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        預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究

        2023-10-20 00:12:44白英勇
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2023年16期
        關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)

        白英勇

        (貴州順康檢測(cè)股份有限公司,貴州 貴陽 550014)

        0 引言

        橋梁試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)確定橋梁結(jié)構(gòu)所處受力狀態(tài),以及荷載作用下的表現(xiàn),都有十分重要的作用與意義,但試驗(yàn)檢測(cè)是一項(xiàng)專業(yè)度很高的工作,一方面要制定合理可行的試驗(yàn)檢測(cè)方案,另一方面要對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行深入分析,這樣才能為橋梁結(jié)構(gòu)性能的綜合分析與評(píng)價(jià)提供可靠的參考依據(jù)。

        1 項(xiàng)目概況

        某橋梁總長(zhǎng)約399.8m,其平面處在一個(gè)半徑為600m、緩長(zhǎng)為80m 的曲線段,縱坡為2.9%。該橋梁包含左右兩幅,橋面寬度相同,均為11.75m,行車道凈寬為10.75m,在兩側(cè)分別設(shè)置墻式護(hù)欄,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底部寬度為0.5m。該橋梁跨徑組合為64m+115m+64m+30m+30m+30m+30m+30m,主橋采用連續(xù)剛構(gòu),跨徑布置為64m+115m+64m,引橋采用連續(xù)槽形梁,跨徑布置為30m+30m+30m+30m+30m。該橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁,截面形式為單箱單室,兩端與中跨跨中處的梁高相同,均為2.5m,墩頂根部梁高為6m,其他截面的高度變化呈二次拋物線形式。該橋梁主橋下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩與鉆孔灌注樁?,F(xiàn)結(jié)合該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)際情況,對(duì)其試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)作如下分析。

        2 分析方法確定

        在靜力計(jì)算過程中主要采用下列兩種方法進(jìn)行分析:第一,借助一維桿系模型通過計(jì)算找到目標(biāo)橋跨上的最不利截面,將其視作檢測(cè)控制截面,并為等效試驗(yàn)荷載找到適宜的分布方式,最后計(jì)算主梁試驗(yàn)截面對(duì)應(yīng)的最大設(shè)計(jì)控制內(nèi)力及等效試驗(yàn)荷載內(nèi)力[1]。第二,根據(jù)橋跨整體空間構(gòu)造,借助三維實(shí)體單元對(duì)等效試驗(yàn)荷載持續(xù)作用下各檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和發(fā)生的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。在動(dòng)力計(jì)算過程中,通過對(duì)實(shí)體構(gòu)建專門的有限元模型,確定自由振動(dòng)特性。

        3 試驗(yàn)檢測(cè)方案

        3.1 試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容

        3.1.1 靜力反應(yīng)測(cè)試

        基于試驗(yàn)荷載的持續(xù)作用,確定目標(biāo)橋跨上的控制孔跨于最不利截面部位的具體反應(yīng),包括橋跨典型部位撓度、梁體是否開裂,并明確裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)和分布規(guī)律、橋跨典型截面位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況、橋梁整體結(jié)構(gòu)彈性及其恢復(fù)特性,即缺陷部位受荷載作用后的變形表現(xiàn)特性[2]。

        3.1.2 動(dòng)力反應(yīng)測(cè)試

        第一,單車勻速直線從目標(biāo)橋跨上通過,按照30km/h 和50km/h 兩種速度從橋跨上勻速通過,對(duì)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時(shí)程曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與記錄。第二,使勻速行駛的車輛在預(yù)先指定的位置,從高度為10cm 的跳車板上越過,對(duì)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時(shí)程曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與記錄。第三,使保持在勻速行駛狀態(tài)的車輛在預(yù)先指定的位置制動(dòng),對(duì)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移之間的時(shí)程曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與記錄[3]。

        3.2 截面與測(cè)點(diǎn)布置

        借助有限元程序,計(jì)算試驗(yàn)檢測(cè)開始前,橋梁結(jié)構(gòu)在活載持續(xù)作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形情況,找出最大內(nèi)力所在的截面及最大變形位置。根據(jù)以上試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容及試驗(yàn)檢測(cè)的基本任務(wù)要求,綜合考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造的主要特點(diǎn)及各項(xiàng)理論計(jì)算成果后,進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置,具體測(cè)點(diǎn)布置形式如圖1 所示。在圖1中,Y 表示靜應(yīng)力測(cè)點(diǎn),DY 表示動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn),W 表示靜位移測(cè)點(diǎn),DW 表示動(dòng)位移測(cè)點(diǎn),YH 表示應(yīng)變花,ZD 表示振動(dòng)特性測(cè)點(diǎn)。

        圖1 各截面的測(cè)點(diǎn)布置形式

        3.3 試驗(yàn)荷載確定

        3.3.1 靜載試驗(yàn)

        試驗(yàn)時(shí)采用的車輛,其理論總重量確定為400kN,遵循設(shè)計(jì)與試驗(yàn)兩種荷載對(duì)控制截面施加的作用會(huì)產(chǎn)生等效內(nèi)力及變形反應(yīng)的基本原則,確定具體加載工況。通過對(duì)不同加載工況下的荷載效應(yīng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到相應(yīng)結(jié)果,結(jié)果在1~1.04 范圍內(nèi),符合相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的要求[4]。

        3.3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

        動(dòng)載試驗(yàn)的試驗(yàn)荷載實(shí)際上就是試驗(yàn)所用車輛的重量。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)資料,在動(dòng)載試驗(yàn)過程中,將效率系數(shù)確定為1 為宜。然而,由于在單車試驗(yàn)條件下很難使效率系數(shù)達(dá)到1,而在多車試驗(yàn)條件下相鄰兩臺(tái)試驗(yàn)車輛之間的距離很難控制,所以為了使行車速度達(dá)到要求,在動(dòng)載試驗(yàn)過程中使用的試驗(yàn)車輛的重量不可過大。同時(shí),為確保試驗(yàn)過程中能使目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的激振反應(yīng),在動(dòng)載試驗(yàn)過程中使用的試驗(yàn)車輛的重量也不可太小。綜合考慮目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)各方面的特點(diǎn),最終將動(dòng)載試驗(yàn)所用試驗(yàn)車輛的重量確定為400kN。

        3.4 靜載試驗(yàn)工況

        根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果可知,不同截面主梁產(chǎn)生的最大反應(yīng)與荷載布置方式相對(duì)應(yīng),按照試驗(yàn)荷載等效原則,同時(shí)為提高現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)效率,最終決定針對(duì)不同加載工況,分別實(shí)施靜載試驗(yàn)。

        4 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果及分析

        4.1 靜載試驗(yàn)

        4.1.1 結(jié)構(gòu)撓度

        基于試驗(yàn)荷載的持續(xù)作用,目標(biāo)橋梁不同工況下的實(shí)測(cè)最大撓度及其理論值與相應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)如表1所示,根據(jù)表1 數(shù)據(jù)結(jié)果可知:

        表1 目標(biāo)橋梁不同工況下的實(shí)測(cè)最大撓度及其理論值與相應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)(單位:mm)

        第一,每個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的位移都和結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的變形保持的定性趨勢(shì)保持一致,即所有測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的位移都在預(yù)期之內(nèi),無異常位移[5]。第二,AA 截面在工況5 下產(chǎn)生的變形屬于最不利,其最大撓度值為21.44mm;B-B 截面在工況2 下產(chǎn)生的變形屬于最不利,其最大撓度值為7.06mm,但實(shí)測(cè)撓度值和橋跨比值都處在相關(guān)技術(shù)規(guī)范提出的允許限度之內(nèi),即不超過1/600L。第三,在不同工況下,位移校驗(yàn)系數(shù)在0.73~0.95 的范圍內(nèi)變化,其平均值經(jīng)計(jì)算等于0.82。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)資料,該目標(biāo)橋梁的撓度檢驗(yàn)系數(shù)通常需保持在0.7~1 范圍內(nèi),這說明該橋梁受檢橋跨的實(shí)測(cè)撓度結(jié)果符合相應(yīng)的變形規(guī)律[6]。

        通過對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果和理論分析值之間的對(duì)比可知,該目標(biāo)橋梁受檢橋跨在試驗(yàn)荷載作用下產(chǎn)生的變形性能基本正常,主梁上不同截面位置產(chǎn)生的變形均比相應(yīng)的理論計(jì)算值小,說明主梁結(jié)構(gòu)剛度與相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)提出的要求相符,整體結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能。

        4.1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變

        目標(biāo)橋梁不同檢測(cè)截面在不同工況下的應(yīng)力/應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2 結(jié)果可知,實(shí)測(cè)應(yīng)力/應(yīng)變主要存在以下特征:第一,各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果都能反映出當(dāng)前加載工況下受檢橋跨結(jié)構(gòu)受力具有的分布趨勢(shì),不同測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力量值可綜合反映出此檢測(cè)截面在荷載作用下的彎矩情況。第二,基于對(duì)稱荷載的持續(xù)作用,各對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變從總體上看有良好的對(duì)稱性。第三,目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果遵循的分布趨勢(shì)和理論計(jì)算結(jié)果基本一致,即一致性良好[7]。

        表2 目標(biāo)橋梁不同檢測(cè)截面在不同工況下的應(yīng)力/應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果(單位:MPa)

        根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)資料可知,該目標(biāo)橋梁正常情況下的應(yīng)力檢驗(yàn)系數(shù)通常需保持在0.6~0.9 范圍內(nèi)。從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在上述范圍內(nèi),經(jīng)計(jì)算,相應(yīng)的平均值等于0.77,比推薦范圍的上限值小??梢?,目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,受荷載作用后表現(xiàn)出的應(yīng)力無異常,完全適應(yīng)設(shè)計(jì)荷載提出的承載力等性能要求。

        4.1.3 彈性恢復(fù)特性

        卸除試驗(yàn)荷載后,繼續(xù)對(duì)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的位移與應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集,根據(jù)卸載完成后的實(shí)測(cè)位移和應(yīng)力可知,主梁因試驗(yàn)荷載作用產(chǎn)生的位移可以很快恢復(fù),相比之下應(yīng)力恢復(fù)速度較慢。相較于一般受彎構(gòu)件對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果,目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)速度處于正常范疇,基于正常條件下的設(shè)計(jì)荷載作用,受檢橋跨結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)性能可以達(dá)到要求[8]。

        4.2 動(dòng)載試驗(yàn)

        為確定目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性能否達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求,根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行空間三維建模,以此對(duì)受檢橋跨結(jié)構(gòu)振型及基本振動(dòng)頻率進(jìn)行計(jì)算,具體結(jié)果如表3 所示。

        表3 部分工況下截面應(yīng)力

        目標(biāo)橋梁通過動(dòng)載試驗(yàn)主要解決以下兩方面問題:第一,對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試,在測(cè)試過程中對(duì)激勵(lì)信號(hào)影響下受檢結(jié)構(gòu)不同測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的脈動(dòng)波形與余振波形進(jìn)行記錄,以此確定受檢結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性,包括振型、頻率與阻尼。第二,為受檢結(jié)構(gòu)施加與實(shí)際使用狀態(tài)基本相同的動(dòng)載荷,即模擬實(shí)際使用狀態(tài),然后在記錄的同時(shí)深入分析受檢結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)變形,并確定相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù),最終得出橋梁結(jié)構(gòu)受動(dòng)荷載持續(xù)作用后表現(xiàn)出的振動(dòng)特性,即強(qiáng)迫振動(dòng)特性。

        在受檢橋跨結(jié)構(gòu)跨中處安裝傳感器,對(duì)受檢橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)行車條件下表現(xiàn)出的振動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。通過深入分析目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)余振時(shí)程曲線和各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移與強(qiáng)迫振動(dòng)對(duì)應(yīng)的時(shí)程曲線,可得出以下結(jié)果:第一,受檢橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻的實(shí)測(cè)結(jié)果為0.49Hz,比相應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果略大;第二,受檢橋跨結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果為0.079,比普通鋼筋混凝土橋梁對(duì)應(yīng)的阻尼值略大;第三,受檢橋跨結(jié)構(gòu)荷載沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果為邊跨1、中跨1.091,均比相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的取值略大[9]。

        根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,受檢橋跨結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力剛度比相應(yīng)的理論設(shè)計(jì)值略大,但受檢橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)和阻尼系數(shù)也都相對(duì)較大,因此總體來看,目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能合格。

        5 結(jié)論

        經(jīng)以上橋梁試驗(yàn)檢測(cè)實(shí)例分析,可得出下列結(jié)論:第一,該目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與撓度實(shí)測(cè)結(jié)果都和相關(guān)理論成果基本相符,不存在太大的相對(duì)差異??傮w來看,實(shí)測(cè)值比相應(yīng)的理論值小,說明目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度比相應(yīng)的理論值略大。第二,該目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的工作狀況良好,在受到設(shè)計(jì)確定的最不利活載持續(xù)作用后,受檢結(jié)構(gòu)依然處在良好的彈性狀態(tài)。第三,該目標(biāo)橋梁受檢橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)自振特性和相應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果良好吻合,頻率的實(shí)測(cè)結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果略高,說明受檢橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能良好。第四,受檢橋跨結(jié)構(gòu)受動(dòng)載作用后表現(xiàn)出的沖擊系數(shù)相對(duì)較大,這可能對(duì)橋梁的正常使用造成一定程度的不利影響。

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