中同步性控制和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè),更換過(guò)程中需對(duì)支座頂升反力、位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保頂升位移達(dá)到設(shè)計(jì)值。

        3 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

        由于老橋在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到局部損傷,其實(shí)際的受力狀態(tài)與理論存在一定的差異。此外,改建過(guò)程中結(jié)構(gòu)自重或結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生改變,都將使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化,如果實(shí)際應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力相差較大,將造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。因此,改建橋梁的結(jié)構(gòu)安全控制對(duì)象主要是施工過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)。

        對(duì)于松浦大橋這樣的桁架梁橋,結(jié)構(gòu)桿件多,連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜,施工過(guò)程中很難對(duì)所有桿件應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估,因此,準(zhǔn)確把握關(guān)鍵受力桿件的監(jiān)測(cè)尤為重要。根據(jù)桁架梁橋的受力特點(diǎn)和理論計(jì)算結(jié)果,應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選取遵循以下原則:(1)結(jié)構(gòu)體系的控制斷面,如墩頂和跨中位置的上下弦桿;(2)主桁受力較大的位置;(3)關(guān)鍵的加固桿件。主桁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

        圖3 桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置圖

        改建的上層橋面系采用節(jié)段預(yù)制鋼- 混凝土正交異性組合橋面板,橫向橋面寬24.5 m,懸臂長(zhǎng)度9.25 m,縱向節(jié)段分段長(zhǎng)度為8 m,在預(yù)制和吊裝安裝時(shí),混凝土橋面板局部橫向拉應(yīng)力水平較高。為了保證施工過(guò)程中混凝土不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象,并驗(yàn)證混凝土橋面板抗裂措施的有效性,對(duì)預(yù)制組合橋面板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

        橋面板的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。鋼橋面板的橫向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在靠近主縱梁的橫梁底板上緣,縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在主縱梁翼緣板兩側(cè);混凝土板的橫向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在主縱梁與橫梁交界位置對(duì)應(yīng)的混凝土板內(nèi),縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位于主縱梁中央位置對(duì)應(yīng)的混凝土板內(nèi)。

        圖4 預(yù)制鋼- 混組合橋面板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

        4 線形監(jiān)測(cè)技術(shù)

        對(duì)于老橋改建工程,整體縱向線形已既定存在,施工中已無(wú)法對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制調(diào)整,只能在施工過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),判斷其各施工階段線形變化是否正常,并根據(jù)實(shí)測(cè)線形變化和理論線形變化的誤差情況,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度識(shí)別和有限元模型修正,來(lái)預(yù)測(cè)改建后的成橋線形。松浦大橋的線形監(jiān)測(cè)主要包括基礎(chǔ)沉降、主桁架縱向線形以及上層橋面系橫坡線形等內(nèi)容。

        基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)主要考察上部結(jié)構(gòu)荷載變化后基礎(chǔ)變形,監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在主墩承臺(tái)上。由于老橋地基一般比較穩(wěn)定,且本項(xiàng)目改建施工對(duì)基礎(chǔ)的擾動(dòng)較少,因此基礎(chǔ)沉降主要是判斷在施工過(guò)程中是否有異常情況產(chǎn)生,并且評(píng)估基礎(chǔ)發(fā)生定量沉降后對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響。

        主桁縱向線形監(jiān)測(cè)貫穿整個(gè)改建施工過(guò)程,測(cè)點(diǎn)選取必須考慮可延續(xù)性和持久性,由于松浦大橋改建過(guò)程上、下部橋面系均需經(jīng)歷局部構(gòu)件拆除和安裝,因此,測(cè)點(diǎn)宜布置在下弦桿稍靠下位置,見(jiàn)圖5。每聯(lián)橋共10 個(gè)測(cè)試斷面,采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)。

        圖5 主桁架高程測(cè)點(diǎn)布置圖

        鋼- 混組合橋面板施工經(jīng)歷混凝土澆筑、安裝、反力架張拉和斜撐安裝等過(guò)程,采用少支點(diǎn)支撐,因此對(duì)于上部橋面系橫向變形的控制尤為重要,以保證成橋狀態(tài)橫橋向線形滿足設(shè)計(jì)要求。每一塊預(yù)制橋面板在縱向前后兩端各布置3 個(gè)變形點(diǎn),測(cè)點(diǎn)距離梁端可控制在15~20 cm,見(jiàn)圖6。

        圖6 預(yù)制橋面板橫向變形測(cè)點(diǎn)布置

        5 剛度識(shí)別技術(shù)

        橋梁剛度識(shí)別及有限元模型修正是對(duì)既有橋梁狀態(tài)評(píng)估和損傷識(shí)別的有效方法之一,其原理是通過(guò)實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正來(lái)尋求建立對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)有較高模擬精度的有限元模型,并假設(shè)結(jié)構(gòu)的損傷將引起結(jié)構(gòu)模型特性參數(shù)的相應(yīng)變化,通過(guò)靜力位移響應(yīng)或動(dòng)力測(cè)試中的模態(tài)參數(shù),來(lái)分析模型的參數(shù)分布,預(yù)估參數(shù)可以是結(jié)構(gòu)的截面特性參數(shù)。

        就松浦大橋舊橋改建工程而言,在整個(gè)施工中,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析的對(duì)比,可以對(duì)舊橋的實(shí)際剛度進(jìn)行識(shí)別,從而為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)控制策略調(diào)整和理論數(shù)據(jù)修正提供依據(jù)。

        5.1 基于支座更換過(guò)程的反力識(shí)別

        支座反力的分布反映結(jié)構(gòu)的整體受力情況,通過(guò)運(yùn)營(yíng)過(guò)程支座反力的識(shí)別,并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比,可以掌握結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力狀態(tài),通過(guò)支座反力的調(diào)整對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的微調(diào)。

        松浦大橋原支座采用搖軸支座,存在不同程度的銹蝕,需要進(jìn)行更換;此外,改建后為滿足通航需求,對(duì)中間通航孔進(jìn)行整體頂升。根據(jù)頂升支座反力識(shí)別的要求,監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為頂升力、頂升位移,校核指標(biāo)為結(jié)構(gòu)變形、關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力等。

        頂升力監(jiān)測(cè)主要通過(guò)頂升千斤頂油壓系統(tǒng)的壓力傳感器獲得;頂升位移通過(guò)自動(dòng)化頂升控制系統(tǒng)自帶的位移數(shù)據(jù)和布置的位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),測(cè)量行程滿足最大頂升位移的需求。位移傳感器安裝在支座墊石的四周角點(diǎn)。

        頂升過(guò)程各墩支座的實(shí)測(cè)反力和頂升位移見(jiàn)表1。可以看出,兩聯(lián)主桁總重分別為2195.6 t 和2213.6 t,比設(shè)計(jì)理論重4%和5%。從反力分布來(lái)看,兩聯(lián)橋邊墩(0# 和4#)實(shí)測(cè)反力比理論反力大106 t和89 t,其余各墩反力實(shí)測(cè)和理論偏差均較小,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)與理論計(jì)算一致。

        表1 支座頂升反力

        5.2 主桁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性識(shí)別

        橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性主要包括自振頻率、振型以及阻尼比,是結(jié)構(gòu)的固有特性,。自振特性的確定可以作為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和剛度評(píng)定的依據(jù),實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,既能夠建立橋梁實(shí)際動(dòng)力特性方面的原始檔案,也可用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校核理論分析結(jié)果,驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

        主桁架為松浦大橋承重受力的主體結(jié)構(gòu),因此動(dòng)力特性識(shí)別安排在上層橋面系拆除、主桁橫向連接系安裝后進(jìn)行,此時(shí)主桁結(jié)構(gòu)不受上層橋面系的影響,其自振特性能夠準(zhǔn)確把握。根據(jù)該結(jié)構(gòu)狀態(tài)自振頻率的理論計(jì)算結(jié)果,振型測(cè)點(diǎn)布置在橋梁在各跨徑L 的L/4、L/2、3L/4 以及支點(diǎn)處。前兩階自振特性理論計(jì)算與實(shí)橋測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2 和圖7。

        可知,一階振型為反對(duì)稱豎彎,理論振動(dòng)頻率為1.702 Hz,二階振型為對(duì)稱豎彎,理論振動(dòng)頻率為3.045 Hz。主桁前兩階實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型一致,各階實(shí)測(cè)頻率均比理論計(jì)算偏大,結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度略高于理論剛度,前兩階實(shí)測(cè)阻尼比分別為6.22%和2.76%。

        表2 結(jié)構(gòu)自重頻率計(jì)振型特征

        圖7 松浦大橋前兩階振型對(duì)比

        6 施工監(jiān)控信息化系統(tǒng)應(yīng)用

        隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用,對(duì)傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控提供遠(yuǎn)程和智能化控制的發(fā)展方向,加上BIM 技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域已從概念普及進(jìn)入到全方面的應(yīng)用發(fā)展階段,為橋梁施工監(jiān)控信息化提供新的展示平臺(tái)。基于此,借助松浦大橋改建項(xiàng)目,運(yùn)用信息化技術(shù)和橋梁施工監(jiān)控工作經(jīng)驗(yàn),研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng),彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工監(jiān)控工作在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)協(xié)同、數(shù)據(jù)信息共享、監(jiān)控成果展示上的不足。

        圖8 為松浦大橋施工階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示,通過(guò)BIM 模型的圖形索引功能,展示各控制截面的內(nèi)力和變形的理論值、實(shí)測(cè)值等數(shù)據(jù)。通過(guò)圖形,直觀顯示松浦大橋各關(guān)鍵構(gòu)件在各施工階段的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力狀態(tài),以及在整個(gè)施工過(guò)程中的變化情況。

        系統(tǒng)設(shè)有全過(guò)程施工質(zhì)量管理和施工風(fēng)險(xiǎn)管理,以BIM 模型為信息載體,建立各施工階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)和施工進(jìn)度的可視化管理。同時(shí),建立施工監(jiān)控工作協(xié)同,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和質(zhì)量管理數(shù)據(jù)的共享,將技術(shù)人員與管理人員通過(guò)終端連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳遞與快速分享,見(jiàn)圖9。

        圖8 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)BIM 可視化展示

        圖9 預(yù)制橋面板加工質(zhì)量管理數(shù)據(jù)

        7 結(jié) 語(yǔ)

        本文以松浦大橋改建為背景,分析了桁架梁橋改建的施工監(jiān)控特點(diǎn),建立了老橋施工監(jiān)控以結(jié)構(gòu)安全控制為主,新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔的總體控制思路;針對(duì)改建施工中所關(guān)心的結(jié)構(gòu)安全及線形控制等問(wèn)題,研究了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)與控制方法。針對(duì)支座更換施工階段,對(duì)支座反力和主桁架動(dòng)力特性進(jìn)行識(shí)別,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證與評(píng)估結(jié)構(gòu)總體的技術(shù)狀況。在傳統(tǒng)監(jiān)控方法上發(fā)展了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與信息交互平臺(tái)工作模式,為國(guó)內(nèi)外同類橋梁的施工監(jiān)控提供理論參考依據(jù)與借鑒。

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