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        橋梁承載能力靜載評估辦法研究

        2022-10-09 11:21:34邱曉晨
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年13期
        關(guān)鍵詞:校驗(yàn)撓度測點(diǎn)

        邱曉晨

        (廣東中惠工程檢測科技有限公司,廣東 惠州 516000)

        1 橋梁承載能力靜載評估的方法基礎(chǔ)

        在橋梁部位施加豎向壓力(靜置重物),觀測橋梁隨時(shí)間推移所產(chǎn)生的變化,包括橋梁應(yīng)力、應(yīng)變以及撓度等相關(guān)項(xiàng)目,以確定橋梁抗壓承載力和穩(wěn)定性,尤其可以掌握橋梁在最不利載荷條件下的應(yīng)變、載荷效率、實(shí)測值計(jì)算與理論值對比等相關(guān)情況,進(jìn)而分析橋梁的整體剛度、截面撓度等表現(xiàn)。

        載荷試驗(yàn)相對復(fù)雜,需要提前做好試驗(yàn)安排和準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)前須擬定試驗(yàn)清單,其中包括試驗(yàn)的步驟、需要的材料、人員、工具以及試驗(yàn)記錄的項(xiàng)目等,根據(jù)清單準(zhǔn)備相關(guān)物品、組織人力,在安排試驗(yàn)人員時(shí)應(yīng)在預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)人員數(shù)的基礎(chǔ)上再增加一定的富余人員,將試驗(yàn)任務(wù)落實(shí)到人,做到分工協(xié)作。

        試驗(yàn)時(shí)先在對應(yīng)測點(diǎn)處進(jìn)行標(biāo)記,安排加載汽車和相關(guān)人員、全站儀和精密水準(zhǔn)儀等設(shè)備到位,加載汽車設(shè)備需要過磅,精準(zhǔn)控制質(zhì)量;安排加載車在橋面緩慢前進(jìn)進(jìn)行預(yù)壓,試驗(yàn)儀表進(jìn)行讀數(shù)調(diào)零,記錄環(huán)境數(shù)值和橋梁初始數(shù)值;采用分級加載辦法,逐級記錄相關(guān)數(shù)據(jù),直至點(diǎn)位滿載;加載汽車在駛至預(yù)定位置后,在滿載穩(wěn)定15 min后進(jìn)行首次測試讀數(shù),然后10 min進(jìn)行二次讀數(shù),以后每10 min為間隔進(jìn)行多次讀數(shù),至當(dāng)次讀數(shù)數(shù)值小于上次讀數(shù)數(shù)值變量10%的,可判定結(jié)構(gòu)形變趨于穩(wěn)定,則本次讀數(shù)為最終實(shí)測數(shù)值;對受測點(diǎn)位進(jìn)行一次重物卸載,20 min后進(jìn)行應(yīng)變觀測,至應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行撓度測量。每次記錄測量數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)同步記錄實(shí)時(shí)氣溫。

        2 橋梁承載能力評估靜載試驗(yàn)要點(diǎn)

        在靜載試驗(yàn)中,需要對現(xiàn)場進(jìn)行封閉管理,預(yù)加載環(huán)節(jié)必須處理得當(dāng),消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形。為了保證結(jié)構(gòu)變形的限度,施加載荷之后需要靜置觀察一段時(shí)間,確保在預(yù)定載荷下結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù),且受到響應(yīng)溫度等客觀環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響,等待時(shí)間一般應(yīng)控制在10 min左右,最后一次測量讀數(shù)結(jié)束后,必須要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)測量。在靜載試驗(yàn)中進(jìn)行觀測,不同載荷條件下的數(shù)值是否存在問題需要精確判斷,一般情況下實(shí)測值超出理論數(shù)值或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值120%以上時(shí),結(jié)構(gòu)可能會(huì)遭受嚴(yán)重?fù)p壞,此時(shí)需要緊急暫停加載,并進(jìn)行全面檢查和分析。

        在數(shù)據(jù)處理時(shí),強(qiáng)度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)公式見式(1)。

        式中:k為強(qiáng)度校驗(yàn)系數(shù);σ為應(yīng)力的實(shí)測差值;σ為應(yīng)力的理論差值,且當(dāng)k≥1時(shí)受測橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不符。

        剛度校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)公式見式(2)。

        式中:k為剛度校驗(yàn)系數(shù);δ為撓度實(shí)測值;δ為撓度理論值,且當(dāng)k≥1時(shí),受測橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不符。

        在最不利的應(yīng)力載荷下,應(yīng)對橋梁的外觀進(jìn)行觀測,查看是否存在開裂情況。

        3 橋梁承載能力靜載評估實(shí)踐

        3.1 評估實(shí)踐方案

        省道S353線龍門至水貝段改建工程,金山互通G匝道橋,起止樁號如下:起點(diǎn)樁號GK0+280.779,終點(diǎn)樁號GK0+569.379。設(shè)計(jì)時(shí)速 40 km/h, 橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路—I級,設(shè)計(jì)使用年限100年,地震基本烈度方面,地震峰值加速度 0.005 g,特征周期為0.035 s,Ⅵ度區(qū),按Ⅶ度防設(shè),G匝道橋跨徑組合為(4×25)m+(4×25)m+(4×25)m+(28+30+25)m預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。

        根據(jù)試驗(yàn)跨的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),第一聯(lián)連續(xù)梁選取邊跨及中跨進(jìn)行靜載試驗(yàn),測試斷面描述及測試項(xiàng)目見表1,各跨測試斷面位置示意如圖1所示。

        圖1 測試斷面位置示意圖

        表1 測試斷面及測試項(xiàng)目

        該靜載試驗(yàn)荷載擬采用4輛(每輛總重約45 t)的三軸載重貨車,貨車左右輪距1.8 m,前輪與后前輪距3.5 m,后前輪與后輪距1.4 m。該靜載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)橋梁在接近期望荷載的基本試驗(yàn)荷載作用下橋梁的變形及主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài),也稱基本靜載試驗(yàn),一般要求試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)主要控制斷面上所產(chǎn)生的效應(yīng)與期望荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)接近,其接近程度采用試驗(yàn)荷載效率系數(shù)η表示,見式(3)。

        式中:η為靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù),S為靜力試驗(yàn)荷載作用下控制斷面內(nèi)力計(jì)算值,為期望荷載作用下控制斷面最不利內(nèi)力計(jì)算值(不計(jì)沖擊系數(shù)),為按規(guī)范采用的沖擊系數(shù)。

        該靜載試驗(yàn)橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級,理論計(jì)算采用midas civil 2019 橋梁計(jì)算軟件建立試驗(yàn)聯(lián)模型進(jìn)行計(jì)算,上部結(jié)構(gòu)主梁靜載試驗(yàn)效率系數(shù)見表2,且該靜載試驗(yàn)效率系數(shù)為0.95~0.99,滿足橋梁試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程規(guī)定的靜載試驗(yàn)效率系數(shù)宜介于0.85~1.05的要求。

        表2 橋梁靜載試驗(yàn)效率系數(shù)

        通過理論計(jì)算得到各測試斷面活載影響線,并由各測試斷面影響線按照荷載效應(yīng)等效及最不利布載原則進(jìn)行加載車載位布置。橋梁在汽車荷載作用下,偏載工況車輛布置橫斷面如圖2所示,每個(gè)工況分為四級加載,按設(shè)計(jì)車輛位置依次加載。

        圖2 偏載作用下加載車橫向布置示意圖(單位:mm)

        3.2 評估優(yōu)化思考

        通過結(jié)構(gòu)計(jì)算獲取橋梁承載能力的評估依據(jù),除試驗(yàn)過程中自帶因素之外,關(guān)鍵受到橋梁結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)的影響,因此橋梁承載能力評估優(yōu)化應(yīng)注重結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)橋梁自有屬性和特點(diǎn)下的影響規(guī)避和參數(shù)修正,主要內(nèi)容如下。1)橋面鋪裝。鋪裝層增加了橋梁截面的高度和橫向聯(lián)系,受鋪裝規(guī)格的影響截面參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化,尤以截面慣性矩的增加幅度最大。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,混凝土橋面鋪裝與梁體結(jié)合較好,且缺損狀況評定標(biāo)度小于3時(shí),可考慮橋面鋪裝參與受力,但同時(shí)應(yīng)扣除表面2 cm的磨耗層。2)截面鋼筋。理論上對不開裂的結(jié)構(gòu)應(yīng)采取毛截面特征,開裂結(jié)構(gòu)則采取換算幾何特性,但橋梁的實(shí)際情況在調(diào)查期間客觀存在偏差性,在具體計(jì)算過程中應(yīng)進(jìn)行理性考量。在現(xiàn)有的載荷計(jì)算中,常用的修正方法如下:1)以配筋率為基礎(chǔ)對橋梁主體結(jié)構(gòu)彈性模量進(jìn)行計(jì)算。2)以鋼筋的作用為基礎(chǔ)進(jìn)行橋梁截面慣性矩的計(jì)算。以配筋率為關(guān)鍵指標(biāo)建立的計(jì)算見公式(4)。

        3.3 試驗(yàn)結(jié)果

        校驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定對試驗(yàn)值和分析值進(jìn)行對比,作為結(jié)構(gòu)整體受力性能的評價(jià)依據(jù),見公式(5)。

        式中:為校驗(yàn)系數(shù),S為試驗(yàn)荷載作用下主要側(cè)點(diǎn)實(shí)測的彈性變位或應(yīng)變值,S試驗(yàn)荷載作用下主要側(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算變位或應(yīng)變值。且≤1,否則判定橋梁承載能力不滿足要求。

        溫度影響修正,見公式(6)。

        式中:為溫度修正后的測點(diǎn)加載測值變化,為溫度修正后的測點(diǎn)加載測值變化,Δ為相應(yīng)于觀測時(shí)間段內(nèi)的溫度變化(℃)。對應(yīng)變宜采用構(gòu)件表面溫度,對撓度宜采用氣溫,K為空載時(shí)溫度上升1 ℃時(shí)測點(diǎn)測值變化量。

        各測點(diǎn)變位(撓度、位移、沉降)與應(yīng)變的計(jì)算,如公式(7)~公式(9)所示。

        式中:S為加載前測值,為加載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測值,S為卸載達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測值。

        引入相對殘余變位(或位移)的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài)的程度。相對殘余變位(或應(yīng)變)計(jì)算見公式(10)。

        式中:S'為相對殘余變位(或應(yīng)變)。

        主要測試 G匝道橋第4跨最大正彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變和撓度測試情況、3#橋墩支點(diǎn)最大負(fù)彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變測試情況以及支點(diǎn)沉降情況,測量結(jié)果對例如圖3所示。

        圖3 工況1第4跨跨中斷面(1-1斷面)應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比圖

        第4跨跨中截面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù),應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82,均小于1.0,滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為9.2%,小于容許值20%,滿足要求。3#橋墩支點(diǎn)斷面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù),應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.87,均小于1.0,滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為10.0%,小于容許值20%,滿足要求。第4跨跨中截面撓度測試。連續(xù)梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù),應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82,均小于1.0,滿足要求。 相對殘余變位S'最大為2.8%,小于容許值20%,滿足要求。

        主要測試G匝道橋第3跨最大正彎矩?cái)嗝鎽?yīng)變和撓度測試情況以及支點(diǎn)沉降情況:第3跨跨中截面應(yīng)變測試。連續(xù)梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù),應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)最大為0.79,均小于1.0,滿足要求。相對殘余應(yīng)變S'最大為5.8%,小于容許值20%,滿足要求。第3跨跨中截面撓度測試。簡支鋼板梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù),應(yīng)滿足不大于1的要求。而實(shí)際的撓度校驗(yàn)系數(shù)最大為0.82,均小于1.0,滿足要求。相對殘余變位S'最大為 3.2%,小于容許值20%,滿足要求,如圖4所示。

        圖4 工況2第3跨跨中斷面(3-3斷面)撓度測點(diǎn)實(shí)測值與理論值對比圖

        對省道S353線龍門至水貝段改建工程G匝道第1聯(lián)第3跨、第4跨進(jìn)行荷載試驗(yàn),采用的荷載效率系數(shù)控制在0.85~1.05,進(jìn)行荷載試驗(yàn)和理論分析計(jì)算,對其整體受力性能按照相關(guān)評定規(guī)程的規(guī)定綜合評定結(jié)論如下。

        各試驗(yàn)跨在相應(yīng)靜載試驗(yàn)工況下,應(yīng)變、撓度的校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0,滿足要求。各試驗(yàn)跨控制截面各測點(diǎn)在相應(yīng)靜載試驗(yàn)工況下相對殘余變位(或應(yīng)力)均小于20%,表明該橋各試驗(yàn)跨在試驗(yàn)荷載作用下,處于彈性工作階段內(nèi)。在靜載試驗(yàn)期間,該橋左幅第3跨、第4跨均未發(fā)現(xiàn)可見結(jié)構(gòu)裂縫,滿足要求。

        4 結(jié)語

        在橋梁承載能力評估過程中,需要做好相關(guān)數(shù)據(jù)信息的搜集工作,奠定評估基礎(chǔ),同時(shí)應(yīng)綜合考慮評估結(jié)果的影響因素,包括試驗(yàn)過程中的操作細(xì)節(jié)、人員素養(yǎng)以及橋梁結(jié)構(gòu)或材料等,充分結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求,提升評估精準(zhǔn)度。

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