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        梁拱組合體系拱橋改造前檢測實(shí)例分析

        2022-10-16 15:54:46李從財(cái)劉炎
        交通世界 2022年25期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁混凝土

        李從財(cái),劉炎

        (江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司,江西 南昌 330200)

        0 引言

        目前,我國各已建橋梁的交通運(yùn)量及運(yùn)營情況存在較大差異,一些公路橋梁存在潛在病害,需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修和技術(shù)改造,據(jù)統(tǒng)計(jì),運(yùn)營中的橋梁約有25%處于修繕改造狀態(tài),需維修的橋梁中高等級公路的橋梁約占35%[1]。對既有老橋采用合理的加固和拓寬改造措施,不但能保證既有橋梁的使用壽命,還能節(jié)約成本、提高其承載及通行能力。不但能節(jié)省大量的建設(shè)投資,收到良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益,還能通過對舊危橋的維修和加固處理,消除交通安全隱患,提高橋梁通行能力及服務(wù)水平[2]。因此,對橋梁加寬改造方法進(jìn)行深入研究是很有必要的[3]。

        1 工程概況

        贛州市章江大橋在2010年2月投入營運(yùn),是連接贛州市章江兩側(cè)城區(qū)的重要交通通道。主橋造型為飛燕式鋼拱橋,主跨鋼箱梁的長度為104m,由預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁組成,其主跨158m、邊跨48m,對稱布置,即48+158+48=254m。主跨是由一根主拱和兩根以主拱為軸線對稱設(shè)置的穩(wěn)定拱組成,拱肋為鋼管填充微膨脹混凝土,呈現(xiàn)對稱拋物線狀;主拱和穩(wěn)定拱之間設(shè)置斜撐,穩(wěn)定拱之間設(shè)置橫撐;邊跨梁為單箱五室的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,主跨梁為單箱三室的鋼箱梁;主拱共設(shè)16對吊桿,吊桿索均由鍍鋅高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成,同一斷面橫橋向布置兩根吊索;中央分隔帶的橋面設(shè)置了系桿,系桿拉索采用PES(FD)系列新型低應(yīng)力防腐拉索,系桿拉索由253根7mm鍍鋅高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成;下部結(jié)構(gòu)共有4個墩臺,2個主墩坐落于拱座上,拱座與承臺連成一體,基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ),交接墩采用框架墩,橋墩采用雙墩柱。

        章江大橋現(xiàn)行的橋面為雙向6車道,兩側(cè)設(shè)置人非混行通道,考慮到城市發(fā)展過程中的交通需求,改造后的橋面需要雙向8車道(人行道改為行車道,簡稱“人改車”)才能滿足目前的通行需求。

        2 主橋現(xiàn)狀損傷檢測及分析

        結(jié)合主橋結(jié)構(gòu)特征,主要開展上部承重構(gòu)件(混凝土現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁、吊桿、系桿)、下部構(gòu)造(V墩、交接墩)、橋面及橋梁附屬設(shè)施等的檢測,具體檢測結(jié)果如下:

        2.1 橋面系

        (1)拱肋區(qū)水泥混凝土橋面存在大面積網(wǎng)狀裂縫,裂縫寬約2mm。

        (2)21#墩側(cè)拱腳處橋面瀝青混凝土局部破損致鋼箱梁頂板外露,面積0.09m2;系車輛荷載反復(fù)作用所致,對此處鋼箱梁頂板及U肋影響較為明顯。

        (3)伸縮縫均泥沙堆積、止水帶輕微破損。

        2.2 主梁、吊桿、系桿等主要受力構(gòu)件

        (1)混凝土箱梁各箱室橫隔板頂板和合龍段頂板均存在縱向裂縫,寬度主要集中在0.08~0.25mm,屬于非結(jié)構(gòu)性裂縫,對主要結(jié)構(gòu)受力無影響。

        (2)鋼箱梁中多數(shù)頂板U肋及其焊縫處存在銹蝕現(xiàn)象,系橋面破損致使雨水滲入,箱室內(nèi)長期濕度較大,加之養(yǎng)護(hù)不到位所致。

        2.3 下部結(jié)構(gòu)

        主跨側(cè)V腿與主梁底交接處附近局部銹脹露筋,總面積約為7m2。

        3 主橋現(xiàn)狀靜、動載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)性能分析

        為判斷上述構(gòu)件缺損對主橋現(xiàn)狀承載能力的影響,并為下一步橋梁改造提供技術(shù)依據(jù),將對主橋(特殊結(jié)構(gòu)橋梁)進(jìn)行鑒定性荷載試驗(yàn)。鑒定性試驗(yàn)時,控制荷載采用原設(shè)計(jì)荷載(通常情況下為當(dāng)前的使用荷載)或擬改變通行能力所期望的荷載(目標(biāo)荷載);通過加載或等效加載評定結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足改造要求。

        3.1 試驗(yàn)方案

        3.1.1 靜載試驗(yàn)

        靜載測試內(nèi)容為控制斷面的內(nèi)力增量情況,每個控制斷面的測試包含偏載(左右幅加載車輛均偏向一側(cè))和中載(左右幅加載車輛均于行車道中心)兩種工況??刂茢嗝鎯?yōu)先選擇活載內(nèi)力或活載所致變形較大的截面,本橋控制斷面為鋼箱梁跨中截面、邊跨混凝土箱梁跨中截面、主拱肋頂截面以及跨中附近幾對吊桿。

        依據(jù)改造后的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),活荷載形成的各種工況下的最不利效應(yīng)值,是按下式所定原則進(jìn)行等效換算而分別得到其所加載車輛數(shù)量以及加載車輛輪位布置:

        式中:η為靜力試驗(yàn)荷載效率系數(shù);Ss為試驗(yàn)荷載作用下控制斷面變位或力的計(jì)算值;μ為設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù);S'為改造后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下控制斷面變位或力的計(jì)算值。

        靜載試驗(yàn)中校驗(yàn)系數(shù)?(試驗(yàn)荷載作用下的控制斷面效應(yīng)實(shí)測值與計(jì)算值之比)是評定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁整體剛度和承載能力的一個重要指標(biāo)。

        ?等于1,說明實(shí)測值與計(jì)算值完全相符;

        ?小于1,說明結(jié)構(gòu)工作性能較好,承載能力有一定富裕,有安全儲備;

        ?大于1,說明結(jié)構(gòu)工作性能不理想,應(yīng)判定為承載能力不足或整體剛度不足。

        3.1.2 動載試驗(yàn)

        該項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)主要荷載為車輛活載,當(dāng)車輛以一定速度通過橋梁時,引起結(jié)構(gòu)振動,從而造成結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形比相同靜力荷載作用時要大,這種動力反應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)和車輛這兩個振動系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,進(jìn)行動載試驗(yàn)可對此進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

        動載試驗(yàn)包括以下兩種工況:

        (1)跑車試驗(yàn):在橋面無任何障礙的情況下,用兩輛載重汽車(左右幅各一輛)分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h勻速通過橋梁;

        (2)模態(tài)試驗(yàn):測量橋梁固有振動(自振頻率、振型)。動載試驗(yàn)中橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結(jié)構(gòu)損傷情況,而且還能反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化,可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能,評定橋梁工作狀況。實(shí)測自振頻率fmi與理論計(jì)算fdi的比值按表1規(guī)定定性判別橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度,比值越小損傷程度越大。

        表1 橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)

        3.2 模型建立

        結(jié)構(gòu)理論計(jì)算采用有限元程序MIDAS和ANSYS進(jìn)行分別計(jì)算,MIDAS模型主要用于確定試驗(yàn)加載效率,ANSYS模型用于模擬實(shí)際加載,并提取試驗(yàn)理論數(shù)據(jù),計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

        圖1 主橋MIDAS計(jì)算模型圖

        圖2 主橋ANSYS計(jì)算模型圖

        3.2.1 單元選擇

        MIDAS計(jì)算模型建立如下:

        采用桿系梁、桁架單元,對主橋的各個構(gòu)件以及主梁進(jìn)行模擬。

        ANSYS計(jì)算模型建立要點(diǎn)如下:

        (1)滿足小變形假定,未計(jì)入普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋對截面慣性矩增強(qiáng)的作用,未考慮收縮徐變,未考慮混凝土材料非線性對結(jié)構(gòu)的影響;

        (2)鋼箱梁和混凝土箱梁采用Shell63單元,主拱、穩(wěn)定拱、橫撐、斜撐及V墩采用beam44單元,吊桿、系桿采用Link8單元。

        3.2.2 材料參數(shù)

        模型所使用的其他材料參數(shù)根據(jù)老橋設(shè)計(jì)時的相關(guān)設(shè)定,按規(guī)范取值,具體見表2。

        表2 主要材料參數(shù)

        3.2.3 約束條件

        部分主墩和邊墩則以一般支承方式進(jìn)行模擬,具體見表3。

        表3 約束條件

        表3中:DX為縱橋向平動自動度;DY為橫橋向平動自動度;DZ為豎向平動自動度分別;RX為繞縱橋向轉(zhuǎn)動自由度;RY為橫橋向轉(zhuǎn)動自由度;RZ為豎向轉(zhuǎn)動自由度。0意味著不約束,1意味著約束。

        MIDAS模型中的混凝土箱梁和鋼箱梁之間采用了彈性連接進(jìn)行其牛腿的銜接,ANSYS模型中鋼箱梁與混凝土箱梁交接處采用節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬。

        3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.3.1 鋼箱梁跨中截面

        (1)撓度結(jié)果分析

        偏載時偏載側(cè)撓度較非偏載側(cè)撓度大,而中載時各測點(diǎn)撓度較為均勻;偏載、中載下橫向增大系數(shù)分別為1.72、1.05,說明偏載效應(yīng)較明顯;規(guī)范要求的撓度校驗(yàn)系數(shù)是小于1.0,實(shí)測的在0.74~0.89,滿足要求;殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求,說明鋼箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的損傷未對其整體受力造成明顯影響。

        (2)應(yīng)力結(jié)果分析

        規(guī)范的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0,而實(shí)測的是在0.56~0.94,梁底測點(diǎn)在0.90前后浮動,均滿足規(guī)范要求;規(guī)范要求的殘余應(yīng)力比是小于0.20,實(shí)測值也滿足,這說明鋼箱梁彈性工作狀態(tài)良好,實(shí)橋損傷對其整體受力影響不明顯。

        3.3.2 邊跨混凝土箱梁跨中截面

        (1)撓度結(jié)果分析

        偏載時偏載側(cè)撓度比非偏載側(cè)撓度大,而中載時各測點(diǎn)撓度較為均勻;偏載、中載下橫向增大系數(shù)分別為1.35、1.09,說明偏載效應(yīng)較為明顯;規(guī)范的撓度校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0,而實(shí)測值是0.61~0.83,滿足要求;殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求,說明混凝土箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好,實(shí)橋損傷對其整體受力影響不明顯。

        (2)應(yīng)力結(jié)果分析

        應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.40~0.83之間,滿足規(guī)范小于1.0的要求;殘余應(yīng)力比也滿足規(guī)范小于0.20的要求,說明混凝土箱梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的損傷未對混凝土箱梁整體受力造成明顯影響。

        3.3.3 吊桿結(jié)果分析

        吊桿索力校驗(yàn)系數(shù)在0.76~0.96之間,滿足規(guī)范小于1.0的要求,說明現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的損傷未對吊桿受力造成明顯影響。

        3.3.4 主拱肋結(jié)果分析

        規(guī)范的撓度校驗(yàn)系數(shù)要求是小于1.0,實(shí)測值是0.35~0.92,滿足要求;殘余變形比也滿足規(guī)范小于0.20的要求,說明結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的損傷未對主拱肋受力造成明顯影響。

        3.4 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.4.1 沖擊系數(shù)分析

        沖擊系數(shù)是模擬其橋梁主體結(jié)構(gòu)在無障礙行車情況下的動撓度/動應(yīng)變時程曲線而具體分析和計(jì)算。沖擊系數(shù)計(jì)算見公式(2),實(shí)測結(jié)果見表3。

        式中:fdmax為最大動撓度幅值;fjmax為波形振幅中心軌跡最高峰的值,或是低通濾波取值;fdmax+fdmin為fdmax對應(yīng)的動撓度波谷值;fp-p為撓度動態(tài)分量的峰-峰值。

        表3 主橋改造前各車速跑車、剎車下的實(shí)測沖擊系數(shù)

        在10~50km/h車速范圍內(nèi),主橋的實(shí)測沖擊系數(shù)是在0.031~0.161,與車速成正相關(guān)關(guān)系,其在40km/h以上車速的跑車工況下,中跨的實(shí)測沖擊系數(shù)會稍大于其設(shè)計(jì)值,這可能是因?yàn)槠錁蛎驿佈b不平整,不影響整體結(jié)構(gòu)受力。

        3.4.2 橋梁振動特性分析

        章江大橋的主橋振動頻率實(shí)測值和理論值對比情況見表3。

        表3 主橋改造前振動特性實(shí)測和理論的對比情況

        章江大橋主橋改造前的前四階振動頻率的實(shí)測值和理論值的比值在1.044~1.157內(nèi),都大于1.00,說明章江大橋主橋的實(shí)際剛度與理論要求相吻合。可見,發(fā)現(xiàn)的損傷對主橋整體剛度為輕微,無明顯影響。

        4 結(jié)語

        改造前在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的損傷只對橋梁耐久性有一定影響,但未對結(jié)構(gòu)造成明顯影響,這說明尚存病害對橋梁承載能力無明顯影響,目前承載力滿足當(dāng)前交通需求。試驗(yàn)結(jié)果表明,章江大橋改造前主橋的各構(gòu)件撓度、應(yīng)力和剛度校驗(yàn)系數(shù)都滿足要求,整體承載能力有一定富余,主要受力構(gòu)件受力狀態(tài)良好,這說明模型模擬基本準(zhǔn)確,可用于指導(dǎo)下一步改造分析。

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