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橋梁荷載試驗

2021-11-24

橋梁荷載試驗

1 引言

荷載試驗Z基本的目的是了解橋梁結構的實際工作狀態,檢驗橋梁結構整體的施工質量與受力性能,對橋梁結構的正常使用性能、強度、剛度、裂縫等各項指標做出全面的評價,并對橋梁結構的實際承載能力做出科學的評估,為橋梁交(竣)工驗收提供重要的科學依據以及為橋梁的管養維護提供合理的建議。


進入“十三五”后國家更加注重橋梁的管理與養護,并且關于公路橋梁荷載試驗方面的規范——《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)已于2016年4月1日正式實施。同時,關于城市橋梁荷載試驗方面的規范——《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233-2015)也于2016年5月1日正式施行。


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2 關于計算分析

橋梁結構的有限元建模根據計算分析的目的不同,建模的策略也不盡相同,得到的有限元模型也有較大差別。橋梁在設計階段建立的有限元模型相對實際結構而言簡化較多且參數均是按照規范取值,計算分析的結果也偏保守,而橋梁在進行荷載試驗時結構已是成橋狀態,并且在結構自重與二期鋪裝等恒載作用下結構已經承受了很大的內力,故建模時須考慮結構初始單元內力的影響。此外,對于纜索承重體系橋梁來說,實際成橋索力值一般并不完全是設計值,故建模時應以實際成橋狀態為基準;對于中小跨徑橋梁來說,由于橋面鋪裝(尤其是現澆調平層)等二期恒載對實際結構的剛度有一定的貢獻,對于二期恒載的剛度貢獻在橋梁設計階段是不建議考慮的,而荷載試驗的有限元建模如果不加以考慮會造成理論計算結果“失真”,從而導致對結構承載能力的評價“誤判”。

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大跨度橋梁結構的有限元建模根據計算分析的目的不同,建模的策略也不盡相同,得到的模型也有較大差別。以橋梁設計為目的的有限元分析只需建立比較簡單的有限元模型,采用規范規定的物理參數和其他假定的參數,只要確保計算分析的結果趨于保守、偏于安全即可;以施工控制為目的的有限元模型建立,更加注重施工過程的模擬,通常會采用盡可能真實的參數(施工現場實際材料通過實測獲得)用于計算,以反映施工的實際情況;而以荷載試驗分析為目的的有限元模型建立,由于此時的橋梁結構已是成橋狀態,在結構自重與二期鋪裝等恒載作用下,結構就已經承受了很大的內力,有限元模型的建立需予以考慮并正確模擬(尤其是對于大跨度纜索體系橋梁需考慮初始單元內力的影響),同時應在此基礎上再進行設計活載效應分析。

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對于大跨度斜拉橋來說,恒載占了橋梁總荷載的絕大部分,斜拉橋成橋后恒載主要由斜拉索的初拉力承受,這決定了恒載對斜拉橋剛度有重要影響。此時橋梁在恒載和索力共同作用下處于平衡狀態,平衡狀態的位置稱為初始平衡構型。就斜拉橋有限元模型而言,斜拉橋有限元模型的初始平衡構型決定著模型的初始內力狀態,顯然這個初始平衡位置是對斜拉橋進行其它一切計算(如活載計算、動力計算等)的初始位置。初始平衡構型指的是成橋狀態時結構的構型,然而由于施工和設計不可避免地存在一些偏差,導致有限元模型的理論平衡構型與實際成橋狀態的平衡構型存在差異,這個差異可以通過索力調整來模擬。索力調整實質上屬于優化問題,優化的目標就是初始平衡構型,優化的過程就是設計成橋索力不斷向實際成橋索力靠攏。由于索力很大程度上決定了橋面線形,當索力靠近實測索力時,有限元計算的橋面線形已接近實測線形。而斜拉索相當于斜拉橋主梁的彈性支撐,斜拉橋橋面系的剛度相對于斜拉索而言是很小的,即有限元模型中橋面系的剛度對初始平衡構型時的索力影響是很小的,因此在索力優化后,通過適當調整橋面系質量參數,使橋面線形更加逼近實測線形。


3 這還真是個技術活

橋梁現場荷載試驗是一項復雜的、系統的工程,有效組織與合理安排是保證試驗順利進行的關鍵。試驗組織者不僅應熟悉荷載試驗流程,同時還應具備相關專業知識及組織協調能力,對試驗的各個環節精心安排,認真做好各項應對措施,確保試驗順利實施并達到預期目的。荷載試驗一般可分為試驗準備、現場實施和試驗結果分析等三個階段。


橋梁荷載試驗的對象是橋梁這種大型土木工程結構,其造價高昂、社會影響大,試驗方案與實施過程必須遵循科學、嚴謹、安全的原則,對試驗方案應反復推敲,對試驗過程應做到實時監測、及時反饋,發現問題及時處理,必要時終止加載。在國內曾發生過荷載試驗過程中橋梁突然垮塌的事故。

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因此,試驗前應做好所有參加人員的組織與協調工作,根據試驗規模及工作需要,合理組織安排人員,做到分工明確、溝通快捷。為保障橋梁結構的安全,在試驗過程中應嚴格執行分級加載,按照既定的加載測讀原則與相應終止條件進行加載。


4 拋磚引玉

荷載效率系數ηq是表征試驗荷載與設計荷載作用下結構的力學響應的關系。然而,目前荷載效率系數的取值能夠依據的規范共有:《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》(YC4-4/1978)(主要針對新橋交(竣)工驗收的荷載試驗,0.8≤ηq≤1.05)、《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)(主要針對既有橋梁的荷載試驗,0.95≤ηq≤1.05)、《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01-2015)(對于驗收性荷載試驗,0.85≤ηq≤1.05;對于鑒定性荷載試驗,0.95≤ηq≤1.05)以及?《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233-2015)(ηq取值同上)。上述4種《規范》主要是針對當時中小跨徑橋梁荷載試驗來制定的,因為對于跨徑較小的橋梁來說,荷載效率系數ηq取值較大是保證試驗準確性的必要措施。當橋梁跨徑較小時,若荷載效率系數ηq取較小值,試驗所測的試驗數據(應變、撓度等)均較小,受試驗誤差影響也就越明顯。但是,近年來隨著橋梁設計理論、材料強度及施工工藝的不斷提高,橋梁的跨徑也在不斷增大。對于大跨徑橋梁來說,采用針對中小跨徑橋梁規定的荷載效率系數的取值范圍是不恰當的,有時也是難以實現的,特別是大跨徑斜拉橋、懸索橋結構的荷載試驗,某些控制截面的荷載效率很難達到0.95以上,甚至0.85以上,如宜昌大橋成橋荷載試驗時,主纜索力的荷載效率系數取值僅為0.4左右,而若要使其達到《規范》要求的荷載效率,所需加載車數量非常之多,如珠江黃埔大橋主纜纜力的荷載試驗工況所用加載車達到120輛。


此外,上述4種《規范》中對于不同的荷載試驗目的,荷載效率取值范圍是不相同的,不難看出,《規范》關于新建橋梁的ηq取值較既有橋梁而言偏低。但是,對于新建橋梁來說,橋梁結構基本沒有損傷,為了更全面地評估橋梁的實際受力性能以及更加深入地了解新穎橋梁結構(采用新結構、新材料、新技術、新工藝等修建的橋梁)的受力特點(材料性能、力學響應、設計計算理論與力學模式等),需要更高的荷載效率以更加接近橋梁的設計荷載;對于既有橋梁而言,橋梁結構在運營過程中已經存在諸多損傷(如結構性裂縫、混凝土剝落、鋼筋銹脹、火災、地震等),若采用較高的荷載效率ηq,將會存在一定的安全隱患(如給結構帶來新的損傷、結構原有病害發展更快更大,甚至橋梁垮塌等)。


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