基于荷载试验的装配式桥梁梁


     题目: 基于荷载试验的装配式桥梁梁 格模型研究 摘要 现阶段中国以前建造的许多桥梁进入管养期,越来越多的桥梁面临着安全隐患,如何加强桥梁的养护与管理,对其运营信息进行实时跟踪审查,对桥梁的安全运营是一个巨大的挑战,由于我国特大跨径桥梁已经建立了桥梁健康监测系统,为其安全运营提供了保障。而对于为数众多的中小型桥梁,则可以对其建立桥梁基准有限元模型作为反映桥梁技术状况和承载能力的档案。 由于装配式预应力混凝土空心板梁桥在我国中小型桥梁中运用广泛,在对比某城镇干线公路配套桥梁(装配式预应力混凝土空心板梁桥)静动载实验测试数据的基础上,利用Midas Civil 2018建立桥梁有限元模型,对装配式预应力混凝土梁式桥梁格模型的纵梁结点缝刚度,桥面板刚度和护栏形式等因素的影响进行对比分析。 计算得到刚结与铰结模型的跨中扰度及应变数据,与实测数据进行对比,考虑三种类型的桥面板和三种类型的护栏形式,综合比较得出结果制成折线图。 最终得到桥梁基准有限元模型,其跨中扰度及应变已最大成大接近实测值,且可为其他桥梁的有限元模型建立提供参考。 关键词:荷载试验;装配式桥梁;梁格模型;有限元模型;分析 Abstract Many Bridges previously built in China are now in custody, more and more Bridges facing safe hidden trouble, how to strengthen the bridge maintenance and management, the real.time operating information review, the safety of the operation of the bridge is a huge challenge, due to the large span Bridges in our country have established a bridge health monitoring system, has provided the safeguard for the safe operation.For a large number of small and medium.sized Bridges, the reference finite element model of the bridge can be established as a file reflecting the technical status and bearing capacity of the bridge. Prefabricated prestressed concrete slabs was a bridge in our country, widely used in the small and medium.sized Bridges, a supporting urban trunk road Bridges in contrast (prefabricated prestressed concrete slabs bridge), on the basis of static and dynamic load test data, using Midas Civil 2018 bridge finite element model is established, the prefabricated prestressed concrete beam bridge girder node joint stiffness of lattice model, bridge panel stiffness and fence form were analyzed. The influence of such factors as The mid.span disturbance and strain data of the rigid.junction and hinged model were calculated and compared with the measured data. Considering the three types of bridge panels and three types of guardrail forms, the polyline diagram was made based on the comprehensive comparison of the results. Finally, the reference finite element model of the bridge is obtained, and its mid.span winding and strain have reached the maximum value close to the measured value, which can provide a reference for the establishment of other finite element models of the bridge. Key words:load test;Fabricated bridge;Lattice model;Finite element model;Analysis 目录 1 绪论 1 1.1 文献综述 1 1.1.1 桥梁荷载试验概况 1 1.1.2 装配式桥梁结构分析方法概述 2 1.1.3 梁格模型研究现状 3 1.2 研究的目的及意义 4 1.3 研究方法 4 2 荷载试验 4 2.1 荷载试验的任务及内容 4 2.1.1 荷载试验的任务 5 2.1.2 荷载试验的内容 5 2.2 桥梁荷载试验的原则 5 2.2.1 静载试验原则 5 2.2.2 动载试验原则 5 2.3 荷载试验项目 6 2.3.1 静载试验项目 6 2.3.2 动载试验项目 6 2.4 实验数据处理 6 2.5 注意事项 7 3 某试验桥梁概况 8 3.1 静载试验方案 9 3.1.1 静载试验测试截面 10 3.1.2 静载试验测点布置 10 3.2 试验荷载和加载方案 10 3.3 实验数据 11 4 有限元梁格模型影响因素分析 12 4.1 有限元梁格模型 12 4.2 纵梁接缝刚度影响 13 4.3 桥面板刚度影响 14 4.4 护栏刚度的影响 18 4.5 基准有限元模型 21 5 结论 23 参考文献 24 致谢 25 1 绪论 1.1 文献综述 1.1.1 桥梁荷载试验概况 随着我国综合国力的增强,经济发展迅猛,交通发展也日新月异,其中桥梁行业更是迅猛发展,国内桥梁建设数量达到历史高峰,但是桥梁数量的增加引发的一些问题也接踵而至,桥梁损伤,达不到预定的承载能力等。如何让桥梁在役期间完成其预期的任务,对桥梁的承载能力状况进行实时监控和建档成为了首要问题。 我国《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21.2011)[1]依据桥梁各个构件的受损程度利用分层综合分析评估的方法对桥梁技术状况给出的等级评价并不能直结点反应桥梁的实际承载能力,《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21.2011)[2]规定了使用荷载试验方法检测评定桥梁承载能力等级,而《公路桥涵养护规范》(JTG H11.2004)[3]中,荷载试验并没有被列为定期检测项目,桥梁的承载能力缺乏硬性规定的定期检测和桥梁承载能力相关的档案。 近年来,国内桥梁频频发生各种安全事故引起了国人的广泛关注,这也为我们桥梁学习从业者敲响了警钟,桥梁安全在社会范围引起的问题和讨论使我们必须重视桥梁的养护与管理,做好桥梁的技术状况及承载能力的检测和评定,建立桥梁档案,对每座桥梁的使用情况进行跟踪记录,保证桥梁的安全运营。 上世纪五十年代,许多桥梁工作者将研究的重点转向如何检测桥梁结构的各种病害,如何养护和加固运营中的桥梁、如何检测和评估桥梁运营安全状况成为了后来一些发达国家发展桥梁行业的新目标,并且经过长期不断的探索取得了重大成果,使得这些国家成为桥梁建设的龙头国家。上世纪九十年代,桥梁结构承载力评价与安全性鉴定等方面研究的提出吸引了很多国家的注意,越来越多的国家愿意对现役或者在建的桥梁进行荷载试验,并在内召开了国际会议,正式确定了相关规程。 桥梁荷载试验的出现和发展,在判定结构承载能力和安全性等方面发挥了重要的作用。静载试验的方法在经过近十年的研究之后,如今已经是一种十分成熟的技术,跨中挠度,支点沉降,跨中截面应变等都是静载试验的测试项目。利用“等效内力”原则,按照试验构件来制定加载方案。动荷载试验主要是为了检测桥梁在受迫振动下的动力特征,具体分两大类:一是利用不同速度的车辆测定其对结构的振动激励,获得各振动参数,像冲击系数等;二是测试结构在一些环境因素的激励下产生的振动信息,以得到自振频率和振型等。桥梁的动力特性可以反映桥梁在日常运营中在车辆荷载作用下的实际受力情况,有很强的实用价值,用来评定结构的日常安全稳定性,另外与理论值相结合能更全面的进行结构分析计算。总的来说,试验的主要思想就是利用行驶车辆和其他相关仪器使结构振动,然后测试和记录并分析所得到的信号,从而得到结构的动力特性。 1.1.2 装配式桥梁结构分析方法概述 由于我国中小型桥梁中,桥应用广泛,本文即采用某预应力空心作为研究目标,对于此类装配式桥梁最重要的分析方法即为有限元分析法。 有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)是指利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和荷载工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素,即单元,就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。主旨思想及用较简单的问题代替复杂问题后再求解。常见的有限元分析模型有三种:单梁模型、梁格模型和实体模型。其优缺点见表1.1。 表1.1 常见的有限元模型优缺点及应用性 优点缺点应用性 单梁模型 分析时最便利 模型精度能够满足常规的设计要求 有比较广泛的工程应用 实体模型 与实际模型最接近,计算精度高 建模困难,费时较多,输出的应力结果不能直接用于强度的计算 实际工程使用较少 梁格模型 较好的反映结构的空间效应,可求得各主梁的内力,便于验算 需要计算者手工准备结构的几何参数,工作量稍大 常用作单梁模型的校核 其中梁格法的主要思路,就是利用一个等效的平面梁格或者空间构架来模拟桥梁的上部结构。将实际结构中空心板或者箱梁的每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最接近的等效梁格内,实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内,而横向刚度则集中于横向梁格构件内。当模型的建立与实际情况无限接近时,通过准确输入实际桥梁结构的加载情况,模型与实际的跨中扰度及应变都将无限接近,精准模型的每一部分梁格都能准确反映原桥结构该部分的受力情况,因此单元网格的划分也要与原桥接近,特性参数要准确设置,外荷载的模拟要与实际荷载一致,约束条件要合理。其中至关重要的是对结构桥面板横向连接进行准确模拟,它决定了梁格法模拟分析计算的准确性,但虚拟横梁刚度的取值、截面形状的选取、间距等均没有统一的方法。 1.1.3 梁格模型研究现状 随着桥梁的跨度与宽度越做越大,很多大跨桥梁如斜拉桥的宽度达到三四十米,此时的桥梁结构受力情况仅仅用单梁模型进行分析会存在较大误差。而如果是利用空间有限元的实体单元或者板壳单元进行分析则是耗时耗力,梁格法作为一种易于理解、方便实用的方法越来越得到广泛应用。 梁格法最初由莱特福(Liqhtfoot)和邵科(Sawko)共同提出,然后由汉勃利进行总结并进行改进推广。梁格法理论已经有很多学者进行过详细的介绍归纳,发展至今已经非常完善。 在国内外诸多研究中,研究者已经意识到装配式桥梁梁格模型与实际荷载试验之间有诸多的冲突,并且对此类模型进行了大量研究。近十几年以来,一门整合了多门学科的综合性学科,模态分析法慢慢发展起来,并且在许多领域得到了广泛的应用,尤其是近些年,土木结构的状态检测方面也越来越多的应用到模态分析法。 据统计,截止2017年底,我国已经超过80万座,高铁桥梁累积长度超过一万公里,其中公路桥梁绝大部分为中小跨境桥梁,这些桥梁投入使用时间从几年到几十年不等,庞大的现役桥梁数量,再加上每年大量投入使用的桥梁,使我国桥梁检测及养护工作变得尤为艰巨且异常重要。据不完全统计,我国平均每年产生8座“夺命桥”,具有安全隐患的桥更是数不胜数,在这种大环境下更加需要对桥梁进行定期监测和建档管理。 对于特大跨径的桥梁,我国近年来推广发展的桥梁健康监测系统实现了桥梁运营状况的实时监控,但是仅仅利用桥梁结构健康监测信息不能达到桥梁结构安全评估目标,为此需要建立桥梁的基准有限元模型,于是作为反映桥梁承载能力核心技术之一——桥梁的基准有限元模型,如今正在被广泛的探讨,对特大跨境桥梁进行桥梁的基准有限元模型的建立方法也在如火如荼的研究之中。 针对我国桥梁种类,中小型桥梁占到了大多数,桥梁健康监测系统并未覆盖到我国大多数的桥梁上,对于中小型桥梁的技术状况的监测,安全等级的评定就显得捉襟见肘,因此完全可以对此类桥梁建立基准有限元模型,作为反映桥梁技术状况,承载能力的档案。在我国农村和城镇,桥梁监测信息少之又少,而桥梁又恰恰是人们生活中不可获取的一环,各种中小型桥梁由于缺乏检修造成的后果不堪设想,有些桥梁外貌完好,但是基础已经被掏空,无法达到它应有的承载能力,在桥梁检测过程中,也没有更好的方法确定桥梁的技术等级,每个桥都进行荷载试验也显得不太现实。利用梁格法简单有效的建立基准模型是我国解决目前桥梁安全问题的重要手段。 1.2 研究的目的及意义 通过对某城市公路干线桥梁(装配式预应力混凝土空心板桥)荷载试验的数据分析,验证文中所述纵梁接缝刚度、桥面板刚度及护栏刚度对桥梁有限元梁格模型的影响。本文基于该荷载试验的具体试验方法与结果数据,利用梁格法建立桥梁有限元模型对该桥进行数据计算,分别讨论纵梁接缝刚度、桥面板刚度及护栏刚度对模型计算带来的影响,将所得数据分别与实测值进行对比研究,最终确定三种不同影响因素分别对桥梁有限元模型有何影响,对该桥的受力情况进 行准确评价,得到与实际最为符合的桥梁基准有限元模型,为其他相似桥梁建立有限元梁格模型和荷载试验的分析阶段的结构分析提供参考。 1.3 研究方法 本文的主要研究思路是利用Midas Civil建立该桥梁的梁格模型并进行模拟分析,与已经取得的荷载试验数据进行对比,讨论纵梁接缝刚度、桥面板刚度及护栏刚度三个因素对桥梁梁格模型的影响,并分析三种因素在建立模型时对整个模型的具体影响,为以后建立桥梁梁格模型提供参考。 (1) Midas Civil建立桥梁模型采用梁格法建立,桥梁的主体结构由一根根纵梁构成,纵梁之间设置有横向连接。在模拟时利用纵梁单元来模拟桥梁的左右边梁及中梁,利用Auto Cad按照桥梁截面图来绘制左右边梁及中梁截面,在Midas Civil中利用截面计算器导入。横向连接截面采用中腹板连接,纵梁接缝刚度通过调节中腹板的刚度来达成,桥面板厚度通过调整纵梁截面的高度来达成,护栏截面形式则通过更改左右边梁的截面形式来达成。对该桥的边界条件的模拟采用一般简支梁,弹性支座和弹性连接。 (2) 对于荷载试验工况在模型上的应用,采用中载工况的加载形式,与实际加载位置保持一致,运行之后计算得到的跨中扰度及应变的值与实际进行对比。 (3) 通过对比不同纵梁接缝刚度时的梁的跨中扰度及应变、对比控制纵梁接缝形式时不同桥面板厚度的桥跨中绕度及应变、对比控制纵梁接缝形式时不同护栏类型的桥跨中绕度及应变,分析结果数据并最终得出结论。 2 荷载试验 2.1 荷载试验的任务及内容 荷载试验利用设备和车辆对桥梁进行加载,模拟桥梁的受力情况,并用各种感应器对桥梁的跨中绕度及应变进行测量,其目的是得到与桥梁日常工作时类似的数据,掌握桥梁承载能力及安全性的第一手资料。对桥梁内部一些无法直观看到或者检测到的病害,荷载试验能够帮助我们分析,从而对整个桥梁结构的安全性及受力状况得到完整的结论。另外,荷载试验能够帮助我们准确掌握桥梁服役的状况,高效的制定加固的方案;还可以对施工质量进行评定,适用范围广,且十分实用。 2.1.1 荷载试验的任务 (1)确定桥梁的受力情况能否满足日常行车及安全要求; (2)分析导致桥梁损伤的因素及其变化特征; (3)对桥梁结构内在质量进行评定。 桥梁的荷载试验需要考虑众多因素,因此十分繁杂,对计算和整体布局有较高的精度要求,且技术水平高,应该在认真分析实际情况之后再对整体进行荷载试验的设计,理论分析和数据计算在很多时候也十分重要。 2.1.2 荷载试验的内容 (1)初步制定实验方案; (2)相关仪器的调配及测点的布设; (3)在保证安全的大前提下,严格试验加载的整体流程; (4)对所测得的数据进行整体分析,并据此客观评价结构性能; (5)撰写荷载试验报告。 2.2 桥梁荷载试验的原则 2.2.1 静载试验原则 (1)的试验原则是控制截面的控制内力或变位等效,采用静力荷载试验η控制,计算公式按公式2.1所示; η=(式2.1) 式中:η---静力荷载试验效率。η应介于0.80~1.00之间,对于η应介于0.95~1.05之间。 --试验荷载作用下,控制界面的变形或内力的计算值。 S- -设计活载或控制荷载作用下,控制界面变形或内力的计算值。 μ--冲击系数。 (2) 试验加载必须分级,一般分为3~5级,卸载1~2级; (3) 静载试验控制弯矩为桥梁在设计荷载作用下产生的最大弯矩。 2.2.2 动载试验原则 桥梁结构的固有振动特性是频率、阻尼比。通过对桥梁实施动载试验,测量桥的固有频率、阻尼比等,了解桥梁结构自身的动力特性、抵抗受迫振动的能力,对桥梁结构的实际工作状态做出评定,为使用阶段结构评估累积原始数据。 2.3 荷载试验项目 2.3.1 静载试验项目 为检验桥梁的承载能力能否满足设计、运营要求,根据主要试验目的,确定静载试验项目如下: (1) 在试验荷载作用下,各控制截面的最大应变; (2) 在试验荷载作用下,各控制截面的最大扰度; (3) 在试验前后混凝土裂缝开展情况。 由静载试验项目可知,静载试验的关键在于控制界面的选择。对于预应力混凝土空心板桥跨中截面即为控制截面。 2.3.2 动载试验项目 动载试验主要是测量在动载作用下,桥梁的受迫振动频率、自振特性等动力参数,评价结构的工作状态。 2.4 实验数据处理 (1)修正支点沉降影响 当支点沉降量较大时,修正其对挠度值的影响,修正量C可按下式计算: (式2.2) 式中:C—测点的支点沉降影响修正量; —A支点到B支点的距离;—挠度测点到A支点的距离; —A支点沉降量;—B支点沉降量。 (2)变位与应变的计算 静载试验各测点实测变位(挠度、位移、沉降)与应变的计算按下式进行。 ①总变位(或总应变):(式2.3) ②弹性变位(或弹性应变):(式2.4) ③(式2.5) 其中:—加载前测值; —加载达到稳定时测值; —卸载后达到稳定时测值。 (3)校验系数 主要测点的校验系数按下式计算: (式2.6) 式中:; 。 2.5 注意事项 (1)按试验方案中应变和位移测点布置方案进行放样。对应变测点位置进行打磨、找平处理后,粘贴电阻应变片并焊接导线。在此期间即时量测应变片与导线的连通性及其相应电阻值的大小,以保证连接于同一扫描单元的应变片的电阻值相差在0.5欧姆以内。对于个别测点位置较潮湿,先用电吹风烘干然后贴片。 (2)正式加载前,对结构初始状态进行详细调查,以便进行试验前后状态对比分析。 (3)试验前对加载车都进行过磅称重,记录下车的实际轴重、总重、轮间距和轴间距。最终的挠度和应力分析计算中的车辆荷载都按实际的轴距、轮距和轴重取值,并计算实际的加载效率,其满足1.05≥ηq≥0.8的要求。 (4)正式加载前,取最大试验荷载的一半进行预加载,以消除结构的初始塑性变形,使其进入弹性工作状态。 (5)采用油漆标记出加载位置及加载等级,以便加载车辆准确就位。 (6)为减少温度变化对测试结果的影响,加载时间选在温度较为稳定的时间进行,并采取良好的温度补偿措施。 (7)加载过程中将随时观测控制点的位移、应变及结构开裂状况,一旦发现下列情况应立即终止加载: a控制点的位移、应力超过检算控制值或规范规定值时; b超过规范允许缝宽的裂缝大量增多,对结构使用寿命造成明显影响时; c墩台位移超过允许值,且不能稳定时; d发生其它损坏,影响结构承载能力和正常使用时。 (8)为了保证结构安全,加载时宜进行分级加载,根据情况可分为2~4级加载,实测数据出现异常时,应随时停止加载。 (9)每种工况进行两次测试,以便进行比较分析。 (10)每种工况测试结构主要控制测点的残余变形,当相对残余变形大于20%时查明原因。如确系桥梁强度不够,酌情降低桥梁的承载能力。 3 某试验桥梁概况 某跨径为20m的装配式预应力混凝土空心板梁桥,原左半幅上部结构为3.17m钢筋混凝土空心板(桥宽5.5m),右半幅为双曲拱(桥宽7.5m)。考虑现有交通需求,将右半幅双曲拱拆除,新建3.17m钢筋混凝土空心板(桥宽8.5m),简支结构桥面连续。新建部分横向八片空心板,新老桥梁主梁横向不联结,老桥桥面凿除50cm宽与新桥面一起浇筑,桥面横向连续。 全桥主梁共13片,边板宽1.25m,中板宽1.0m,板高为1.0m。新桥全桥宽:0.25米(栏杆)+1.25米(人行道)+11米(行车道)+1.25米(人行道)+0.25米(栏杆),共14m。设计荷载为城.B级,桥梁结构示意图见图3.1,中梁及边梁断面见图3.2,图3.3。 图3.1桥梁断面(单位:cm) 图3.2中梁断面(单位:cm)图3.3边梁断面(单位:cm) 本次荷载试验主要目的是为了检验桥梁结构施工质量,检测就够的承载能力能否满足设计的需求,为竣工验收提供依据同时,为桥梁日后的养护管理提供技术依据。 试验主要依据的规范及规程见参考文献。 用到的仪器设备见表3.1。 表3.1 主要仪器设备表 仪器名称 型号 用途 量程 精度 静态应变测试系统 DH3816 静态数据采集 / 1με 电阻应变片 BX120.80AA 应变测量 / / 振弦读数仪 BGK.408 应变数据采集 / 1 振弦式应变计 BGK.2000 应变测量 ±3000με 1με 信号测试采集/分析系统 DH5922 数据采集 / / 加速度传感器 DH610 测试速度振动信号 0.6m/s 1.0E.8 m/s 模态采集/分析软件 DHMA 数据分析 / / 位移计 WBD.50型 挠度测量 50mm 0.01mm 屏蔽导线 四芯 数据传输 / / 数码相机 SONY 影像记录 / / Midas软件 V7.8.0 分析计算 / / 3.1 静载试验方案 桥梁静载试验主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力,用以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符。它是检验桥梁结构实际工作性能,如结构的强度、刚度等的最直结点和最有效的手段及方法。 3.1.1 静载试验测试截面 根据该桥结构布置型式及其受力特点,选定该桥中跨进行静载试验和动载试验。 3.1.2 静载试验测点布置 为了测试试验荷载作用下的应力(应变)状况,在1、3、5、7号板梁跨中截面粘贴应变片,测试各截面应变。具体粘贴位置如图3.4。为了测量在试验荷载作用下的变形情况,在1、3、5、7号板梁跨中截面和两端支点截面安装位移计,测试各梁挠度变形。具体安装位置如图3.5。 图3.4应变测点布置 图3.5扰度测点布置 3.2 试验荷载和加载方案 本次试验荷载根据设计标准活荷载(城市-B级)产生的控制截面内力、位移等最不利效应值进行等效换算而得。经过计算确定,本次试验共需要3辆总重为300kN的两轴载重汽车。实际加载车辆情况见表3.2,静载试验一共分为两种工况:工况一:跨中截面最大正弯矩中载工况;工况二:跨中截面最大正弯矩偏载工况。两种工况车辆横向布置见图3.6,图3.7,车辆的纵向布置如图3.8。 表3.2 实际车辆加载情况 车号 重量(kN) 轴距 湘F91910 306.2 轴距3.85米 鄂L53387 304.5 鄂L53332 300.0 图3.6中载工况车辆横向布置 图3.7偏载工况车辆横向布置 图3.8车辆纵向布置 3.3 实验数据 最终得到的试验测得满载时的1、3、5、7号梁跨中截面扰度及截面底板纵向应变如表3.3,表3.4。 表3.3 跨中截面各测点应变一览表(单位:με,拉应变为正,压应变为负) 工况 测点 第1级 第2级 第3级 卸载 中载 L1 6.00 15.00 28.00 0.00 L3 7.00 17.00 32.00 1.00 L5 10.00 22.00 36.00 1.00 L7 12.00 25.00 39.00 1.00 表3.4 跨中截面各扰度测点实测值(单位:mm) 工况 梁编号 第1级 第2级 第3级 卸载 中载 L1 0.228 0.671 1.195 0.021 L3 0.350 0.755 1.240 0.035 L5 0.485 0.935 1.385 0.014 L7 0.565 0.995 1.450 0.027 4 有限元梁格模型影响因素分析 4.1 有限元梁格模型 利用Midas Civil建立桥梁梁格模型,纵梁分别按边梁和中梁截面建立梁单元,每1m划分一个单元,纵梁间以虚拟横梁进行连接,取纵梁的划分区段长1m为截面宽度,取空心板上下板的距离为截面高度,按对应位置组成虚拟横梁截面。边界条件按简支梁处理,约束各纵梁端节点,按试验车位加载。没有考虑桥面板及护栏的桥梁模型图如图4.1所示,中载工况加载图见图4.2。 图4.1 Midas Civil 建立的桥梁梁格模型 图4.2 中载工况加载图 4.2 纵梁接缝刚度影响 纵梁间的连结点形式,直结点影响了横向力的分布形式,因此这里讨论纵梁结缝刚度对整个模型的影响,分别找出其扰度及应变的影响,本文举出了刚结点和铰结点两种结缝形式,在Midas Civil软件中,本文的横向连接形式是中腹板,此处在“释放梁端约束”中更改,将横向单元间隔打断,设置打断后的两两横向单元之间的刚度。 在不考虑桥面板及护栏等因素的影响下,在中载工况下两种有限元模型计算的扰度及应变的数据见表4.1~表4.2,变化规律如下图4.3~图4.4所示。由于中载和偏载得到的结论一样,这里就只讨论中载时候的结点缝刚度对扰度的影响。 4.1 中载工况下纵梁接缝刚度对应扰度表(单位:mm) 刚结 铰结 实测值 1 -4.615 -4.503 -1.195 3 -5.216 -5.464 -1.240 5 -5.623 -5.936 -1.385 7 -5.998 -5.703 -1.450 图4.3中载工况下纵梁结缝刚度对扰度的影响(单位:mm) 表4.2 中载工况下纵梁接缝刚度对应应变表(单位:με) 刚结 铰结 实测值 1 69 61 28 3 81 76 32 5 88 82 36 7 89 88 39 图4.4中载工况下纵梁结缝刚度对应变的影响(单位:με) 由扰度及应变的对比可知:由于纵梁刚结点比铰结点的横向刚度更大,所以刚结点比铰结点计算出来的扰度及应变的分布更加均匀,且刚结情况下,扰度呈整体上升趋势,从中载工况下纵梁结点缝刚度对扰度的影响来看,在加载处,铰结点有明显的下扰,其对应梁的应变也更大。加载情况对于刚结点的扰度影响较小,且刚结点时各梁的应变要大于铰结点时各梁的应变大于实测值。因此,在不考虑桥面板及护栏的影响时,两种纵梁结点缝情况所计算的扰度与应变均比实测值要大,表明仅考虑桥梁主体部分,桥梁刚度与实际完全不符,且远小于实际情况。 4.3 桥面板刚度影响 由于单纯考虑桥梁主体对加载时桥梁扰度及应变的影响得出的结论并不符合实际,于是考虑桥面板刚度对桥梁扰度及应变的影响,为参考不同厚度桥面板对桥梁扰度及应变的影响,本文选择了2cm、4cm、6cm三种不同厚度的桥面板进行分析比较,本文通过在梁截面设置中更改T1的数据,原来截面的T1值都为10cm,在考虑桥面板厚度对整体模型影响时,分别将左右边梁及中梁的 T1数值更改为12cm、14cm、16cm。 在考虑桥面板刚度对模型的影响时,仅考虑接缝刚度,不考虑护栏的对模型的影响,刚结模型桥梁跨中扰度及应变在三种不同厚度的桥面板情况下的数据见表4.3、表4.4,与实际测量值的比较如图4.5、图4.6所示,铰结模型桥梁跨中扰度及应变在三种不同厚度的桥面板情况下与实测值的数据见表4.5、表4.6,比较如图4.7、图4.8所示。 表4.3 刚结模型桥面板厚度对应跨中扰度表(单位:mm) 2cm 4cm 6cm 无桥面板 实测值 1 -3.112 -2.448 -1.508 -4.615 -1.195 3 -3.643 -2.936 -2.183 -5.216 -1.240 5 -4.108 -3.328 -2.508 -5.623 -1.385 7 -4.449 -3.681 -2.884 -5.998 -1.450 图4.5刚结模型桥面板对扰度的影响(单位:mm) 表4.4 刚结模型桥面板厚度对应应变表(单位:με) 2cm 4cm 6cm 无桥面板 实测值 1 51 36 28 69 28 3 62 49 39 81 32 5 69 55 44 88 36 7 70 56 45 89 39 图4.6刚结模型桥面板厚度对应变的影响(单位:με) 表4.5 铰结模型桥面板厚度对应跨中绕度表(单位:mm) 2cm 4cm 6cm 无桥面板 实测值 1 -3.005 -2.505 -2.005 -4.503 -1.195 3 -3.823 -3.323 -2.823 -5.464 -1.240 5 -4.412 -3.912 -3.412 -5.936 -1.385 7 -4.198 -3.698 -3.198 -5.703 -1.450 图4.7铰结模型桥面板厚度对扰度的影响(单位:mm) 表4.6 铰结模型桥面板厚度对应应变表(单位:με) 2cm 4cm 6cm 无桥面板 实测值 1 39 46 52 61 28 3 40 50 60 76 32 5 46 57 68 82 36 7 51 61 72 88 39 图4.8 铰结模型桥面厚度对应变的影响(单位:με) 从上述四个图表中的数据对比可以看出来,随着桥面板厚度的增加,无论刚结模型还是铰结模型,其曲线都逐渐接近实测值,且变化趋势基本上呈现等比增加,说明桥面板在桥梁有限元模型中,为横向连接提供刚度更大的连接。 在刚结模型桥面板厚度对扰度的影响中可以看到,当桥面板厚度为6cm时,在板7处的扰度已经与实测值达到了吻合,但是在1、3、5号板上依旧还是有较大差距,考虑到边板未设置护栏,于是推测后续的护栏加入会使刚结模型的扰度变化更加趋于完备;在刚结模型桥面板厚度对应变的影响中可以看到,当桥面板厚度为6cm时,应变曲线已经基本上与实际测量得到的数据曲线重合。 在铰结模型桥面板厚度对扰度的影响中可以看出,在桥面板逐渐变厚的过程中,虽然曲线于实测值曲线逐渐靠近,但是仍有较大差距,铰结模型与刚结模型之间的扰度与应变的差距也在不断缩小,于是得出结论:桥面板对桥梁模型的影响是增加横向连结刚度。 4.4 护栏刚度的影响 考虑护栏类型对桥整体的影响时,本文采用一定长宽的矩形截面对桥的护栏进行近似,带栏杆的梁格模型如图4.9所示。为考虑不同刚度桥梁栏杆参与受力时,桥梁跨中扰度及应变的变化规律,采用0.2m*1.2m、0.1m*1.2m、0.1m*0.6m三种不同形式的栏杆与不考虑栏杆时的情况进行分析比较,栏杆的形式采用更改边梁截面形式达成,先利用Auto Cad绘制带护栏的左右边梁截面图,此处需要绘制三幅图,再利用Midas Civil中的截面计算器导入截面。 在考虑护栏对跨中绕度及应变的影响时,不考虑桥面板对全桥模型的影响。刚结模型护栏类型对跨中绕度及应变的数据见表4.7、表4.8,影响分析图见图4.10和图4.11,铰结模型护栏类型对跨中绕度及应变的数据见表4.9、表4.10,影响见图4.12和图4.13。 图4.9 带栏杆的梁格模型实体 表4.7 刚结模型护栏类型对应跨中绕度表(单位:mm) 0.1m*0.6m 0.1m*1.2m 0.2m*1.2m 无栏杆 实测值 1 -4.115 -3.008 -2.024 -4.615 -1.195 3 -4.781 -4.166 -3.321 -5.216 -1.240 5 -5.408 -5.101 -4.591 -5.623 -1.385 7 -5.873 -5.738 -5.224 -5.998 -1.450 图4.10 刚结模型护栏类型对跨中绕度的影响(单位:mm) 表4.8 刚结模型护栏类型对应应变表(单位:με) 0.1m*0.6m 0.1m*1.2m 0.2m*1.2m 无栏杆 实测值 1 61 41 31 69 28 3 79 63 56 81 32 5 87 75 71 88 36 7 88 84 79 89 39 图4.11 钢结构模型护栏类型对应变的影响(单位:με) 表4.9 铰结模型护栏类型对应跨中扰度表(单位:mm) 0.1m*0.6m 0.1m*1.2m 0.2m*1.2m 无栏杆 实测值 1 -4.013 -3.136 -1.958 -4.503 -1.195 3 -5.135 -4.208 -3.418 -5.464 -1.240 5 -5.878 -5.331 -4.968 -5.936 -1.385 7 -5.698 -5.451 -5.102 -5.703 -1.450 图4.12 铰结模型护栏类型对跨中绕度的影响(单位:mm) 表4.10 铰结模型护栏类型对应应变表(单位:με) 0.1m*0.6m 0.1m*1.2m 0.2m*1.2m 无栏杆 实测值 1 58 47 36 61 28 3 75 69 61 76 32 5 80 78 74 82 36 7 84 82 80 88 39 图4.13 铰结模型护栏类型对应变的影响(单位:με) 从结果对比的分析可知:在不考虑桥面板厚度对梁格模型跨中绕度及应变的影响时,随着护栏的加高,加宽,跨中绕度及应变逐渐接近实测值。且桥梁的护栏可以显著提高边梁的刚度,减小边梁的跨中绕度及应变。由这四幅图可以看出,一号梁的刚度由明显的提升,且梁号越远离边梁,刚度越小,说明护栏对桥梁梁格模型的影响是提高了边梁的刚度。铰结模型和刚结模型的图像仍有较大区别,铰结模型的跨中绕度在加载处,仍有明显的下扰。对于跨中绕度来说,护栏截面积的增加,使得跨中绕度不断减小,但是减小的幅度随着梁号的增加不断减小,对于跨中应变来说,护栏截面积的增加,使得跨中应变也不断减小,见效的幅度也随着梁号的增加而不断减少。于是得到结论:护栏的截面积越大,能够提供的刚度越大,可以分担边梁所受的内力。 4.5 基准有限元模型 在上述纵梁接缝类型,桥面板厚度及护栏截面积大小提供的数据分析的情况下,选择刚结模型,5cm厚桥面板及0.25m*1.2m护栏界面,得到计算跨中扰度及应变的值与实测值见表4.11~表4.12,比较如图4.14~图4.15所示。 表4.11 基准有限元与实测值对应跨中绕度表 基准有限元 实测值 1 -0.75 -1.195 3 -1.30 -1.240 5 -1.65 -1.385 7 -1.80 -1.450 图4.14 基准有限元与实测扰度对比(单位:mm) 表4.12 基准有限元与实测值对应应变表(单位:με) 基准有限元 实测值 1 26 28 3 31 32 5 35 36 7 40 39 图4.15 基准有限元与实测应变对比(单位:με) 由上图对比可知,桥面板厚度为5cm,护栏采用0.25m*1.2m的截面,纵缝采用刚结的桥梁有限元模型能够很好地适应该桥的实际情况,即作为桥梁基准有限元模型使用。 5 结论 本文通过对某装配式预应力空心板梁桥建立桥梁梁格模型,与其荷载试验结果进行对比,考虑了纵缝刚度,桥面板刚度及护栏刚度对桥梁模型的影响,分析得到了最切合实际的桥梁梁格模型,得到的主要结论有: (1) 刚结模型横向刚度比铰结模型横向刚度大,刚结模型的跨中绕度计算结果分布较均匀,铰结模型的跨中绕度在加载处有明显下扰;刚结模型的应变与铰结模型的应变分布较类似。 (2) 随着桥面板厚度的增加,跨中绕度及应变的理论值逐渐接近实测值,在达到实际混凝土路面板厚度时最为接近,说明桥面板在模型的建立中确实起到了很明显的作用,桥面板为全桥提供纵梁接缝刚度,减小了刚结与铰结之间结果的差别,使整体结果与实际更加靠近。 (3) 随着护栏横截面积的增大,边梁刚度得到显著提升,边梁跨中绕度减小,中间各梁的跨中绕度也略微减小,但护栏形式的改变明显对中间各梁的影响较小。铰结模型依然在加载处有明显下扰,随着桥梁护栏截面积的增大,边梁的应变也有显著减小。即护栏对全桥边梁的刚度有较大的提升,且该影响对中间各梁的刚度影响逐渐减小。 (4) 全桥采用刚结模型更加接近实测值,因为刚结模型比铰结模型横向刚度更大,更加接近实际;加上合适的桥面板及护栏,几乎可以模拟出完整的实际情况,即为最后的桥梁基准元模型,该模型在跨中绕度的变化趋势上与实际值保持了一直,但是在边梁应变上要明显小于实测值,分析可能是由于护栏刚度过大导致,而在中梁上的扰度又明显大于实测值;该基准元模型在应变上能够较好的切合实际。 参考文献 [1]《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21.2011). [2]《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21.2011). [3] 《公路桥涵养护规范》(JTG H11.2004). [4]《城市桥梁设计准则》(CJJ 11-93). [5]《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ 77-98). [6]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62 - 2004). [7]《公路圬工桥涵设计通用规范》(JTG D61 - 2005). [8]《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 - 2004). [9]彭细荣.装配式梁桥梁格模型影响因素分析[J].公路,2013,(09),69~74. [10]张稳,梁格法在多室宽箱梁桥中的研究与应用[D].武汉理工大学硕士学位论文.2014.16~24. [11]王子成,基于荷载试验的桥梁技术状态评估研究[D].华南大学硕士学位论文.2016.18~33. [12]岳玉萍,基于荷载试验的某简支空心板桥有限元模拟分析[D].内蒙古科技大学硕士学位论文.2014.8~15. [13]韩小宇.异形变宽箱梁桥基于梁格法若干问题研究[D].西安:长安大学,2013.18~22. [14]聂建国,张晓光,樊建生等.钢-混凝土组合梁加宽混凝土梁桥的横向分布系数[J].清华大学学报(自然科学版),2010,50(6):805-809. [15]Chapman CE. Behavior of precast bridge deck joints with small bend diameter U-bars. Master’s thesis, University of Tennessee, Knoxville; 2010. [16]Gordon SR, May IM. Design of transverse looped bar joints in pre-cast concrete decks for composite bridges. 9th International conference on steel concrete composite and hybrid structures, Leeds UK; 8–10 July 2009. [17]Jensen, UG. Limit analysis of reinforced concrete bridge substructures – shear strength of piers and piles with circular cross section and strength of pile caps.Ph.D. thesis, Faculty of Engineering, University of Southern Denmark; 2011. 致谢 光阴荏苒,岁月如梭,随着六月的来临本科生阶段马上要结束了,回首过往岁月,倍感充实,一时感慨万千。 非常感谢**导师一直以来的耐心教导,在忙碌的教学中抽出时间对我的毕业论文进行指导和修改,使我能够顺利完成毕业论文的撰写。本文的研究工作从始至终都渗透着邹老师的心血,在此衷心的感谢邹老师。 感谢**等同学在求学路上对我的帮助,在学术上对我提出的建议和忠告。 感谢我的父母一直以来对我无微不至的关怀与无私奉献的爱。 最后,感谢参与本文评阅的专家教授老师,感谢你们对本文提出批评与指正。 ** 2019年5月 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    王***朝

    贡献于2020-12-23

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