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        獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固改造技術(shù)

        2021-06-01 10:56:16楊培偉
        施工技術(shù)(中英文) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁混凝土

        陳 勇,楊培偉

        (1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430074;2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034;3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

        0 引言

        隨著服役年限的不斷增長(zhǎng)、車流量的增加以及越來(lái)越多的超載車輛出現(xiàn),獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)質(zhì)量不斷降低,橋梁的抗傾覆性能不斷惡化,為消除橋梁運(yùn)營(yíng)安全隱患,提高獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能,保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全,同時(shí)應(yīng)對(duì)部分車輛嚴(yán)重超載等極端情況,亟需對(duì)獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀進(jìn)行摸排,對(duì)抗傾覆性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范[1]的橋梁進(jìn)行加固改造。

        本文依托獨(dú)柱墩橋梁傾覆事故案例和獨(dú)柱墩橋梁加固改造項(xiàng)目實(shí)例,從獨(dú)柱墩橋梁傾覆問(wèn)題的特點(diǎn)及原因分析,橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算評(píng)估方法及橋梁傾覆機(jī)理,獨(dú)柱墩橋梁加固改造技術(shù)解決方案以及獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)維要點(diǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行全面梳理和研究,旨在為獨(dú)柱墩橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供比較全面的技術(shù)指導(dǎo)。

        1 獨(dú)柱墩橋梁現(xiàn)狀

        1.1 獨(dú)柱墩橋梁特點(diǎn)

        獨(dú)柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)輕巧、線形流暢、占地量小、通透度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn),在受到地形、地物限制城區(qū),獨(dú)柱墩橋梁成為優(yōu)選橋型。這類橋梁的上部結(jié)構(gòu)多采用連續(xù)箱梁,與簡(jiǎn)支梁相比,其整體性能好、行車舒適度高、跨越能力強(qiáng),在立交橋、高架橋的分離式匝道或上下引橋的設(shè)計(jì)中占有重要地位。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì),獨(dú)柱墩橋梁普遍具有如下技術(shù)參數(shù)特征: ①橋面寬度8~11m; ②橋跨數(shù)98%以上在5跨以內(nèi); ③總聯(lián)長(zhǎng)約97%在200m以內(nèi); ④約90%平曲線半徑≥90m。

        根據(jù)上部結(jié)構(gòu)材料類型,獨(dú)柱墩橋梁分為鋼箱梁獨(dú)柱墩橋梁、鋼-混凝土組合箱梁獨(dú)柱墩橋梁和混凝土箱梁獨(dú)柱墩橋梁,其中以混凝土現(xiàn)澆箱梁為主,其梁端多采用雙支座支撐,中跨分為墩梁固結(jié)、雙支座和單支座支撐方式,如圖1所示。

        圖1 獨(dú)柱墩橋梁墩梁連接方式

        通常城區(qū)范圍內(nèi)的獨(dú)柱墩橋梁因受橋墩頂面的空間限制,支座橫向間距較小,且橋面寬度不大,無(wú)明顯的車道劃分,車輛偏載情況較為普遍,因偏載引起支座反力變化較大,獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆能力薄弱的現(xiàn)象愈發(fā)凸顯。獨(dú)柱墩橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)傾覆時(shí),事先并無(wú)明顯征兆,屬于瞬態(tài)破壞形式,一旦發(fā)生將會(huì)危及民眾生命安全、造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失、產(chǎn)生極其惡劣的社會(huì)影響。

        1.2 典型傾覆案例及原因分析

        1)案例1 某立交橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)梁,跨徑布置為(17+22+22+17)m+30m,下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱墩單支座形式。事故發(fā)生時(shí)橋面3輛單車約140t的車輛偏載通行,整體傾覆,倒塌后橋梁結(jié)構(gòu)整體性基本完好(見(jiàn)圖2a)。

        2)案例2 某跨線橋上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支鋼箱梁、下部結(jié)構(gòu)為小間距雙支座花瓶墩,事故發(fā)生時(shí)3輛單車約100t的車輛偏載通行,主梁繞中心軸一側(cè)支座傾覆,傾覆后鋼主梁、混凝土橋墩無(wú)結(jié)構(gòu)性損害(見(jiàn)圖2b)。

        圖2 獨(dú)柱墩橋梁傾覆案例分析

        從以上案例看出,發(fā)生上部結(jié)構(gòu)整體傾覆的橋梁具有以下共同特征[2]: ①上部結(jié)構(gòu)為整體箱梁、下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱墩; ②過(guò)渡墩和橋臺(tái)位置為雙支座,中跨橋墩采用單支座,其中簡(jiǎn)支梁橋端部雙支座間距較??; ③超過(guò)設(shè)計(jì)荷載的車輛集中偏載通行(見(jiàn)圖2c);④事故發(fā)生前無(wú)明顯預(yù)兆、猝然發(fā)生,事后結(jié)構(gòu)整體性基本完好。

        1.3 獨(dú)柱墩橋梁傾覆機(jī)理分析

        在偏心荷載作用下,單向受壓支座依次脫離受壓狀態(tài),箱梁支撐體系不再提供有效約束,箱梁扭轉(zhuǎn)變形趨于發(fā)散至橫向失穩(wěn)垮塌[3],支座、下部結(jié)構(gòu)連帶損壞(局部)。根據(jù)獨(dú)柱墩橋梁傾覆案例的分析以及相關(guān)研究,其傾覆過(guò)程可表達(dá)為幾個(gè)典型過(guò)程,如圖3所示。

        圖3 獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程

        2 獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算評(píng)估

        獨(dú)柱墩橋梁上部結(jié)構(gòu)在傾覆的過(guò)程中存在2個(gè)明確特征狀態(tài)[4]: ①特征狀態(tài)1 箱梁的單向受壓支座開(kāi)始脫離受壓; ②特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效[5]。

        將這兩個(gè)特征狀態(tài)作為抗傾覆驗(yàn)算工況: ①達(dá)到特征狀態(tài)1 在作用基本組合下,箱梁橋的單向受壓支座處于受壓脫空狀態(tài); ②達(dá)到特征狀態(tài)2 箱梁的抗扭支承全部失效時(shí),箱梁處于受力平衡或扭轉(zhuǎn)變形失效的極限狀態(tài)。箱梁橋同一橋墩的一對(duì)雙支座構(gòu)成一個(gè)抗扭支承,起到對(duì)扭矩和扭轉(zhuǎn)變形的雙重約束;當(dāng)雙支座中一個(gè)支座豎向力變?yōu)?而失效后,另一個(gè)有效支座僅起到對(duì)扭矩的約束,失去對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的約束,如圖4所示。

        注:有效支座;●失效支座圖4 獨(dú)柱墩橋梁達(dá)到特征狀態(tài)2的過(guò)程

        對(duì)箱梁的抗扭支承全部失效狀態(tài),采用“穩(wěn)定作用效應(yīng)≥穩(wěn)定性系數(shù)×失穩(wěn)作用效應(yīng)”的表達(dá)式。箱梁橋處于特征狀態(tài)2時(shí),各橋墩都存在1個(gè)有效支座,穩(wěn)定效應(yīng)和失穩(wěn)效應(yīng)按照失效支座對(duì)有效支座的力矩計(jì)算,如圖5所示。

        注:有效支座;●失效支座圖5 獨(dú)柱墩橋梁特征狀態(tài)2時(shí)的有效支座示意

        2.1 驗(yàn)算評(píng)估方法

        根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.8條,持久狀況下,梁橋不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)體系改變,并應(yīng)同時(shí)滿足下列規(guī)定。

        1)在作用基本組合下,單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)。

        2)按作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合時(shí),整體式截面簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的作用效應(yīng)應(yīng)符合下式要求:

        穩(wěn)定效應(yīng):∑Sbk,i=∑RGkili

        失穩(wěn)效應(yīng):∑Ssk,i=∑RQkili

        式中:kqf為 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),取2.5,綜合考慮該簡(jiǎn)化方法的偏差系數(shù)和實(shí)際車輛密集排布情況下汽車荷載的放大系數(shù)后確定;li為第i個(gè)橋墩處失效支座與有效支座的支座中心間距;RGki為在永久作用下,第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力,按全部支座有效的支承體系計(jì)算確定,按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值;RQki為在可變作用下,第i個(gè)橋墩處失效支座的支反力,按全部支座有效的支承體系計(jì)算確定,按標(biāo)準(zhǔn)值組合取值,汽車荷載效應(yīng)(考慮沖擊)按各失效支座對(duì)應(yīng)的最不利布置形式取值。

        2.2 某獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆驗(yàn)算分析

        1)驗(yàn)算過(guò)程

        以某互通匝道橋的獨(dú)柱墩橋梁第1聯(lián)為例進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算,本聯(lián)橋梁為(23.761+3×20)m,采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。0,4號(hào)過(guò)渡墩采用雙柱墩,1~3號(hào)墩采用獨(dú)柱墩。箱梁為單箱雙室截面,頂板寬度為10.5m,底板寬度6.0m,懸臂2.0m,斜腹板,梁高1.5m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖6所示。

        圖6 匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

        按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,對(duì)上部結(jié)構(gòu)抗傾覆進(jìn)行驗(yàn)算。橋涵設(shè)計(jì)荷載按汽車荷載公路-Ⅰ級(jí)考慮,在恒荷載和二期荷載以及汽車荷載沖擊系數(shù)μ2=0.45條件下進(jìn)行驗(yàn)算。按單車道偏載和雙車道偏載工況[6-7]分別進(jìn)行驗(yàn)算,偏載布置如圖7所示。

        圖7 獨(dú)柱墩橋偏載布置

        2)驗(yàn)算結(jié)論

        汽車單、雙車道偏載,抗傾覆驗(yàn)算如表1,2所示。可見(jiàn)失效效應(yīng)發(fā)生于特征狀態(tài)2,其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)kqf單車道偏載時(shí)為1.86,1.85;雙車道偏載時(shí)為1.78,1.77,均小于2.5,因此均不滿足要求。

        表1 單車道偏載驗(yàn)算結(jié)果

        表2 雙車道偏載驗(yàn)算結(jié)果

        3 獨(dú)柱墩抗傾覆技術(shù)解決方案

        3.1 獨(dú)柱墩加固改造方案

        影響?yīng)氈諛蛄嚎箖A覆性能的主要因素為支座橫向間距[8]、抗扭跨徑、平曲線半徑、邊中跨比。針對(duì)既有運(yùn)營(yíng)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算不滿足要求,提出以下加固改造方案。

        3.1.1中墩改為墩梁固結(jié)

        將跨中單支座橋墩改造為墩梁固結(jié)(見(jiàn)圖8),上部結(jié)構(gòu)的靜力平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榻孛娴膹?qiáng)度問(wèn)題。

        圖8 墩梁固結(jié)示意

        但因原來(lái)由支座適應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系變形改為橋墩協(xié)調(diào)變形,將增加墩梁固結(jié)區(qū)域構(gòu)件的應(yīng)力水平,因此該方案僅適用于高墩且溫度效應(yīng)和收縮徐變效應(yīng)不顯著的情況。

        3.1.2增設(shè)墩柱

        在獨(dú)柱墩既有承臺(tái)(或?qū)⒃谐信_(tái)擴(kuò)大,或增加樁基)兩側(cè)增設(shè)墩柱,由單柱式改為多柱式,并設(shè)置橫向連接系與既有獨(dú)柱墩連接(見(jiàn)圖9)。

        圖9 獨(dú)柱墩增設(shè)墩柱抗傾覆

        3.1.3加大截面法

        將獨(dú)柱墩通過(guò)植筋立模澆筑混凝土,加大并改變橋墩截面形式,一般做法是將獨(dú)柱墩變成板式墩(見(jiàn)圖10)或花瓶墩,在原支座兩側(cè)增加2個(gè)支座。

        圖10 獨(dú)柱墩變板式墩

        3.1.4增設(shè)蓋梁法

        在橋墩墩頂增加蓋梁,保留原支座,橫橋向再增加2個(gè)支座,為減小增加構(gòu)件自重對(duì)原橋恒荷載的影響,蓋梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖11)。主要改造措施是在橋墩頂部通過(guò)牛腿方式安裝鋼抱箍,采用螺栓將其箍緊,鉆孔安裝錨栓,注入粘鋼膠粘鋼處理。待鋼蓋梁施工完成后,安裝新增支座并與箱梁密貼。

        圖11 鋼蓋梁

        3.1.5增設(shè)抗傾覆裝置

        在獨(dú)柱墩與箱梁之間通過(guò)設(shè)置剛性或者柔性抗拉拔裝置,如對(duì)拉鋼筋、耳釘、拉桿、拉板塊等(見(jiàn)圖12),限制支座脫空進(jìn)而發(fā)生橋梁傾覆事故,一般適用于雙支座獨(dú)柱墩。

        圖12 抗傾覆裝置

        3.1.6鋼箱梁增加配重法

        獨(dú)柱墩鋼箱梁自重輕,抗傾覆性能差,一般在墩頂附近和曲線半徑較小的曲線內(nèi)側(cè)箱室內(nèi)灌注混凝土作配重,達(dá)到提高橋梁抗傾覆性能要求。

        3.2 抗傾覆支撐點(diǎn)傳力功能實(shí)現(xiàn)

        作為抗傾覆支撐,是在不改變?cè)瓨騻髁Ψ绞綏l件下作為預(yù)防性作用的支撐。獨(dú)柱墩一般為連續(xù)梁的中墩,所以抗傾覆的支撐不能限制橋梁梁體的橫縱向位移活動(dòng),也不能改變橋梁正常運(yùn)營(yíng)條件下原支座的受力狀況。

        增加的支座需滿足: ①雙向活動(dòng)功能; ②支座要與梁底始終保持密貼以防止橋梁正常運(yùn)營(yíng)下梁底與支座頻繁動(dòng)態(tài)接觸,并且不能受力(相對(duì)原支座而言)。具體措施如下。

        1)采用四氟板橡膠支座 為雙向活動(dòng)支座,滿足雙向活動(dòng)需要。通過(guò)二次灌漿的方法實(shí)現(xiàn)支座與梁體密貼,具體做法是在增設(shè)的墩柱澆筑至頂部約50cm時(shí),先采用千斤頂將支座預(yù)頂使之與梁底密貼后進(jìn)行固定鎖死,再進(jìn)行支座底部二次灌漿。

        2)采用可調(diào)高支座 用可調(diào)高支座安裝到位后向支座內(nèi)腔壓入合成材料實(shí)現(xiàn)一定(遠(yuǎn)小于原支座力)的預(yù)頂力,確保支座與梁底始終密貼,支座結(jié)構(gòu)如圖13所示。

        圖13 可調(diào)高支座

        4 獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)維合理化建議

        1)針對(duì)抗傾覆系數(shù)不能滿足規(guī)范要求的獨(dú)柱墩橋梁,實(shí)施加固改造前建議采取布置限重標(biāo)志方式對(duì)可能通行的重載車輛進(jìn)行控制,同時(shí)安裝視頻監(jiān)控設(shè)備予以全面監(jiān)控。

        2)加強(qiáng)擬加固改造橋梁的日常檢查頻率,并針對(duì)有傾覆趨勢(shì)的特征表現(xiàn),如橋梁端部伸縮縫出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、護(hù)欄發(fā)生高度方向錯(cuò)位、梁體端部在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)出異響、支座脫空等進(jìn)行詳細(xì)觀察和記錄。

        3)為長(zhǎng)期有效掌控獨(dú)柱墩橋梁的工作狀態(tài),建議針對(duì)典型橋梁建立智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9],實(shí)時(shí)獲取其表征抗傾覆性能的特征數(shù)據(jù)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)獨(dú)柱墩橋梁傾覆問(wèn)題的特點(diǎn)及原因進(jìn)行分析,基于橋梁抗傾覆性能驗(yàn)算評(píng)估方法及橋梁傾覆機(jī)理,提出多種滿足一定條件下的獨(dú)柱墩抗傾覆加固改造的技術(shù)解決方案,并就獨(dú)柱墩橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理提出合理化建議,對(duì)獨(dú)柱墩橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)支持。

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