大跨径PC连续刚构梁桥荷载试验关键技术之建筑研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-07-12 论文字数:43656字
论文编号: sb2019061409382626770 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,论文以辽宁省内某高速公路大桥为依托工程,论述了桥梁检测对桥梁安全运营的必要性,以及桥梁荷载试验的重要性;对大跨径 PC 连续刚构梁桥的发展做出了简要的介绍
本文是一篇建筑论文,本文主要从工程实例为出发点,阐述了国内外桥梁荷载试验的研究现状,以及荷载试验的目的及其意义;分析归纳了大跨径 PC 连续刚构梁桥的结构特征和力学特性;总结了静载、动载试验的理论和相应的试验方法,并给出了相关的计算方法。采用Midas/Civil 有限元分析软件进行桥梁模拟计算和分析,研究了桥梁的静载、动载试验。根据实际测量值与理论计算值进行比较,确定桥梁结构的使用状态。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
自 1978 年以来,我国在改革开放的基础上,经济不断发展,综合国力不断增强,带领着公路交通事业的飞速建设,桥梁事业得到了显著的发展。许多世界闻名的大桥都被一一建设起来,如南京长江大桥。在桥梁建设上,获得了举世瞩目的成就。当今,在桥梁建设方面,我国已经成为了世界上桥梁建设的领军者,能够走出国门,走向世界。截至 2013 年底,我国共建设超过 73 万座的公路桥梁,全长 3977 万余米,比 2012年年底增加了 2 万余座、315.02 万米。其中,据不完全统计,大约有 3075 座特大型桥梁、全长 546.14 万余米,约有 67677 座大型桥梁、全长 1704.34 万余米[1]。此外,每年在我国开工建设的桥梁数量超过万座,位居世界首位。并且,施工团队能够在建设中保证桥梁的质量问题。让我国桥梁建设事业走出了国门,有诸多国家与我国在桥梁设计、施工方面存在许多联系。但是随着经济的发展,运营车辆荷载的提高,我国长期使用状态下的桥梁也不可避免的出现一些病害。如梁体开裂,墩柱受到侵蚀,桥面板出现沉降等问题。影响梁体结构安全的因素主要有以下几种:梁体长时间受到超载的影响;桥梁设计、施工质量影响,长期在车辆荷载下的损坏,老化和外部环境影响,导致混凝土开裂、桥梁的性能降低,承载能力不足等诸多问题,对桥梁的使用年限及结构的安全具有致命的影响;并且随着交通运输行业的快速发展,部分早期修建的桥梁,其设计荷载对于当今车辆的载重,已经不能满足车辆通行的需要;在桥梁养护方面,缺少对桥梁必须的监测和相对应的养护,从而导致大量的桥梁在各个部位均出现一些不同的毁坏情况,给经济、生命财产造成了巨大的损失。
1997 年 8 月,经过了两年的建设,湖南省湘西凤凰县堤溪沱江大桥在竣工前,桥梁突然发生桥梁垮塌,其中 40 余人在事故中丧生,20 余人受伤,另有多人被压在混凝土碎石下,希望渺茫;2010 年 6 月,吉林省抚松锦江大桥垮塌,桥梁的梁体与行驶在桥梁上的车辆,随着大桥的垮塌,一起落入江中,事故导致少量人员伤亡,直接经济损失较大;2010 年 7 月,河南省洛阳栾川县潭头镇汤营村桥梁,在洪水期间,外力作用的冲击下发生整体垮塌,桥面上行人、车辆全部坠入水中,死亡人数达到50 余人[3];2013 年 2 月,河南省义昌大桥发生坍塌,主因是运输易爆物车辆爆炸,引起 80 米的桥面坍塌,事故造成 10 余人死亡,多辆轿车坠入桥底。每年有如此多的桥梁垮塌事故出现,一方面是由于超载汽车,自然灾害等因素的影响,另一部分是由于桥梁检测人员对在役桥梁的技术状态也可能会存在一定的误判,没有真正掌握桥梁实际荷载能力,从而导致大桥事故发生,造成不必要的经济损失[4]。并且在我国的高速公路桥梁在越发增长的建设情况下,必须对施工质量、桥梁设计水平进行提高,从而能够保证桥梁的质量安全。比起其它基础设施建设相比,桥梁建设不仅成本高、技术难度大,而且具有很大的社会效益和影响。因此,对旧桥和新建设的桥梁进行荷载试验评估是由切实必要的,保证了桥梁的安全运营状态,为了保证桥梁的安全运营的状态,尽可能的增加其安全状态下的使用寿命。通过这种方式,这样桥梁工作者可以了解桥梁的安全状态和剩余承载力,并确保桥梁在其安全范围内平稳运行。同时,桥梁荷载试验还可以为桥梁设计和施工设计提供总结经验[5]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
在 1800 年之前,还未能够研发出直接对公路桥梁荷载试验进行的结构应变数据测量工具。直到 1920 年至 1940 年,才研发了多种类型的应变计,能够对桥梁应变测试具有最直观的数据,桥梁工作者更容易对桥梁状态进行科学评估[6]。桥梁的荷载试验已经发展了百年进程,是伴随着桥梁检测技术的发展而延伸出的一种试验方法,桥梁结构的检测工作,也基本是经历了从无到有的过程,进而得到了快速的进展[7]。例如,1850 年在英国建造的最大箱形连续梁铁路桥(不列颠大桥),最初的设计为带有加劲梁的悬索桥,在施工建设时,对桥梁进行了荷载试验,并且更改了原始的设计图纸。在 1870 年后,德国 K.Kullman、英国 WJM.兰金和 JC.麦克斯韦等人在对结构力学研究,并获得了很大的发展,能够分析桥梁各个构件在外力荷载作用下发生的应力。这加速了连续梁桥的发展,同时也促进了荷载试验的发展[8]。在 1990 年,1993年,1996 年,桥梁管理会议的召开,为桥梁提供了部分的研究报告及论文。
与静力荷载试验相比较,学者们对桥梁的动力荷载试验投入了更多的静力,究其原因是在动载试验下,桥与车辆之间的耦合受力情况非常复杂,包括在车辆的行驶速度、车辆的轴重荷载,以及车辆的载重、桥梁的路面平整等情况下,其自身就是一个单独的振动系统。当这个单一的振动系统作用在桥上时,车辆自身的振动形成了动力效果[12],时变的动载通过与桥面板上行驶的车轮传入到桥上,从而导致桥梁在这种激励下产生振动。当车辆动力荷载作用在桥梁时,它会使桥梁发生挠度变形和应力变化,这种变化比在相同状态下的静力载荷会更大。对结构的疲劳破坏会更加严重,并降低了桥梁的强度和稳定性,影响桥梁的正常运行质量,缩短了桥梁的使用寿命[13]。1844年,英法两国共同对不列颠桥的模型进行试验,由此开始了桥梁在动载作用下的承载力研究。后来,在 1849 年,R. Wiilis 对桥进行了系统的模型试验和实桥面试验,并开始从理论上研究桥梁的冲击影响。随后。桥梁的车辆振动研究具有了飞跃的发展,到 1930 年,车辆振动的近似计算理论已经被建立起来[14-16]。B.H Gilov 假定浮桥为无阻尼的弹性基础梁,并将附加质量作为常数,算入到移动的荷载质量中去,然后进行动力特性分析,求出了在各种特殊条件下,连续体系结构浮桥的封闭解[17]。在现代车辆振动理论研究方面,比格斯和弗莱明分别在 20 世纪 50、60 年代,将车辆假设看作是弹簧支撑的单质量刚体,用计算机计算动力作用下能够得出响应的数值;在实验研究中,瑞士 EMPA 建立的工作体系最具有代表性。在对第一座桥的进行动载试验后,他们又研究了各种桥梁的动力荷载试验。值得一提的是,1958 年至 1981 年,对 356座桥梁进行试验,并获得了很多参考意义的数据,对各个国家的冲击系数值选取,具有很重要的意义[18-19]。在美国,许多桥梁都需要进行加固修缮,为了保证资金能够满足亟需维修的桥,FHW A 拟使用贝叶斯预测技术,将原先对桥梁试验所测得的数据,及其对桥梁状态的评估,对未来混凝土桥梁的衰减进行预测,将新的试验数据录入已有的桥梁管理系统之内。克罗拉多州的一座大桥是这种方法应用的典型例子。
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第 2 章 桥梁荷载试验方法

2.1 大跨径 PC 连续刚构梁桥的特点
大跨径 PC 连续刚构梁桥具有 T 型刚构桥的无支座支撑,施工便利的特点,而且又具有连续梁桥的无伸缩缝,行车平稳行驶等优点,并且桥梁的顺桥向的抗弯刚度,横桥向的抗扭刚度具有明显的提高。它采用高墩柔性来顺应混凝土结构的徐变、收缩和温度变化而引起的结构位移,能够满足特大跨径桥梁跨越,受力的要求;同时,在一定条件下,具有材料使用量少、结构施工简单、维护成本低的优点。连续刚构梁桥的另一个特点是抗震性能好,水平地震力可均匀分布到各个墩,以达到均匀受力的效果;而对连续梁桥结构,有必要设置制动墩,或是使用价格高的特殊抗震支座[29]。
2.1.1 结构特点
连续梁桥和 T 型刚构梁桥的组合即为 PC 连续刚构梁桥,同样的,也可以称之为墩梁固结的连续梁桥。其承担了桥梁的纵向变形能力,主要是利用主墩的柔性[30]。一般适用于大跨径和高墩的结构。桥的纵向刚度相对小,在竖向载荷作用下,属于无推力的一种结构。桥的上部结构有连续梁的一般共性。
PC 连续刚构梁桥的结构特点是[31]:
(1)在主墩构件的连接上,一般至少需要 2 个以上的墩梁固结连接方式,主墩应该具有一定的柔度,使其形成摆动支撑系统,确保结构的稳定性。桥墩厚度远小于T 型刚构墩的厚度,降低了墩和基础的材料使用量,一般在大跨径高墩梁桥结构中被采用;
(2)当采用墩梁固结连接法在悬臂施工上时,可以直接将连续梁在体系中转换,省略了施工的临时固结措施,更有利于施工的方便。并在结构上选取变截面主梁;
(3)上部结构与连续梁桥具有相同的共性,但应考虑弹塑性变形对上部结构内力的影响,包括桥墩的受力,混凝土徐变、收缩、温度变化等因素,发生混凝土变形。桥墩需要具有一定程度的柔度,以减小弯矩,并且在桥墩和梁的结合处具有刚架受载特点;
(4)对边跨的墩梁,通常会被做成铰接或者是支座连接的方式。其目的是为了满足上部结构在荷载下产生的位移需要。并且边跨的墩体高度比中跨墩体都要低,但其结构相对刚度大于中跨墩体刚度。
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2.2 静力荷载试验理论
桥梁静载试验是对结构检测最直接的的一种方法,让静止的外部荷载作用在桥梁设计最不利截面处。在外部荷载的压力下,梁体的应变,挠度和部分裂纹扩展的情况能够直接测试出来,并将在试验情况下的实测值,与有限元分析软件理论计算出的应力数据、挠度数据进行比较。可以评价出在设计静力荷载作用下桥梁的结构状态和使用能力[34]。桥梁静荷载通常指的是车辆载荷或重载荷缓慢地驱动到桥梁的设计重量(例如堆放预制的快件,水泥,铸铁块等)或者通过液压千斤顶的方法,模拟设计荷载下的重量。新建大桥的负荷能力和构件状态的验证,一般采用静载试验的方法,对桥梁设计的计算值进行验算,施工时的施工质量进行安全性评价,确保桥梁能够满足规范下的承载能力。特别地,对于大中型桥梁,都需要进行荷载试验验证,保障结构能在设计荷载的作用下,安全平稳的运行。并根据试验规范,对桥梁质量评价进行等级的分类,为桥梁的竣工验收和安全运营提供了可靠的依据。部分桥梁因地质环境、美观的需要,采取一些新技术,新结构,新材料,新工艺进行桥梁建设。对这些桥梁,必须采取静载试验,从而对采用新型技术施工的桥梁,判断其承载能力,将实际测量值与理论计算值比较,确定结构的安全性能,了解桥梁的实际工作状态,避免因超载和超重汽车对桥梁造成的损伤。对理论计算能够进行复核,从而促进桥梁结构计算理论的发展,并对现有的设计规范,标准进行更新,满足不同时代下,桥梁载重的需要,让桥梁设计者们能够设计出承重能力更好,桥梁结构更稳定的桥梁。
2.2.1 试验测试截面的选取及荷载工况的确定
桥梁静力荷载试验中,如何对截面的选取,是工作中较为重要的一部分。科学选取的测试截面,能够对桥梁结构的承载能力进行客观的评价,并且能缩短试验所需的时间,减少测试工程师不必要的时间损失,提高荷载试验的效率。通常,当选择截面时,当桥梁的结构形式以及各跨径相同时,选择代表性的一孔或多孔测试截面,作为试验孔,并对其进行测量;在具有不同结构形式的多跨桥中,应针对不同的结构孔选择代表性的横截面,对其进行试验测量,保证在不同的结构下,能够全部测出其数据;在桥梁结构形式相同,跨度不同的多孔桥梁情况下,应该对桥跨结构最长的孔,或者多孔进行荷载试验。
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第 3 章 桥梁静力荷载试验...........................17
3.1 静载试验..................................17
3.1.1 工程概况.................................17
3.1.2 控制断面选取...............................18
第 4 章 桥梁动载试验分析..........................55
4.1 动载试验.......................................55
4.1.1 动载试验内容及其目的.................................55
4.1.2 动力试验荷载及其作用方式..............................56
第 5 章 结论与展望..........................................67
5.1 结论................................................67
5.2 展望.....................................67

第 4 章 桥梁动载试验分析

4.1 动载试验
桥梁动力荷载试验的内容包括:1、结构自振特性测试(自振频率、阻尼比);2、桥梁结构的动力响应测试(动应变、动挠度、加速度和冲击系数)[41]。 当车辆在公路桥梁上行驶时,车辆的轴荷载对桥梁产生的作用力,是根据车辆在桥面上随时随地变化的,这就是为桥梁的动力荷载。其会对路面结构产生附加动应变和动压力,长此以往,会对桥梁路面产生破坏。因此,研究桥梁的动荷载,能够对桥梁设计和后期加固维修起到关键作用[42]。
4.1.1 动载试验内容及其目的
桥梁动力荷载试验的方法包括:环境随机激振法、行车激振法和跳车激振法,也可以采用起振机激振法和其他形式的激振法[43-44]。对桥梁进行动力荷载时,确定某一方法需要根据桥梁的结构特点、测试精度、以及测试时是否方便和现场情况进行选择。环境随机激振方法即是当桥面没有任何交通负荷,且桥梁附近没有规则的振源时,仅仅对梁体受到风荷载,地脉动等外部因素的条件下,测定桥梁随机激振引起的轻微振动来识别结构的股友振动特性的参数方法[45]。该方法需要对采集的长采样信号进行能量平均,以消除随机因素的影响,适合大跨度柔性桥梁;行车激振法是将车辆在桥面上驶过,利用其驶离后对桥面引起的桥梁结构余震信号,识别结构的固有振动特性参数。一般上对于小阻尼桥梁的效果比较好。可以采取多次不同的车速情况下,进行多次试验,活着在桥跨测试点设置弓形的障碍物进行激振,从而增强桥梁的信噪比,得到更大的余震信号数据,对其数据收集处理具有更显著的效果;跳车激振法是指使在三角形垫块的支撑下,荷载车辆从垫块上行驶,之后离开垫块,形成对桥梁的冲击作用,使桥梁产生振动。此方法一般适用于不易激振且刚度较高的桥梁,比如石拱桥,小跨梁桥等;起振机激振法是指使用起振机通过可控的定点正弦激励或正弦扫描激励来控制结构产生稳定振动。该方法测试精度高,但依赖较大的起振机设备,在运输上极为不方便。并且在起振机安装的过程中,会对桥面将产生一定的损坏。当需要高精度的识别桥梁结构动力特性时,可以使用该方法[46]。
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第 5 章 结论与展望

5.1 结论
本文主要从工程实例为出发点,阐述了国内外桥梁荷载试验的研究现状,以及荷载试验的目的及其意义;分析归纳了大跨径 PC 连续刚构梁桥的结构特征和力学特性;总结了静载、动载试验的理论和相应的试验方法,并给出了相关的计算方法。采用Midas/Civil 有限元分析软件进行桥梁模拟计算和分析,研究了桥梁的静载、动载试验。根据实际测量值与理论计算值进行比较,确定桥梁结构的使用状态。以动载试验数据为依据,对桥梁的频率、阻尼比、冲击系数进行计算,并与理论值进行对比,得出以下结论:

参考文献(略)

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