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        基于Ansys實(shí)體模型分析的圬工拱橋混凝土套拱加固方法研究

        2021-12-16 23:40:32曾仲
        四川建筑 2021年5期

        【摘 要】以四川省巴中市巴河大橋檢測(cè)與加固工程為背景,通過(guò)對(duì)該橋的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與靜、動(dòng)載試驗(yàn),找到其存在的缺陷及損傷。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選擇混凝土套拱加固法對(duì)拱橋進(jìn)行加固。通過(guò)Ansys實(shí)體模型對(duì)加固施工的全過(guò)程進(jìn)行模擬分析,得到加固過(guò)程中拱橋原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的位移、受力情況和全橋的剛度提升水平。結(jié)果表面混凝土套拱加固法可以有效應(yīng)用于眾多的圬工拱橋加固工程中。

        【關(guān)鍵詞】圬工拱橋; 混凝土套拱加固; Ansys實(shí)體模型; 剛度提升

        【中圖分類號(hào)】U445.7+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

        圬工拱橋,尤其是石拱橋,在我國(guó)有悠久的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在中國(guó)的各類型橋梁中,拱橋約占61 %,特別是在山高谷深,石料豐富的四川地區(qū),拱橋占90 %以上,以圬工拱橋數(shù)量最多。但是,該類?ài)毓す皹虼蠖嘈藿攴葺^久遠(yuǎn),在自然環(huán)境的侵蝕和日漸增長(zhǎng)的交通荷載影響下,出現(xiàn)了不同程度的損傷。為了解橋梁現(xiàn)狀,保證結(jié)構(gòu)的安全,必須通過(guò)檢測(cè),對(duì)存在問(wèn)題的橋梁采取必要的加固措施?;炷撂坠凹庸谭ㄗ鳛楸姸嗉庸谭椒ㄖ械囊环N,由于其增大受力截面和套箍效應(yīng)的作用使舊拱橋整體受力均勻,能達(dá)到增強(qiáng)整體性,提高承載力的目的,已被廣泛應(yīng)用于圬工拱橋的加固中[1] 。

        1 工程背景

        本項(xiàng)目巴河大橋位于位于四川省巴中市平昌縣省道202線公路,中心樁號(hào)K247+513.42,橋梁跨徑組合為(3×10+4×50+10) m漿砌塊石無(wú)鉸石拱橋,橋梁全長(zhǎng)290 m,橋面組合為(1.9+7.0+1.9) m;下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺(tái),擴(kuò)大基礎(chǔ);橋面鋪裝為瀝青混凝土。該橋設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為汽車-20級(jí),設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)。

        2 橋梁檢測(cè)結(jié)果評(píng)定

        2.1 舊橋現(xiàn)有參數(shù)測(cè)定

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),巴河大橋主體結(jié)構(gòu)采用圬工砌體結(jié)構(gòu),其主拱圈為M10砂漿砌MU60塊石,立墻為M10砂漿砌MU60塊石,腹拱拱圈采用M10砂漿砌MU60塊石。表1、表2分別是根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提取的全橋主要幾何參數(shù)與圬工材料參數(shù)表。

        2.2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)該橋的損傷情況,并結(jié)合橋梁技術(shù)規(guī)范,該橋現(xiàn)總體評(píng)定為三類橋。根據(jù)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果,該橋承載力和整體剛度滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)(汽車-20級(jí),掛車-100級(jí))要求。建議按照J(rèn)TG H11-2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》的規(guī)定,對(duì)該橋進(jìn)行中修,酌情進(jìn)行交通管制;對(duì)拱圈滲水進(jìn)行處治,建議對(duì)拱圈進(jìn)行加固。對(duì)橋面鋪筑破損開(kāi)裂進(jìn)行修復(fù)處治,建議對(duì)橋面鋪筑進(jìn)行進(jìn)行挖除重建。對(duì)該橋其余病害進(jìn)行處治[2] 。

        3 拱橋加固處治方案

        根據(jù)檢測(cè)報(bào)告計(jì)算結(jié)果,該橋主要構(gòu)件存在輕微功能性病害,技術(shù)狀況評(píng)定為3類橋,需要對(duì)其進(jìn)行加固處治。

        3.1 橋面系

        (1)按人行道位置橋面鑿除46 cm厚度的標(biāo)高控制,橫橋向水平鑿除橋面,上緣40 cm厚原側(cè)墻均鑿除,重新依次鋪筑C15混凝土墊層、防水卷材、現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土橋面板、防水粘結(jié)層和瀝青混凝土橋面鋪裝。橋面板及瀝青橋面鋪裝在起止點(diǎn)橋臺(tái)伸縮縫位置及橋跨伸縮縫位置應(yīng)設(shè)置豎向通縫,并增設(shè)80型伸縮縫。

        (2)原人行道及欄桿均鑿除,重新澆筑鋼筋混凝土緣石及鋪設(shè)鋼筋混凝土人行道板,欄桿均更換為鋼欄桿。

        3.2 上部結(jié)構(gòu)

        (1)主拱圈、腹拱圈砌縫和裂縫采用高壓灌注環(huán)氧水泥砂漿進(jìn)行封閉補(bǔ)強(qiáng);對(duì)4#~7#主拱圈采用增大截面法的加固技術(shù),拱腳部分采用鋼筋混凝土套箍加固,其余部分采用拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板加固[3]。

        (2)對(duì)全橋腹拱及引拱采用增大截面法的加固技術(shù),通過(guò)拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板進(jìn)行加固。

        (3)原側(cè)墻全部更換為C20混凝土側(cè)墻。

        3.3 下部結(jié)構(gòu)

        將原橋橋墩出現(xiàn)的灰縫脫落采用M10水泥砂漿進(jìn)行勾縫,并采用鋼筋混凝土套箍加固技術(shù)進(jìn)行加固。

        4 Ansys實(shí)體模型加固過(guò)程分析

        4.1 實(shí)體模型建立

        計(jì)算結(jié)構(gòu)采用SOLID65單元模擬,此單元有8個(gè)結(jié)點(diǎn),每個(gè)結(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度。該單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的功能。每個(gè)單元都有2×2×2個(gè)高斯積分點(diǎn),見(jiàn)圖2。建立Ansys實(shí)體模型見(jiàn)圖3。

        在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)底面位置,約束面上所有自由度,形成固結(jié);埋置于巖土中的墩臺(tái)面上約束結(jié)構(gòu)順橋向自由度,邊界條件見(jiàn)圖4。

        計(jì)算荷載主要有:重力、二期恒載、整體溫度荷載、汽車荷載和人群荷載。

        結(jié)構(gòu)重力系數(shù)取為9.8 m/s2。溫度按升溫18 ℃,降溫18 ℃考慮,結(jié)合圬工規(guī)范拱橋溫度效應(yīng)考慮折減系數(shù)0.7,取升溫12.6 ℃,降溫12.6 ℃[4]。

        二期恒載為欄桿和人行道板,單側(cè)每延米重量:10 kN/m。(模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布,均布荷載為P1=10×2/10.8=1.85 kN/m2)

        車道荷載按公路-I級(jí)加載,模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布,不考慮折減。車道均布荷載P2=10.5×2/10.8=1.94 kN/m2。車道荷載中的集中力,主拱上每個(gè)車道集中力總和為360 kN,分為11個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載,每個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)F1=360×2/11=65.45 kN。引拱上11個(gè)節(jié)點(diǎn)各承擔(dān)F2=200×2/11=36.36 kN。

        人行道,兩側(cè)各1.7 m寬,人群荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小,按滿布人群荷載考慮:3 kN/m2。(模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布,均布荷載為P3=3×1.7×2/10.8=0.94 kN/m2)。

        通過(guò)Midas計(jì)算得到的汽車荷載影響線布置活載,分三種情況布置。

        (1)活載按對(duì)主拱拱頂截面最不利情況,按影響線布載見(jiàn)圖5。

        (2)活載按對(duì)主拱1/4截面最不利情況,按影響線布載見(jiàn)圖6。

        (3)活載按對(duì)主拱拱腳截面最不利情況,按影響線布載見(jiàn)圖7。

        4.2 加固施工階段

        本計(jì)算準(zhǔn)確應(yīng)用應(yīng)力疊加原理模擬原橋成橋和加固過(guò)程,包括施工過(guò)程和成橋后使用階段:

        (1)裸拱自重。

        (2)立墻、腹拱圈加載。

        (3)填料加載。

        (4)橋面加載(原橋成橋)。

        (5)主墩加固并去除橋面。

        (6)主拱加固。

        (7)腹拱加固。

        (8)橋面加載(加固完成)。

        (9)加固混凝土收縮(按降溫20 ℃考慮,據(jù)圬工規(guī)范折減為45 %,取降溫9 ℃)

        (10)整體溫度變化(升溫/降溫)

        (11)車道及人群荷載(分別對(duì)3個(gè)主拱控制截面最不利影響考慮。)

        整個(gè)加固施工過(guò)程采用非線性單元生死技術(shù)計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中,如果要在模型中加入(或刪除)材料,模型中相應(yīng)的單元就“存在”(或消亡)。要激活“單元死”的效果,ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除,而是將其剛度(或傳導(dǎo),或其他分析特性)矩陣乘以一個(gè)很小的因子[ESTIF] ,因子缺省值為1.0×10-6,死單元的單元載荷將為0,從而不對(duì)載荷向量生效[5] 。

        4.3 加固分析結(jié)果

        4.3.1 應(yīng)力分析

        (1)主應(yīng)力分析

        圖8~圖11為模型:原橋(CS4)、加固完成(CS8)工況主拱圈主拉應(yīng)力云圖和跡線圖,從圖中可以看出,立柱與主拱圈結(jié)合處由于應(yīng)力集中,應(yīng)力水平較大,其余部位主拉應(yīng)力水平均較小。

        圖12~圖15為模型:原橋(CS4)、加固完成(CS8)工況主拱圈主壓應(yīng)力云圖和跡線圖。最不利荷載作用下,主拱圈拱頂主壓應(yīng)力小于-1.11 MPa,拱腳主壓應(yīng)力小于-2.37 MPa;均小于其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

        表3、表4為各階段主拱圈與腹拱圈主應(yīng)力表(表中主應(yīng)力僅作為參考,包括應(yīng)力集中值),從表中可以看出加固后主拱圈主拉應(yīng)力最大值與加固前基本相同,均為0.1 MPa。但是混凝土收縮對(duì)主拱圈主拉應(yīng)力有較大影響。

        對(duì)比表3、表4可見(jiàn),整體降溫對(duì)主拱圈受力不利,主拱圈最大拉應(yīng)力增大約0.32 MPa,而對(duì)腹拱受力有利,主拉應(yīng)力減少約0.15 MPa。

        整體升溫對(duì)主拱圈受力有利,主拱圈最大拉應(yīng)力減小約0.32 MPa,而對(duì)腹拱受力不利,主拉應(yīng)力增大約0.16 MPa。

        (2)正應(yīng)力分析

        下面提出拱頂、拱腳、1/4主拱截面的各階段正應(yīng)力值,對(duì)比原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的受力情況(以加固完成階段為例)見(jiàn)圖16~圖19。

        按此步驟依次分析各階段拱橋控制截面原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力,得到表5、表6。

        由表5、表6可知,加固后原橋主拱圈在后續(xù)工況下仍全截面受壓。而鋼筋混凝土加固結(jié)構(gòu)在收縮、降溫及車道荷載作用下會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,經(jīng)計(jì)算其最大裂縫為0.09 mm,滿足規(guī)范0.2 mm的要求。

        4.3.2 位移分析

        表7、表8為模型(降溫/升溫)工況下主拱圈最大豎向位移??梢钥闯觯簩?shí)體模型在原橋恒載作用下,主拱圈最大豎向位移為14.2 mm,加固后主拱圈最大豎向位移為13.4 mm,部分卸載情況下加固主拱圈,主拱位移有較小的上撓值。

        總體來(lái)看,實(shí)體模型的豎向位移值為:降溫最不利荷載作用下,最大位移26.3 mm;升溫最不利荷載作用下,最大位移17.4 mm。

        4.3.3 模態(tài)分析

        對(duì)原橋和加固后全橋進(jìn)行模態(tài)分析,主要提取其一階豎向自振頻率進(jìn)行比較,分析其剛度變化(圖20、圖21)。

        可見(jiàn)原橋一階豎向自振頻率為1.051 Hz,加固后全橋一階豎向自振頻率為1.521 Hz。加固對(duì)拱橋的剛度提高效果很明顯。

        5 結(jié)論

        加固后,原主拱圈在所有荷載工況下,拱頂、拱腳和1/4截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,且壓應(yīng)力小于4.22 MPa,在允許范圍內(nèi)。主拱混凝土加固部分最大裂縫寬度小于0.2 mm,在允許范圍內(nèi)。車道荷載對(duì)原結(jié)構(gòu)影響相對(duì)減小,大部分被加固結(jié)構(gòu)承擔(dān),表明混凝土套拱加固對(duì)巴河大橋承載力提升有利。

        加固混凝土的收縮與整體升溫、降溫工況對(duì)全橋影響較大:混凝土收縮導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,對(duì)原砌體結(jié)構(gòu)略有不利影響;降溫工況對(duì)加固結(jié)構(gòu)不利,對(duì)原砌體結(jié)構(gòu)也較為不利;升溫工況對(duì)加固結(jié)構(gòu)有利,對(duì)原砌體結(jié)構(gòu)影響不大。

        由模態(tài)分析結(jié)果可以得出,加固后全橋豎向一階自振頻率較加固前有明顯提高,表明結(jié)構(gòu)豎向剛度增加,套拱加固對(duì)結(jié)構(gòu)剛度提升效果明顯。

        參考文獻(xiàn)

        [1]周建庭,劉思孟,李躍軍. 石拱橋加固改造技術(shù)[M].北京:人民交通出版社.2008.

        [2]JTG H11-2004 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

        [3]JTG /T J22-2008 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [4]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [5]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社.2007.

        [定稿日期]2021-01-13

        [作者簡(jiǎn)介]曾仲(1989~),男,碩士,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)及橋梁結(jié)構(gòu)方向研究。

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