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        關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)大件運輸通過性評估方法的思考

        2023-11-28 08:49:48宋恒揚鐘杰彭浪鳴秦健淇
        廣東建材 2023年11期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)

        宋恒揚 鐘杰 彭浪鳴 秦健淇

        (四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司)

        0 引言

        大件運輸通常是指汽車運輸,特別是大型設(shè)備或構(gòu)件的運輸,使用非常規(guī)的車輛來承載超重或超尺寸或形狀特殊的物品。隨著中部崛起、西部大開發(fā)等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施,中西部地區(qū)重點建設(shè)工程項目規(guī)模迅速擴大,工業(yè)設(shè)備大型化、重型化的趨勢日益明顯,特重大件設(shè)備運輸?shù)男枨罅吭絹碓酱?,已出現(xiàn)常態(tài)化的趨勢。

        目前,對于我國大件運輸車輛橋梁評估主要存在以下幾個方面的問題:

        ⑴不同批次的大件運輸車輛,其尺寸、重量和軸荷分布都各不相同,裝載方案千差萬別,難以統(tǒng)一。

        ⑵我國高速公路建設(shè)年代分布較廣,各條高速路線修建年代、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)、橋梁結(jié)構(gòu)形式各不相同。

        ⑶隨著經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展,大件運輸需求量越來越大,件數(shù)呈“爆發(fā)式”增長;對于單獨的每一件,審批單位都需要在審批時限內(nèi)對大量的橋梁進行驗算評估,評估工作量巨大。

        ⑷大件運輸橋梁評估技術(shù)含量高,重要性強,必須做到萬無一失,目前缺少一套安全、科學(xué)、智能、快速的評估方法。

        本文重點對活載效應(yīng)對比法、極限承載力驗算法、荷載試驗驗證法的優(yōu)缺點及使用范圍進行研究,在確保大件運輸過程中結(jié)構(gòu)安全的同時,進一步提高大件運輸車輛通過審批的工作效率。

        1 活載效應(yīng)對比法

        活載效應(yīng)對比法是通過計算橋梁結(jié)構(gòu)各截面在大件運輸車輛荷載作用下的內(nèi)力(彎矩和剪力),同時計算橋梁結(jié)構(gòu)在原設(shè)計汽車活載下,各截面產(chǎn)生的內(nèi)力,將計算內(nèi)力與原設(shè)計內(nèi)力進行比較,如果大件運輸產(chǎn)生的內(nèi)力小于原設(shè)計汽車活載作用下的結(jié)果,則能從橋上安全通過,其計算公式為:

        式中:

        S大件——大件運輸車荷載內(nèi)力;

        S設(shè)計——設(shè)計荷載效應(yīng)值。

        判別標(biāo)準(zhǔn)為:

        當(dāng)μ≤1.0,大件車具備可同行的權(quán)利;

        當(dāng)μ>1.0,大件車喪失通過權(quán)。

        根據(jù)對評估對象不同,還可分為整橋截面的荷載效應(yīng)和基于橫向分布系數(shù)的構(gòu)的活載效應(yīng)比較兩種。在大件運輸車輛通過時,某些橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)定的行駛位置是居中行駛,如果它適用于整個斷面的承載力評估,直接可以對比荷載效應(yīng)。但對于空心板小箱梁等裝配式構(gòu)件,在進行荷載效應(yīng)的計算時,首先需要對車輛通過時的行駛區(qū)域進行設(shè)定,然后再對橫向分布的最大系數(shù)進行計算,而對設(shè)計荷載則要根據(jù)沖擊系數(shù)的確定再綜合判定。對大件運輸車輛的荷載作用,同樣需要考慮設(shè)定行駛區(qū)域,以確定橫向分布系數(shù),并在大件運輸車輛通過時考慮一定的荷載安全系數(shù),從而對大件運輸車輛的荷載作用進行確定。

        2 極限承載能力驗算法

        這種方法判斷大件運輸車輛的通行要求,是利用橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)和原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力進行比較。大件運輸車輛過橋應(yīng)從結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性三個方面進行承載能力驗算。其計算公式如下[7-9]:

        式中:

        γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);

        S——荷載效應(yīng);

        R(·)——抗力效應(yīng)函數(shù);

        fd——材料強度設(shè)計值;

        ad——幾何參數(shù)設(shè)計值。

        根據(jù)檢算系數(shù)計算方法,在橋梁狀況較好或僅存在輕微病害時,最終抗力會提高,考慮到該項目的特殊性和重要性,本次驗算在橋梁不嚴重病害的情況下,不考慮檢算系數(shù),使計算結(jié)果偏保守,對于存在相對嚴重病害的橋梁,嚴格考慮檢算系數(shù)或直接開展荷載試驗進行驗證,以確保萬無一失。

        3 荷載試驗驗證法

        在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,材料參數(shù)取值等均留有一定的安全儲備,若想檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力,應(yīng)通過荷載試驗進一步評定[1]。荷載試驗法不僅可以檢查大型運輸車輛是否可以通行,還可以觀察結(jié)構(gòu)裂縫的情況,對結(jié)構(gòu)的安全儲備情況也可以進行比較準(zhǔn)確的評估。但評估起來比較復(fù)雜,往往需要大量的設(shè)備和儀器,交通中斷的時間也比較短,而且實驗的成本也比較高。

        荷載試驗判別法是指在對橋梁進行現(xiàn)場荷載試驗后,通過理論和實測的比較結(jié)果,確立橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作模型,確定實際承載能力的一種方法。荷載試驗一般由具有相關(guān)資質(zhì)的橋梁檢測部門依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的有關(guān)條款,根據(jù)下面的公式可進行靜載試驗和動載荷試驗,確定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力[2]。

        式中:

        ξ——靜力載荷試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù);

        Se——實測彈性變位或主要測點在試驗載荷作用下的應(yīng)變值;

        Ss——變位或主要測點在試驗載荷作用下的理論計算的應(yīng)變值。

        判別標(biāo)準(zhǔn)為:

        當(dāng)ξ≤1.0時,大件運輸車輛可以安全通行。

        當(dāng)ξ>1.0 時,大件運輸車輛不能安全通行,橋梁承載力達不到要求,需通過時應(yīng)對橋梁進行加固處理。

        動載試驗是用來判定橋梁的動力特性,評定橋梁的抗荷載能力等,是通過汽車在橋上的行駛、制動、跳車試驗等方式進行激振荷載,利用專業(yè)設(shè)備,測量得到橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性,包括頻率、振幅等,并將試驗得到的結(jié)果與橋梁模型理論計算值或規(guī)范中的規(guī)定值進行比較,判斷橋梁的承載能力,通過試驗得到的大橋?qū)嶋H運營狀態(tài)的確定態(tài)[1]。

        結(jié)合靜載試驗、動載試驗結(jié)果,可以綜合評價橋梁承載性能。荷載試驗判別法特點鮮明,能準(zhǔn)確直觀的得到橋梁有關(guān)的信息,結(jié)果可靠,但是荷載試驗法工作量較大,不能代替其他方法,可以作為一種得到橋梁信息的方法或承載能力評定等方法的補充。

        橋梁承載性能可結(jié)合靜載試驗和動載試驗結(jié)果進行綜合評定。荷載試驗判別法具有鮮明的特點,能準(zhǔn)確直觀地得出橋梁相關(guān)信息,其結(jié)果可靠。缺點是工作量較大,不能替代其他方法,但作為其他評估方法的補充。

        4 工程實例

        以夾金山隧道TBM 設(shè)備運輸保障為例,比較三種評估方法的使用條件。該設(shè)備采用二縱列8 軸線液壓平板車運輸,最大單件重量148噸,車貨總重206噸。運輸路線途徑四川境內(nèi)國道G350 和G351,共計小橋15 座、中橋16座、大橋8座。

        4.1 活載效應(yīng)對比

        以G350(中國熊貓大道)中心樁號為K915+780的關(guān)門溝1 號小橋為例,該橋上部結(jié)構(gòu)為整體現(xiàn)澆板,跨徑組合為1×8m 梁板長8m、凈跨6m、梁板高0.5m。未搜集到該橋的竣工圖紙。經(jīng)進一步查證,該橋的設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級(04 標(biāo)準(zhǔn))[3],所以該橋通過活載效應(yīng)對比法進行通過性評估,活載效應(yīng)對比結(jié)果如表1。

        表1 關(guān)門溝1號小橋活載效應(yīng)對比計算結(jié)果

        4.2 極限承載力驗算

        以G350 中心樁號為K880+027 的漁子溪1 號大橋為例,該橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,跨徑組合9×30m。上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土,鋪裝采用8cm混凝土及9cm瀝青鋪裝。采用Midas Civil進行橋梁承載能力驗算。計算模型示意圖見圖1。

        圖1 30mT梁計算模型示意圖

        荷載組合按1.2 恒載+1.1 活載作用進行組合[5-6];結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.1;大件車按沿結(jié)構(gòu)中線行駛進行布載。驗算結(jié)果如表2。

        表2 漁子溪1號橋承載能力驗算結(jié)果

        4.3 荷載試驗

        以漁子溪1 號大橋為例,試驗共計采用5 輛400kN的載重汽車,分三級加載,滿載后持荷至變形穩(wěn)定。采用一級卸載,卸載后繼續(xù)進行觀察至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。各級加載效率系數(shù)如表3所示。

        表3 分級加載試驗效率系數(shù)

        表5 控制截面殘余應(yīng)變

        表6 跨中截面各測點撓度測試結(jié)果

        表7 跨中截面殘余撓度測試結(jié)果

        表8 試驗橋跨橫向增大系數(shù)

        加載工況車輛加載位置通過影響線布載確定,以使工況試驗效率系數(shù)達到規(guī)范要求,如圖2。

        圖2 第3級加載車輛布置圖(單位:cm)

        試驗結(jié)果分析:

        ⑴應(yīng)變測試結(jié)果:實測控制截面應(yīng)變值小于理論計算應(yīng)變值;校驗系數(shù)為0.65~0.77,試驗橋跨梁體強度滿足規(guī)范要求。

        ⑵殘余應(yīng)變:控制截面各測點的相對殘余應(yīng)變均小于20%,結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于良好的彈性工作狀態(tài)。

        ⑶撓度測試:實測控制截面撓度值小于理論計算值,校驗系數(shù)為0.64~0.76,試驗橋跨結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

        ⑷殘余撓度:跨截面各測點的相對殘余撓度小于20%,結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于良好的彈性工作狀態(tài)。

        ⑸撓度橫向增大系數(shù)

        結(jié)構(gòu)荷載分布不均的程度體現(xiàn)在主要測點控制荷載工況下橫向增加系數(shù)ξ上。其數(shù)值越小,表示荷載橫向分布越均勻,橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)的可靠性越高;這一數(shù)值越大,說明荷載橫向分布越不均勻,橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)就越薄弱。

        橫向增大系數(shù)按下式計算:

        式中:

        Semax——實測位移(或應(yīng)變)最大值;

        Sˉ——橫向各測點實測位移(或應(yīng)變)平均值。

        實測橫向增大系數(shù)均與理論橫向增大系數(shù)較吻合,說明結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布均勻,且梁體間橫向聯(lián)系構(gòu)造可靠。

        綜上所述,漁子溪1 號大橋目前的承載能力、結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足TBM大件設(shè)備運輸要求。

        5 方法比較

        通過總結(jié)上述案例工程,得到活載效應(yīng)對比、承載能力驗算、荷載試驗的適用范圍,如表9所示:

        表9 評估方法適用橋梁匯總

        綜合三種方法的優(yōu)點可采取以下流程圖(圖3)進行橋梁通過性評估:

        圖3 評估流程框圖

        6 結(jié)語

        活載效應(yīng)對比法適用于中小跨徑梁橋、圖紙資料缺失的橋梁;極限承載能力驗算法適用于大跨徑梁橋、拱橋、活載效應(yīng)對比不通過的橋梁;荷載試驗驗證法適用于活載效應(yīng)對比不通過且圖紙資料缺失的橋梁、極限承載能力驗算不通過的橋梁、存在一定程度病害無法準(zhǔn)確評判承載力的橋梁;實際工程應(yīng)綜合三種方法的優(yōu)點后進行橋梁通過性評估。

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