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大跨连续刚构桥双肢薄壁高墩抗推承载力试验研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

随着西部大开发的不断开展,高速公路正以高速发展的速度向山区延伸,由于西部地区特殊的地形特点,致使高墩大跨度连续刚构桥这种桥型广为采用。连续刚构桥因为可以省去大吨位支座购置和维护费用、抗震性能好以及无需体系转换便于悬臂施工等优点,是一种比较理想的大跨度设计桥型。大跨径预应力混凝土连续刚构是目前用来跨越峡谷广泛采用的桥梁结构形式之一。而双肢薄壁高墩是大跨径预应力混凝土连续刚构桥中的主要构件,其突出特点是要求桥墩具有较大的长细比、较小的抗推刚度以减少混凝土收缩、徐变、温度及地震等作用对结构的影响。这是高墩的稳定问题,成为结构设计所必须考虑的一个主要控制因素。

为了对提高刚构桥的地震安全性,减小地震对大跨连续刚构桥的破坏,国内外学者对桥梁的抗震进行了很多研究,并取得很多可行的研究成果[1-11]

本文针对张家界太极溪特大桥,通过简化,根据相似比1∶16制作该桥梁单墩抗震的实验模型,对刚构桥双肢薄壁高墩抗推承载力进行研究。

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理,计数资料以例数(n)、百分数(%)表示,采用x2检验,计量资料以“±s”表示,采用t检验,以P<0.05为差异有统计学意义。

1 工程概况与试验墩模型

1.1 桥梁概况

本文以张家界太极溪特大桥为研究对象,设计采用大跨径预应力混凝土连续刚构桥,全长252 m(66 m+120 m+66 m),主梁截面为单箱单室,采用挂篮施工法施工。桥墩为双肢薄壁墩,无横撑相连,最高桥墩为57.06 m。

在建立有限元模型时,混凝土选用solid186(八节点六面体非协调模式单元),纵筋和箍筋单元类型采用LINK180,混凝土和钢筋划分网格后模型如图4所示。

1.2 试验墩设计

本实验桥墩以张家界太极溪特大桥主桥12#墩为原型,采用1/16的缩尺比,即实验桥墩与原桥墩的几何相似常数SL=1/16。其相似关系如表1所示。

其中实验所用混凝土采用C50混凝土,一次性浇筑完成,自然养护28 d。纵筋采用HRB335热轧钢筋,直径为16 mm;箍筋采用HRB235热轧钢筋,直径为10 mm。见图1。

1.3 试验加载与测量

试验加载装置如图2所示,采用100 t液压千斤顶提供桥墩的竖向轴压力,竖向千斤顶提供676kN,使得桥墩发生水平位移后仍能施加竖向轴压力,桥墩上方设置球铰。横向加载系统采用电液伺服加载系统,施加低周反复荷载。

  

表1 双肢薄壁高墩模型相似关系表物理性能物理量相似常数符号关系式数值备注长度SLSL1/16几何关系面积SASA=SL21/256控制尺寸体积SVSV=SL31/4096位移SXSX=SL1/16应变SεSε1弹性模量SESE1材料关系应力SσSσ1控制材料密度SρSρ1质量SMSM=SρSL31/4096泊松比SμSμ1荷载关系集中力SPSP=SσSL21/256

采用变幅位移的加载方式进行加载,每级位移加载1次,直到模型的水平向承载能力下降到最大承载力的 85%,或当纵筋断裂破坏时终止,从而防止桥墩的突然倒塌,其后进行同一位移的多次加载,从而观测试验墩低周疲劳循环破坏对双肢薄壁高墩抗推承载力的影响。

相比公(铁)路桥空心或实心桥墩,双肢薄壁高墩因其柔性特点使得构件延性较好,而双肢的间距与刚度是影响延性性能的重要因素。故而将23.9 mm的双肢间距分别调整为33.9与13.9 mm,将双肢宽度分别由20 mm调整为25与15 mm,其他参数保持不变,分别建立该试验墩的有限元模型。

  

图1 实验模型尺寸图及配筋图(尺寸单位: mm)

  

 

a) 试验墩加载示意图b)试验墩加载现场

 

图2 试验加载装置

2 试验结果分析

2.1 破坏过程及特征

试验过程中,对模型施加往复水平荷载,试验现象可以总结归纳为: 7 mm加载位移下,墩身出现细小裂缝,墩顶水平位移和水平力基本为线性关系,说明此时处于弹性阶段内;20 mm加载位移下,墩底裂缝增加,开裂明显,根据纵向钢筋应变得到最外侧纵向钢筋达到屈服状态;50 mm加载位移下,裂缝边缘出现斜裂缝,持续加载不再出现新裂缝,桥墩达到最大承载力;100 mm加载位移下,墩底局部混凝土保护层脱落,此时墩顶水平力为158 kN,为最大承载力的90%;156 mm加载位移下,纵筋断裂,墩顶水平位移迅速下降到最大承载力的50%,桥墩达到极限破坏状态。

由试验构件的破坏过程及特征可得当裂缝边缘出现斜裂缝,持续加载不再出现新裂缝,此时达到最大承载力,试件的破坏模式呈现明显的“弯曲破坏模式”,但其破坏过程较为缓慢,试验墩延性较好,故而双肢薄壁墩相较同类型高桥墩的延性有着明显提高。

2.2 滞回曲线与耗能性能

低周反复荷载作用下的滞回曲线能够综合地反映钢筋混凝土构件的耗能性能、变形性能、抗震性能与极限承载能力等力学性能。图3为根据试验采集的墩顶水平荷载及水平位移所绘成的滞回曲线,其中水平荷载与位移测点皆为纵桥向。在循环加载初期,双肢薄壁墩处于弹性受力阶段,其荷载-位移呈线性发展,尤其在前2次循环加载中,由于构件轴压比较小,这使得试验墩几乎没有出现残余位移。而当试验墩钢筋逐渐屈服,墩底出现裂纹时,曲线进入塑性阶段,斜率减小,构件刚度逐渐退化,这使得滞回耗能逐渐增大,且卸载后曲线残余位移较大。双肢薄壁高墩的滞回曲线较为饱满,且由于试验墩同时承受轴力、剪力和弯矩的所用,使得滞回曲线有一定的捏缩效应,但双肢薄壁高墩的受力性能与破坏形态与框架结构类似,这使得双肢薄壁墩有着良好的耗能性能。

  

图3 水平荷载-位移滞回曲线

3 有限元数值模型分析

3.1 建立有限元模型

在洛川,几乎家家户户都种苹果。洛川苹果不仅果形端正、色泽艳丽、口感独到,在绿色安全生产方面也全国领先。洛川县果业局办公室主任屈军涛介绍,目前,洛川苹果总面积达50多万亩,人均拥有果园3.1亩,居全国之首。其中通过国家认证的绿色苹果生产基地37万亩。绿色安全是洛川苹果的一大特色,也是始终坚持的生产种植理念。屈军涛表示,金正大集团的亲土种植理念与洛川苹果质量安全第一的生产管理理念不谋而合。本次参选的苹果均事先经过农药残留检测,一旦发现药残超标,不论其他果品指标如何优秀均一票否决。未来,洛川将继续加强有机、绿色生产和认证,生产更多优质健康的苹果。

自2011年起,北京和上海开始积极申请实行72小时过境免签政策,2012年获国务院批准,2013年开始实施。因此作为稳健性检验,将2011年和2012年的交叉项纳入回归方程中,其估计系数并不显著,表明过境免签政策有效性的回归结果并不具有随机性。综上,可以认为本文的回归结果是显著且稳健的。

河套灌区红花适宜播种期和密度的研究…………………………………… 李彬瑞,温晓亮,靳存旺,范 霞,苏化州,段 玉(22)

  

图4 试验墩有限元模型

为模拟试验所采用的加载方式,本模型分别在试验墩墩顶与墩顶顺桥向加载截面设置2个参考点,将边界条件和荷载施加到参考点上,以便模拟实验墩加载过程中的的竖向力和水平推力。对于试验墩的水平向加载,采用位移加载进行控制。试验墩墩底的边界条件采用固定约束。

[3] 杨高中,杨征宇,周军生.连续刚构桥在我国的应用和发展[J].公路,1998(7).

从“十八大”以后中央特别注重我国的环境建设。汽车维修过程中会产生一系列排放物,从环保角度讲,首先要做的是识别,识别出哪些是污染物,哪些是正常的排放物。汽修行业中,污染物分为三类,分别是液体、固态物和气体。

3.2 试验墩低周反复加载的有限元分析结果

试验墩屈服状态与极限破坏状态的应力云图分别如图5和图6所示,通过应力云图可以清楚地看到,试验墩于墩底,横撑与墩顶出现明显的应力集中现象,并于此处产生裂缝,此与模型墩试验现象相一致。

背后的原因,我猜想不外这样几种:一是某些干部工作不实,能力太差,贫困户被帮扶了一段时间,觉得没得到什么好处,不如不要这顶“贫困帽”,寻个自在。二是立档的贫困户虽然得到了少量物质的好处,但要花大量精力应付填表、调研、座谈、检查等事情,贫困户觉得太劳神。第三,贫困户通过努力,使自己的生存状态得到改善,不再需要扶贫;但上级给乡村贫困户定了指标,必须有多少多少户才能评为贫困乡、贫困村,为了这点帮扶资金,少数干部瞒着不报。

  

图5 试验墩屈曲状态

  

图6 试验墩极限破坏状态

横梁作为双肢薄壁高墩中提供抗推刚度的重要因素,其位置及数量对该类桥墩的力学性能起到极为关键的影响。故以前述模型为基础,其他参数保持不变,调整横梁位置,在距墩底1.2 m与2.4 m处设置2处横梁,建立有限元模型得到滞回曲线及骨架曲线如图9所示。

通过对双肢薄壁高墩力学性能的试验研究与理论计算,得出如下结论:

  

图7 原桥墩屈曲状态

  

图8 原桥墩极限破坏状态

通过数值模拟结果来看,模型墩计算峰值荷载为71.114 kN, 并利用park法对该桥延性性能进行评估,并与模型墩试验结果、原桥墩计算结果进行对比,所得结果如表2所示。

然而当n>1时,入侵时间窗口T也是一个随机变量,进而无法确定T内最大入侵次数k的准确取值.但是因为所以与式(6)同理,可求得k的期望为

由表2计算结果可知,试验墩的位移延性均大于3.00,其相比同类型高桥墩有着更好的延性;无论正向还是负向加载,试验墩在屈服状态和极限状态下的位移理论值与位移计算值基本相符的、荷载理论值与荷载计算值基本相一致,且误差相对较小;无论在屈服状态或者极限状态下,试验墩的位移试验值约为原桥墩位移计算值的1/16、试验墩的荷载试验值约为原桥墩荷载计算值的1/256,从而验证了相似比SL=1/16与SP=1/256的正确性。

  

表2 位移延性及极限荷载计算模型方向屈服极限位移/mm荷载/kN位移/mm荷载/kN位移延性平均延性试验墩试验值--8.31-54.615-30.12-67.393.623.47+8.541.2628.2255.223.32试验墩计算值--7.93-66.82-29.71-57.553.753.78+7.9566.9130.2165.453.80原桥墩计算值--155.64-14000-474.36-164003.053.03+152.7114050459.49183003.01

4 抗推性能研究

4.1 横撑布置的影响

同时,建立原桥桥墩有限元模型,进行相同幅度的循环加载,对原桥墩进行低周循环滞回分析,得到原桥墩屈服状态与极限破坏状态的应力云图,如图7和图8所示。通过原桥墩应力云图可以明显看出,原桥墩与模型墩应力状态相一致。

在福建,广大农村尤其是贫困村普遍存在着集体经济落后、村级财政匮乏的问题,严重制约着乡村的发展。为此,三明市驻村干部总队摸索出了“党组织引领、跨乡联建、多村捆绑、公司化运营、发展壮大村级集体经济”的工作模式,促进了村集体增收,也为乡村振兴奠定了坚实基础。

  

图9 改变横梁布置滞回曲线、骨架曲线

由试验墩骨架曲线可知,改变横梁布置可以非常明显地提升该类桥墩的峰值荷载,即明显提高了其抗推承载力。但其屈服后的荷载衰减相比单横撑试验墩极为显著,并于极限状态与试验墩极限荷载几乎一致。可见桥墩柔性,即延性性能相对较差。

4.2 薄壁墩双肢间距及刚度的影响

试验过程中数据采集系统主要采集的内容包括模型墩顶部加载点的位移,以及试件墩底截面和横系梁截面钢筋和混凝土在各个工况下的应变值。需要记录和观测的内容包括双肢薄壁模型墩的裂缝开展情况。本次试验的应变和位移采用武汉优泰电子技术有限公司的泰斯特TST3826静态应变采集分析系统采集。

图10分别给出了不同双肢间距及不同刚度的骨架曲线,通过比较可见,适当增大双肢间距或提高双肢刚度可以在保证该桥墩抗推承载力不变的同时,显著提升其延性性能。而减小双肢刚度使其抗推承载力与延性性能均由于压弯破坏而明显减小。且当双肢宽度取10 mm时,ANSYS计算无法收敛,可见当双肢宽度减小到10 mm时,构件的力学性能无法满足其所受荷载作用下的基本要求。

  

图10 不同双肢间距及不同刚度的骨架曲线

5 结论

外销瓷广彩的主要消费群体为欧洲宫廷与贵族,其造型在传统中式的基础上加入外国元素,或完全采用外来造型样式。广彩的产品类型主要分为日用陶瓷和艺术陈设瓷两类。日用瓷包括壶、杯、盅、碗、盘、碟等器皿,含有少量的宗教器皿、烟具、文房用具等。艺术陈设瓷主要为瓶、花盆、摆件等。

1) 双肢薄壁墩较同类型高桥墩的延性有着明显提高,其能够有效地增加桥墩的柔度,这使得其有效地减小了墩顶截面恒载所产生的负弯矩与次应力,从而加强该类桥的跨越能力。

2) 滞回曲线有一定的捏缩效应,但双肢薄壁高墩的受力性能与破坏形态与框架结构类似,这使得双肢薄壁墩有着良好的耗能性能。

3) 通过原桥桥墩的有限元模型与原桥墩的应力云图及利用park法对该桥的延性性能进行评估,并与原桥墩计算结果进行对比,得到实验墩与原桥桥墩的数值模拟与实验结果吻合良好,有限元计算结果与试验结果相一致,为参数分析提供了准确可靠的依据。

4) 改变横梁布置可以非常明显地提升该类桥墩的峰值荷载,即明显提高了其抗推承载力。且适当增大双肢间距或提高双肢刚度可以在保证该桥墩抗推承载力不变的同时,显著提升其延性性能,而减小双肢刚度使其抗推承载力与延性性能均由于压弯破坏而明显减小。

参考文献:

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[2] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

试验墩的接触为钢筋与混凝土之间的接触,采用分离式建模,将箍筋和纵筋内嵌到整个混凝土试验墩模型中,使纵筋和箍筋与混凝土共同工作。

[4] 李丽平.高墩大跨梁桥设计理论研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

你们不要插话!不要嫌我唠唠叨叨老走题,这不,很快就到正题了。就在西山还没有出事的前一分钟,我确实是做了一个梦,信不信由你。我梦到了我的一只羊掉进了一个墓穴里,对,就是那种曾经埋过死人后来被活人起走了尸骨的那种老墓穴。你们知道吗?听我姥姥在我小的时候讲过,人如果梦到了死人什么的那可是好兆头,是要发财了。可是我那天没有梦到死人,只是梦到了一个埋过死人的空墓穴,空的。你们说怪不怪?我也觉得这事有点蹊跷。不过这个梦还是纠缠着我不放。我就死劲地拽住一只羊的腿想把它往回了拉。可我就是拽不动它。我折腾出了一身的臭汗,后来我还是失败了。

[5] 赵经文,王宏压.结构有限元分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1988.

[6] JTG D62-2012,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[7] 姚谦蜂.陈平.土木工程结构试验[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.

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[10] 李永志.桥梁结构缩尺模型的设计制作与试验[J].建材技术与应用,2007(6).

半刚性基层异步连续摊铺技术能显著减少基层施工期间产生的早期破坏,加强基层整体性,提高施工效率,其特点在于底基层与基层的异步连续摊铺碾压施工,即在下承层有效碾压期间内同时完成基层的摊铺碾压施工,形成基层与底基层同时异步连续摊铺碾压的过程。为研究沥青路面半刚性基层异步连续摊铺技术,本文依托实际工程,在某高速公路试验路段采用该技术进行水泥稳定碎石基层的铺筑,并对其施工质量进行检验分析,为同类工程提供借鉴。

[11] 张满平.高墩大跨连续刚构桥梁模型设计研究[D].西安:长安大学,2005.

 
牛东,姚嘉帅
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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