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        公路橋梁檢測中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用

        2021-12-02 09:18:24任書才
        商品與質(zhì)量 2021年44期
        關(guān)鍵詞:撓度數(shù)值公路

        任書才

        山西路橋集團(tuán)第六工程有限公司六分公司 山西陽泉 045000

        公路橋梁荷載試驗(yàn)是一種涉及面廣、技術(shù)含量高、細(xì)致、復(fù)雜的工作。對于公路橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn),主要目的就是要評定已建橋梁在運(yùn)營過程中的承載能力與新建橋梁的承載能力。針對公路橋梁的運(yùn)營荷載等級,檢測公路橋梁的受力性能能否滿足設(shè)計要求是一種非常有效的評定方法。基于此,本文就公路橋梁檢測中荷載試驗(yàn)的應(yīng)用展開了探討。

        1 荷載試驗(yàn)簡析

        荷載試驗(yàn)是一種極為重要的公路橋梁檢測方法,荷載試驗(yàn)具有顯著的直觀性、可靠性。在對舊橋梁進(jìn)行檢測評定過程中,如果進(jìn)行荷載試驗(yàn),應(yīng)在狀態(tài)不明確的條件來進(jìn)行評定。目前,公路橋梁荷載試驗(yàn)大致包括靜載試驗(yàn)、動載試驗(yàn)兩種類型。其中,所謂靜載試驗(yàn),就是指將適量的靜力荷載施加在公路橋梁上,對公路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,并以此為重要依據(jù),合理確定試驗(yàn)荷載對公路橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響,同時對公路橋梁的撓度、應(yīng)變進(jìn)行有效測定。在類似條件下,比較分析實(shí)測值與理論值,選取校驗(yàn)系數(shù)作為指標(biāo)參數(shù)與衡量標(biāo)準(zhǔn),對公路橋梁實(shí)際的承載力與具體狀況進(jìn)行科學(xué)評估。在對公路橋梁的實(shí)際承載力進(jìn)行評定過程中,需要根據(jù)相關(guān)理論來進(jìn)行有效計算,假如公路橋梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在這種情況下想,?建立科學(xué)的有限元模型。與模型計算結(jié)果相比,假如實(shí)際測量結(jié)果與其之間存在一定的差別,有關(guān)人員應(yīng)及時修正有限元模型。

        2 項(xiàng)目背景

        此公路橋梁項(xiàng)目中主橋的長度是409.5m,引橋的長度是280m,主跨采用五跨一聯(lián)結(jié)構(gòu)(40m+3×50m×40m),同時從上行與下行方向以7.0m為間隔距離進(jìn)行雙向布設(shè)。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的是預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁單箱雙室截面與垂直腹板結(jié)構(gòu),其中箱梁頂?shù)膶挾仁?6.5m,底板的寬度是10.5m,兩側(cè)均設(shè)置了挑臂(長度是2.75m),梁端與跨中的高度均是1.55m,中跨支座部位梁的高度是2.5m。腹板支座的寬度是76.5m,跨中寬度是42.5m,3塊腹板均采用同尺寸進(jìn)行設(shè)計。底板支座的厚度是33.5m,跨中厚度是23.5m,主要表現(xiàn)為線性變化。從箱梁的頂面建立單向橫坡(其中坡率是2%),選擇剛性扭轉(zhuǎn)型式。此項(xiàng)目箱梁箱室中布設(shè)了預(yù)留孔,以便于進(jìn)行后期檢查與維修,箱梁結(jié)合縱向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行設(shè)計,腹板預(yù)應(yīng)力鋼束則結(jié)合豎彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,第一個施工段采用雙向張拉,余下的施工段都采用連接器完成連接張拉。頂板預(yù)應(yīng)力鋼束選擇的是“直索+兩端張拉”模式,底板采用齒板方式進(jìn)行錨固。主橋的橋?qū)捲O(shè)計是剛性防護(hù)欄(寬度0.5m)+人行道(寬度是4.5m)+車行道(寬度是12.5m)+人行道(寬度是4.5m)+剛性防護(hù)欄(寬度是0.5m)。橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計是防水混凝土層(厚度是6.5cm)+SMA罩面層(厚度是5cm)。此公路橋梁項(xiàng)目設(shè)計的車速是60km/h,橋面的設(shè)計坡度必須≤3%,行車荷載是城-A級。

        2.1 荷載試驗(yàn)

        此公路橋梁項(xiàng)目實(shí)施荷載試驗(yàn)的核心目的是檢測橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與承載性能,然后確定橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是否滿足規(guī)范要求,從而實(shí)現(xiàn)公路橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評定,為公路橋梁運(yùn)營監(jiān)測與管理提供真實(shí)、有效依據(jù)。本文結(jié)合公路橋梁項(xiàng)目實(shí)際情況,嚴(yán)格按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTGT-J21-01-2015)等相關(guān)規(guī)定要求實(shí)施橋梁靜載與動載試驗(yàn)[1]。

        2.2 靜載試驗(yàn)

        (1)試驗(yàn)荷載。此項(xiàng)目靜載試驗(yàn)通過結(jié)合荷載效率系數(shù)實(shí)現(xiàn)最大荷載水平的有效確定,其中靜載效率系數(shù)根據(jù)公式①進(jìn)行確定。

        公式(1)中,Sstat代表的是檢測位置處于試驗(yàn)荷載狀態(tài)下的相應(yīng)內(nèi)力變形數(shù)值;S代表的是檢測位置處于設(shè)計荷載狀態(tài)下的相應(yīng)內(nèi)力應(yīng)變數(shù)值;δ代表的是動力系數(shù)設(shè)計數(shù)值[2]。本次橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)中設(shè)計的荷載效率數(shù)值范圍是0.8至1.05,同時試驗(yàn)荷載選擇的是340kN汽車(數(shù)量是5臺)與100kN汽車(數(shù)量是1臺),以等效彎矩是設(shè)計彎矩最大值進(jìn)行荷載具體部位的布設(shè),最后計算得出的靜載效率系數(shù)η見表1。

        表1 靜載彎矩和荷載效率系數(shù)

        試驗(yàn)過程。此項(xiàng)目中橋梁變形撓度觀測點(diǎn)主要是順著橋跨的2側(cè)L/4跨中與3L/4支點(diǎn)進(jìn)行布設(shè),全聯(lián)一共包含了16個觀測點(diǎn),采用精密水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)荷載撓度測量。而應(yīng)力測點(diǎn)則是建立在跨中截面與墩支點(diǎn)截面,全聯(lián)一共包含了25個測點(diǎn),選擇應(yīng)變采集儀完成應(yīng)力變量的精準(zhǔn)測量。正式開始靜載試驗(yàn)之前必須對加載汽車進(jìn)行過磅稱重,同時停在橋梁結(jié)構(gòu)檢測部位之外,當(dāng)一切就緒才能夠進(jìn)場實(shí)施預(yù)加載,仔細(xì)、認(rèn)真讀取測量設(shè)備數(shù)值。在預(yù)加載車輛駛離檢測橋梁結(jié)構(gòu)部位之后,把測量儀器讀數(shù)調(diào)整為零,然后進(jìn)行第一次空載讀數(shù)。當(dāng)檢測加載實(shí)施之后,一共布設(shè)了3個載位點(diǎn),其中跨中截面采用的是3級加載,而跨中加載結(jié)束之后并不卸載,同時從墩支點(diǎn)截面位置進(jìn)行加載(數(shù)量是2臺340kN汽車),達(dá)到穩(wěn)定并持續(xù)30min之后準(zhǔn)確讀取數(shù)值[3]??紤]到氣溫條件直接影響著靜載試驗(yàn)結(jié)果,因此靜載試驗(yàn)時間選擇為22:00至6:00。

        試驗(yàn)結(jié)果。此項(xiàng)目中靜載試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過分析可知,橋梁結(jié)構(gòu)處于荷載狀態(tài)下的截面撓度、應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)值都小于設(shè)計數(shù)值,同時最大撓度產(chǎn)生的殘余變形、最大應(yīng)變部位殘余應(yīng)變小于20%,所有試驗(yàn)檢測結(jié)果都滿足了規(guī)范要求。

        表2 靜載試驗(yàn)檢測結(jié)果

        注意事項(xiàng)。實(shí)施靜載試驗(yàn)階段需要確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,同時試驗(yàn)階段禁止影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全,因此靜載試驗(yàn)時應(yīng)選擇階梯式加載模式,逐步有序增加汽車荷載,在滿足設(shè)計荷載要求后及時停止加載,然后根據(jù)設(shè)計要求步驟以及時間完成卸荷。此項(xiàng)目靜載試驗(yàn)階段汽車的行駛速度≤5.0km/h,以保證靜載試驗(yàn)檢測結(jié)果的有效性與準(zhǔn)確性。

        2.3 動載試驗(yàn)

        試驗(yàn)原理。從本質(zhì)上分析,動載試驗(yàn)是指橋梁結(jié)構(gòu)處于動載狀態(tài)下的各參數(shù)變化測試,比如結(jié)構(gòu)振動頻率、振動幅度以及阻尼等相關(guān)參數(shù),然后實(shí)現(xiàn)橋梁動力特點(diǎn)與承載力評價。相較于靜載試驗(yàn)而言,動載試驗(yàn)并不需要觀察測量載荷車輛實(shí)際位移量變化,從測點(diǎn)位置安裝加速度以及振頻傳感器,實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的觀測[4]。動載試驗(yàn)主要分為脈動試驗(yàn)、強(qiáng)迫試驗(yàn),其中脈動試驗(yàn)必須長期觀測與記錄橋梁處于不同狀態(tài)下的各項(xiàng)振動參數(shù),同時實(shí)施波普分析。由于此項(xiàng)目任務(wù)比較重,允許的觀測時間較短,因此橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)采用強(qiáng)迫動載試驗(yàn)方式。

        試驗(yàn)過程。基于零荷載狀態(tài)下,以自然脈動模式實(shí)現(xiàn)橋梁振頻、振幅與阻尼等相關(guān)參數(shù)測量。實(shí)施動載試驗(yàn)之前,從L/2中跨和L/2邊跨等有關(guān)部位建立2個測點(diǎn),選擇專業(yè)速度傳感器完成橋梁結(jié)構(gòu)振頻測量,認(rèn)真、仔細(xì)記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù),通過DASP動態(tài)信號軟件計算得出具體試驗(yàn)結(jié)果[5]。動載試驗(yàn)階段,選擇100kN汽車(數(shù)量是1臺)以30km/h、40km/h與50km/h速度行駛與剎車,然后分別測量橋梁結(jié)構(gòu)振頻、振幅與阻尼等相關(guān)參數(shù)。與此同時,選擇100kN汽車(數(shù)量是1臺)從15cm至20cm高處以自由下落方式朝向橋梁施加振動力,緊接著準(zhǔn)確測量橋梁結(jié)構(gòu)振頻、振幅以及阻尼等各項(xiàng)參數(shù)。

        試驗(yàn)結(jié)果。通過ANSYS模型與試驗(yàn)檢測各項(xiàng)數(shù)據(jù)計算得出動載試驗(yàn)結(jié)果,其中邊跨動載試驗(yàn)結(jié)果詳見表3。根據(jù)動載試驗(yàn)結(jié)果可知,此橋梁動載試驗(yàn)的振型實(shí)際測量數(shù)值大于設(shè)計數(shù)值,則表明橋梁結(jié)構(gòu)的動剛度實(shí)際數(shù)值比設(shè)計數(shù)值大,而且沖擊系數(shù)符合規(guī)范要求。

        表3 邊跨動載試驗(yàn)結(jié)果

        3 結(jié)語

        本文以實(shí)際公路橋梁工程項(xiàng)目為例,分別從靜載試驗(yàn)、動載試驗(yàn)方面研究了荷載試驗(yàn)在公路橋梁檢測中的應(yīng)用。實(shí)踐表明,此公路橋梁結(jié)構(gòu)的撓度、沖擊系數(shù)以及應(yīng)力應(yīng)變等都滿足規(guī)范要求,且橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能表現(xiàn)良好,因此僅需要對橋梁進(jìn)行監(jiān)測與管制,針對局部風(fēng)化與損傷實(shí)施加固養(yǎng)護(hù)處理。

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