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      某鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋的仿真分析和靜力荷載試驗(yàn)研究

      2020-09-08 01:32:12王佳佳姜維強(qiáng)
      黑龍江交通科技 2020年8期
      關(guān)鍵詞:拱圈索力吊桿

      王佳佳,姜維強(qiáng)

      (1.四川正路建設(shè)工程檢測(cè)咨詢有限公司,四川 成都 610000;2.中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司,西安 710100)

      1 理論分析

      1.1 工程背景

      該橋梁為一跨98.109 m下承式鋼箱拱橋,全橋共1聯(lián),鋼箱梁橋面總長(zhǎng)為106.08 m,橋?qū)挒?7.8~56.116 m,跨中處橋梁斷面寬度:2×(3 m人行道+4-5.658 m鏤空區(qū)+6.5 m人行道+10.5 m車(chē)行道+1.9 m中分帶)。橋全橋設(shè)3片拱圈,左右對(duì)稱布置,中拱圈位于鉛垂平面內(nèi),邊拱圈整體向內(nèi)傾斜25°??缰性O(shè)橫撐連接中拱圈和邊拱圈,吊桿與拱圈共面。拱圈采用變截面鋼箱形式,拱軸線跨徑為100 m,在其平面內(nèi)矢高26.5 m,矢跨比為1/3.77。拱軸線采用二次拋物線,方程為y=0.010 6*x2,拱圈斷面為矩形。

      主梁為鋼箱結(jié)構(gòu),箱粱中線處高度為1.7 m。斷面為單箱七室形式,中腹板鉛垂,邊腹板斜置。全橋共設(shè)22根外吊桿和22根中吊桿,其中邊拱圈采用單吊桿形式,中拱圈采用雙吊桿形式。拱座采用鋼筋混凝土實(shí)體拱座接承臺(tái)基礎(chǔ)。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí),人群:2.4 KN/m2。

      1.2 結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

      依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙,利用Midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行仿真分析,模型中主拱圈、縱向鋼梁及橫向鋼梁均采用空間梁?jiǎn)卧?,吊桿采用桁架單元,全橋共建立梁?jiǎn)卧?90個(gè),桁架單元33個(gè),節(jié)點(diǎn)202個(gè)。橋梁有限元模型建立過(guò)程中的邊界條件設(shè)置如下:

      (1)外部邊界:因拱圈與拱座剛接,因此主拱圈拱腳位置采用一般支撐約束拱腳節(jié)點(diǎn)六個(gè)方向的自由度;鋼箱梁在橋臺(tái)處設(shè)置三個(gè)橫向支座,根據(jù)支座型號(hào)及尺寸計(jì)算出六個(gè)方向的約束剛度,在Midas Civil中采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬支座剛度。

      (2)內(nèi)部邊界:中吊桿與鋼箱梁連接為其提供彈性支撐,直接承受橋面荷載;外吊桿與外挑梁內(nèi)緣連接,主要承受人行道荷載,吊桿在其上端通過(guò)吊耳與拱圈相連,下端通過(guò)吊耳與外挑梁相連,因吊桿剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拱圈和主梁,故吊桿與鋼箱梁及拱圈之間采用共節(jié)點(diǎn)方式模擬。因外挑工字鋼梁與主梁之間剛接,且剛度遠(yuǎn)小于鋼梁剛度,故主梁與外挑梁之間采用軟件中剛性連接模擬,主梁節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn),外挑梁為從屬節(jié)點(diǎn)。中拱圈和邊拱圈之間在跨中和L/4處設(shè)置三道橫撐,因橫撐剛度相對(duì)較小,橫撐與拱圈之間采用釋放梁端約束方式模擬。

      2 工程試驗(yàn)

      2.1 試驗(yàn)控制斷面選取

      根據(jù)下承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選擇拱圈、主梁及吊桿的試驗(yàn)截面設(shè)置情況如下。

      對(duì)于中肋和邊肋在拱頂截面設(shè)置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn),拱腳截面設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn);中肋拱腳附近截面A-A、拱頂截面C-C及L/4截面B-B;邊肋拱腳附近截面D-D、拱頂截面F-F及L/4截面C-C。對(duì)于鋼梁截面取最大正彎矩截面,此截面位于邊吊桿與支座之間梁段跨中位置;主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置截面I-I。

      對(duì)于吊桿索力測(cè)試截面取中吊桿D1′-1、D1′-2及邊吊桿YD1為最大索力測(cè)試截面。

      2.2 靜載實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

      靜載試驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)控制截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、撓度及索力,可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下理論值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系。根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),測(cè)試的主要內(nèi)容為邊拱和中拱拱頂最大彎矩,L/4截面最大彎矩,拱腳截面附近最大彎矩,鋼主梁截面的最大彎矩及吊桿索力,拱肋、拱頂與L/4處撓度。根據(jù)測(cè)試內(nèi)容選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備如下:應(yīng)力測(cè)試采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x,撓度測(cè)點(diǎn)采用精密全站儀,索力測(cè)試采用頻率法。拱肋截面頂緣和底緣各設(shè)置三個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),主梁截面下緣設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn),拱頂截面及L/4處設(shè)置撓度測(cè)點(diǎn),通過(guò)在拱圈側(cè)面貼反光膜片采用精密全站儀測(cè)梁拱圈撓度。測(cè)點(diǎn)布置如圖1~圖3所示。

      圖1 拱肋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)

      圖2 鋼主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)

      圖3 撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

      2.3 試驗(yàn)荷載及荷載試驗(yàn)效率

      (1)試驗(yàn)荷載

      本次試驗(yàn)按照公路-I級(jí)汽車(chē)荷載進(jìn)行加載,利用Midas Civil Designer荷載試驗(yàn)分析模塊,確定試驗(yàn)荷載,試驗(yàn)采用配重汽車(chē)荷載進(jìn)行加載,依據(jù)計(jì)算結(jié)果共采用10梁試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行加載,試驗(yàn)車(chē)的車(chē)型、軸距和輪距圖4所示。

      表1 加載車(chē)輛規(guī)格表

      圖4 汽車(chē)軸距布置示意圖(cm)

      (2)試驗(yàn)加載效率

      靜載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁在車(chē)輛荷載(等效設(shè)計(jì)荷載)作用下,橋梁的變形及主要構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)建議,對(duì)于竣工驗(yàn)收荷載試驗(yàn),靜力荷載試驗(yàn)的效率系數(shù)應(yīng)滿足0.85≤ηq≤1.05。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的靜載試驗(yàn)荷載效率的要求及各測(cè)試斷面的設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力值,采用靜力荷載試驗(yàn)效率ηq進(jìn)行控制。

      式中:SS—靜載試驗(yàn)荷載作用下,某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值;S—控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力。靜力荷載試驗(yàn)各工況控制斷面的設(shè)計(jì)內(nèi)力值及加載效率見(jiàn)表2。

      表2 試驗(yàn)內(nèi)力及加載效率 KN*m/KN

      3 靜力荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

      3.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

      各工況控制點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論值、相對(duì)殘余變形對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征,選取典型斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,取中肋拱頂和拱腳截面應(yīng)變沿肋高方向的應(yīng)力變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

      表3 各工況下應(yīng)變分析表

      圖5 中肋拱頂截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值

      圖6 中肋拱腳截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值`

      由表2各工況下實(shí)測(cè)應(yīng)變和理論應(yīng)變值,可知結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.80-0.98之間,殘余比在4%~17%之間,滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.75~1.0范圍內(nèi)要求,殘余比在20%以內(nèi),說(shuō)明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備,彈性工作狀態(tài)良好。由圖7和圖8可知,主拱圈沿肋高方向?qū)崪y(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值吻合性較好,說(shuō)明計(jì)算模型建立的邊界條件和構(gòu)件之間連接的模擬合理;沿拱肋寬度方向的應(yīng)變?yōu)橹虚g小兩側(cè)大,表明箱梁的剪力滯效應(yīng)明顯。

      3.2 撓度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

      各工況控制點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值、理論值、相對(duì)殘余變形對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征,選取中拱肋和邊拱肋在L/4、L/2及3L/4斷面處的撓度分布規(guī)律進(jìn)行分析,分析結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8,左中右三個(gè)測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)L/4、L/2及3L/4處撓度。

      圖8 邊肋撓度實(shí)測(cè)值(mm)

      圖7 中肋撓度實(shí)測(cè)值(mm)

      表4 各工況下?lián)隙确治霰?/p>

      由表4各工況下實(shí)測(cè)撓度和理論撓度,可知撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.81~0.93之間,殘余比在7%~10%之間,滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-2015)中撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.75~1.0范圍內(nèi)要求,殘余比在20%以內(nèi),說(shuō)明結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備,且彈性工作狀況良好。由圖7和圖8可知,試驗(yàn)荷載作用下順橋向?qū)崪y(cè)撓度值與理論撓度值吻合且拱肋變形規(guī)律一致,表明計(jì)算模型建立的邊界條件和構(gòu)件之間連接的模擬合理。

      3.3 索力數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析

      索力通過(guò)測(cè)試空載狀態(tài)下的索力和試驗(yàn)荷載下的索力,對(duì)吊桿的受力進(jìn)行分析。索力測(cè)試溫度與主梁合攏時(shí)溫度保持一致,索力的實(shí)測(cè)值與理論值見(jiàn)表5。

      表5 吊桿索力理論值與實(shí)測(cè)值結(jié)果

      由表5中各工況下實(shí)測(cè)撓度和理論撓度,可知吊桿索力校驗(yàn)系數(shù)在0.76~0.99之間,說(shuō)明吊桿安全儲(chǔ)備較大。在對(duì)稱荷載作用下,中肋下兩根吊桿實(shí)測(cè)索力增量數(shù)值在1.8%之間,說(shuō)明兩根吊桿受力均勻。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      (1)通過(guò)理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,有限元仿真模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,表明有限元模型橫向聯(lián)系和邊界條件模擬合理,可以為相似工程建模分析提供參考。

      (2)該橋在各靜載工況下,應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和撓度檢驗(yàn)系數(shù)均在正常范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍內(nèi),殘余變形小于允許值。

      (3)通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)該橋的承載能力進(jìn)行總體考察,為橋梁交工驗(yàn)收和正常運(yùn)行提供了技術(shù)依據(jù)。

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