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独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究_刘飞

来源:微智科技网
第31卷 第4期2012年8月

()1001  文章编号:-4373201204-0026-05

兰州交通大学学报

JournalofLanzhouJiaotonUniversit   gy Vol.31No.4

Au.2012g

独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究

刘 飞, 刘世忠, 张 慧, 李爱军, 董长军, 张霞忠

()兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃兰州 730070

摘 要:以2结合青银高速公009年7月15日津晋高速公路港塘互通立交A匝道桥发生的桥梁倒塌事故为镜鉴,路河北段自身的特点,确定出以永安立交两座独柱支承连续曲线混凝土单箱单室箱梁刚构桥作为主要的研究对象.并以有限元理论分析为基础,利用A辅以模型试验加以验证的方法,研究独柱曲线连续nss多工况仿真技术,y梁桥的力学性能.得出桥梁在各荷载工况作用下各个控制断面的应力及位移分布情况,并确定出车辆荷载最不利轮位及车辆吨位级数,获得了青银高速公路C匝道独柱混凝土曲线箱梁桥可能发生倾覆的极端荷载布置形式,提并为永久解决该桥的车辆荷载倾覆问题提出了加固方案.出现阶段避免此类桥型发生桥梁事故的建议,关键词:独柱曲线刚构桥;匝道桥;抗倾覆;模型试验中图分类号:U446.1     文献标志码:A

桥梁的结构形  随着我国交通事业的迅速发展,

式也发生着很大的变化.独柱支撑连续曲线混凝土箱梁桥因其结构轻巧,桥下通透性好,易适应地形,下部工程量小等优点,被广泛应用于高速公路、高架桥和立交桥.但其与等跨度同截面直线梁桥相比,受力特点复杂.在荷载作用下,除会产生较大的弯曲扭转变形外,还会发生较大的约束扭转和箱形截面畸同时它们产生的应力将对结构产生更为不利的变,

近年来,此种桥型在工程中出现了许多问题,影响.

如由于支座的不均匀受力而出现支座脱空、梁体纵向偏移及梁体侧翻等情况.因此,在设计和施工时如何保证其成桥后的正常使用功能是亟待解决的问题.

1]

此前国内学者罗旗帜等[曾结合一座两跨连续

本文以青银高速公路河北段C匝道为原型,利用A得出了此匝道桥在一定的荷载nss仿真技术,y工况作用下存在着安全隐患,为确保此结论的准确性,模拟梁体的真实情况,制作有机玻璃试验模型进行验证分析.通过理论分析与模型试验,确定出C匝道发生倾覆的极端荷载形式及轮位位置,并对独柱曲线连续刚构箱梁桥的受力性能进行分析.本文所得结论可对同类桥型的运营安全提供借鉴.

1 数值计算方法及计算模型

在曲线梁桥中,由于存在较大的扭矩,因而通常会使外梁超载、内梁卸载.当扭矩不断增大,达到并超过了整个结构对于梁体外侧翻转轴所能承受的抵抗翻转力矩时,内梁将会产生负反力.这时如果梁体自身不能抵消此负反力,就会出现梁体与支座的脱离,即“支座脱空”现象,整体结构就会发生翻转并倾覆.

因此,为准确地考虑C匝道在各种荷载工况下的安全性及其抗倾覆性,并指导模型试验,针对C匝道桥建立了三维有限元仿真分析.全面、细致地模拟独柱曲线连续刚构桥在设计荷载作用下的工作行为及受力性能.有限元分析利用通用有限元软件采用SAnss完成,olid65单元类型建立C匝道桥y

的精细模型,如图1所示.

曲线箱梁有机玻璃试验模型研究其在集中荷载、均布荷载作用下横截面应力分布规律,得出了两跨连畸变和扭翘续曲线箱梁桥存在显著的剪力滞效应、

效应,并提出对大曲率连续曲线箱梁设计时应注重考虑剪滞、畸变和扭翘效应.但并未有结合有机玻璃试验模型来研究独柱支撑连续曲线箱梁桥的受力性能及其抗倾覆稳定性的相关文献,也未有对此类桥型的安全性能进行过理论分析并辅以试验验证的相关文献报道.因此,对独柱支撑连续曲线箱梁桥受力理论分析及抗倾覆试验研究是很有必要的.

收稿日期:2012*-05-08

)基金项目:国家自然科学基金(50968008

,作者简介:刘 飞(男,陕西扶风人,硕士生.1985-)

第4期刘 飞等:独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究

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/;;尺:应变常数:弹性模量常数:C15CCL=1Eε=1

/(有机玻璃经实测的弹性模量为013.25×10=1

4 

);应MPa,C40混凝土的弹性模量为3.25×10MPa.

/;力常数:均布荷载常数:CC13CCELσ=Cε=1σq=C2

/;/集中荷载常数:这样195CC2925. =1P=CLσ=1

σm=

图1 C匝道全桥模型Fi.1 ModelofCrambride  -gpg 

11,

σσσσP=P其中:m为模型应力;P为原型应C13E111力;Fm=FP=FFP=P.2

13×2252925CCL E通过A模拟《公路桥涵设计通nss仿真分析,y》用规范(和《公路桥涵设计通用规范JTJ021—89) ()》中车辆荷载加载形式,分析其受JTGD60—2004 

力特点,得出C匝道在不同的荷载工况作用下的反并确定出C匝道曲线梁内侧支座出现负反力时应,

的荷载级数.

图2 模型横截面尺寸示意图(单位:mm)

(:Fi.rosssectiondimensionofthemodelunitmm)2 C-    g

2 模型设计及制作

为验证理论分析结果的准确性,模拟C匝道在倾覆荷载级数和最不利轮位位置上的工作行为.根制作有机玻璃梁体试验模型.据相似原理,

2.1 模型设计准则

根据相似原理,结合静力模型试验的要求,得出在模型设计时必须满足三方面的相似条件:

)几何条件1

物体受荷载后将产生变形,在线形范围内、小应变情况下,根据弹性力学中的几何方程可以得出:要保持原型与模型相似,其线应变ε、角应变γ、位移u和几何尺度的相似常数必须满足:

试验模型材料采用有机玻璃板.选料遵循同一厂家、同批次生产、材性均匀的原则.模型中独柱墩与底板的刚接根据试验方案的步骤,采用合适的连紧密连接,连接处不允许存在缝隙,如图3接材料,所示.

图3 C匝道有机玻璃模型

Fi.lexilassmodelofCrambride3 P   -ggpg 

CCL=CCLu=Cεγ,其中:CC.ε=1γ=1

)物理条件2

材料性质的弹性模量E,剪切模量G,泊松系数容重w和应力状况的描述,都应根据需要满足相μ,

似条件的要求.使原型与模型相似,必须满足:Cμ=1,CCε,CCG.Eσ=Cτ=Cγ)边界条件相似3

约束条件必须与原型相同.结构表面作用静态外力时,根据用应力表示的表面条件可知,表面压强集中力P和力矩M等的相似常数分别为:Cp、p=CCP=CF=CC2CM=CPCL=CC3L,L.σ,pp2.2 模型的尺寸确定及制作

通过综合考虑影响试验的各个因素,确定出几何(,缩放比例为1如图2所示)其余常数如:几何缩15∶

3 模型试验

3.1 模型的测点布置

,见图4)由于对称的C匝道应变的测点布置(

关系,应变测点主要布置在一跨之间,全桥共设4个截面,根据测试要求,顶底板布置相应的纵横向应变片.

,见图5)共设4个位移  C匝道位移测点布置(

/测试截面,分别为:第一跨跨径110个位移测点.4、//第二跨跨径12、34处Ⅰ?Ⅰ、Ⅱ?Ⅱ、Ⅲ?Ⅲ3个截面,

/每截面设置2到3个测试点.每个12处Ⅳ?Ⅳ截面,测点位移采用百分表测试.3.2 试验加载工况的确定

根据有限元计算理论及Anss多工况仿真技y

28

兰州交通大学学报第31卷

图4 C匝道应变测点截面布置图

ointsFi.4 SectionlaoutofthestrainmeasurinoftheCrambride        -pgygpg  

图5 C匝道位移测点截面布置图

Fi.ectionlaoutofthedislacementmeasurinoftheCrambrideoints5 S        -gypgpgp  

术分析,模拟梁体在各种荷载工况作用下的工作情况,并利用相似原理将其转换为模型中的荷载级数及加载位置,确定出以下4种荷载加载工况.

工况1:在模型梁的外侧距路缘石3.实桥3cm(距路缘石5处的桥面板上按80cm)9规范汽车超-20间距布置集中力,单车道加偏载,测试跨中和墩顶截面的应力和位移.

工况2:在模型梁的外侧距路缘石3.实桥3cm(处的桥面板上按0距路缘石50cm)4规范车道荷载布置集中力和均布荷载,单车道加偏载,测试跨中和独柱墩截面附近的应力和位移.

工况3:在模型梁的外侧距路缘石3.实桥3cm(距路缘石5处的桥面板上按80cm)9规范汽车挂车-单车道加偏载,测试跨中和独120间距布置集中力,

柱墩截面附近的应力和位移.

工况4:倾覆试验加载(四辆挂车-120荷载位于,验证该桥的抗倾覆能力,测试该梁体最不利位置)

桥跨中和独柱墩截面附近的应力和位移.3.3 试验内容

本模型试验在室内进行,室温基本位于25℃

范围左右.在对桥跨结构进行静载试验时,各个工况分级加载及卸载,采集桥梁结构控制部位在静载作用下的应变、变形(位移)的数据,以便分析结构在荷载作用下控制截面的应力和位移的分布情况.模型试验如图6所示.

图6 C匝道模型试验

Fi.odeltestinofCrambride6 M  -ggpg  

4 模型实测与理论结果对比

4.1 位移结果比较分析

在工况1及工况2的作用下,提取C匝道刚构连续梁桥理论及实测位移结果,如表1所示.

表1 各试验工况下挠度理论值与实测值对比

Tab.omarisonbetweentheoreticaldeflectionandmeasuredvalueundereachloadcondition1 C           p

测点工况1

理论值实测值理论值实测值

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

8 

9 

mm10

-0.040-0.103-0.171-0.069-0.170-0.278-0.013-0.246-0.068-0.283-0.041-0.107-0.163-0.070-0.190-0.312-0.012-0.249-0.062-0.290-0.137-0.191-0.249-0.268-0.405-0.558-0.196-0.581-0.317-0.671-0.159-0.191-0.238-0.294-0.443-0.618-0.200-0.638-0.350-0.657

工况2

  从位移实测值和理论值的对比结果可以发现,

工况1作用下的实测位移值比理论计算值略大,个但总体上在各工况别出现实测位移值偏小的现象,

作用下实测值与理论值吻合较好.

4.2 应力结果比较分析

在各个工况的作用下,提取C匝道刚构连续梁

第4期刘 飞等:独柱曲线刚构匝道桥抗倾覆稳定试验研究

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桥截面Ⅰ?Ⅰ、Ⅱ?Ⅱ截面底板的测点数据进行对比,测点布置由曲线的外侧到内侧,如表2所示.

Pa

表2 各试验工况下底板测点应力理论值与实测值对比

Tab.2omarisonbetweentheoreticalstressandmeasuredstressofthebottomslabstationundereachloadcondition C                p测点

截面Ⅰ?Ⅰ曲线外侧到内侧

截面Ⅱ?Ⅱ曲线外侧到内侧

工况理论值8692230960400779358654842670935613463433268644742  7  5  3  3  5  6  7  6  5  5  5 3700615092001实测值6  6  3  

工况理论值4263886694560  4  4  

1650655092002实测值4  4  3  

工况理论值-7697677087 1  3  

3185092002081429987338800145063503213  3  6  6  6  5  5  5  5 417292857023301154201150300595120855335838  4  1      9  7  7  7 49000920020368687533900450085033003300  3  8  8  9  1  8  8  8 538655103015217080135920124460112670113890110300  5  9  1           

0171504300655014505550200501323001200501151501151501078003实测值   3  4  5  9  1           工况理论值18686324397208637409007220630142680128280114090113320107170  2  4  6  5  9  1           

45045009000105061505550078001421001298501249501225001004504实测值2  2  4  7  6  9  1           

应力实测值与理论计算值数  由表2可以看出:

值上吻合较好,应力值均以受拉为主,符合曲线梁桥在工况4的作用下,测点应力值相对梁体受力特点.

以上3个工况作用下的应力值大幅度增大,说明在此荷载工况下,梁体受力增加.

在荷载工况4的作用下,C匝道出现曲线梁体此时与有限元理论分析C匝道内侧支座脱空现象,

曲线内侧支座出现负反力时荷载级数结果吻合,从而验证了有限元软件Anss仿真技术对梁体分析y的准确性.也说明了梁体在此荷载工况作用下存在)着巨大的安全隐患(见图7.

)道桥上重演(见图9.

图8 匝道车道引导线示意图Fi.aneuidecurveoframbride8 L    ggpg 

图9 梁体横截面外侧加固简易图(单位:mm)Fi.einforcementontheoutsideofcrosssection9 R     -g

(:unitmm)

图7 C匝道在工况4作用下支座脱空图Fi.7 BearinvoidofCramundertheloadcase  -    4ggp  

5 结论

针对C匝道独柱曲线连续刚构桥的结构特点,采用有限元仿真分析方法,结合现实中的车辆荷载确定出C匝道最不利荷载工况,并采用模型形式,

试验加以验证,同时对该桥的力学特性进行了分析,得到了该桥可能发生倾覆的荷载布置模式,并辅以模型试验加以验证,可得出以下主要结论:)桥梁模型试验所得实测位移和应力数据与1

理论值变化趋势相同,数值吻合较好,说明有限元仿真模型荷载模式与边界条件符合工程实际.)通过理论研究及试验验证发现,2C匝道在特定的重载车辆荷载布置工况下,存在着重大的安全隐患,应采取适当的加固方法及科学的管理措施,确

因此为了确保梁体运行安全,针对此类情况,根据梁体的位置环境,采取预防加固措施.并以此提出以下两点建议:

)对C匝道车道进行标线指引,标线以内安装1

警示桩,以确保在距离曲线外侧路缘石50cm以内尽量禁止行车,防止发生可能使该匝道桥倾覆的荷)载布置形式(见图8.

)在曲线梁外侧一跨跨中增加直径为520cm(根据腹板的厚度确定)的备用墩,以备在梁体发生外翻时起到支撑作用.虽然此加固方案使梁体底部但很大程度上提高了其安全性,确保其受空间缩小,

到极端倾覆工况布置时,不致使津晋高速公路港塘互通立交A匝道桥的悲剧在青银高速永安立交匝

30

保桥梁的安全运行.

兰州交通大学学报第31卷

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)根据对C匝道曲线连续刚构桥的受力特点3分析,提出了确保梁体安全运行的加固方案和维护建议,为桥梁安全运营及管理起到指导意义.

本文提出的C匝道加固措施和安全运营建议,并得到了河北省交通厅专家的认可,被青银高速公本文研究方法与所得结论对同类桥路管理处采纳.

梁的安全运营具有参考价值.参考文献:

[]杜嘉斌,吴幼明,等.连续曲线箱梁模型试验研1 罗旗帜,

ResearchonOverturninResistanceofSinlecolumnCurvedRiidFrameRamBride    -    gggpg  

,,,LIUFeiIUShi  L -zhon ZHANG Huig

LI Ai-un, DONG Chan-un, ZHANG Xia-zhonjgjg

(,,)KeLaboratorofRoad &BrideandUnderroundEnineerinofGansuProvinceLanzhouJiaotonUniversitLanzhou730070,China        yygggggy    

:AbstractBasedontheoverturnofGantaninterchaneA      -rambride in Tianin-Shanxi Hihwaon Julgggpgjgyy   

,15,2009,and combined with the characteristics of Hebei section in Qindao-Yinchuan Hihwatwo sinleggyg?column curved sinle-cell sinle-box riid frame brides of Yonan  searation are studied in this -radeagggggpgp

, bthe finite element analsis software ANSYS and the model testthe mechanical er.Suortedroertyyppp ppy the bride is studied under the multile load cases.The stress and dislacement distribution of each con-ofgpptrol section under each load case is obtained.The most unfavorable  of wheel and tonnae series ofositiongprobablvehicle are ensured.The ultimate load which leads to the overturn of C-ramsinle-column curvedpy  pgbride in Qindao-Yinchuan Hihwais ensured.The suestion that how to avoid the accident of this kindgggy gg

,roosedermanentlroof the bride is  to solve the vehicle overturnand the reinforcement scheme is -gpppy posed.p

:;;;mKewordssinle-column curved riid frame briderambrideoverturninresistanceodel testygggpgg   

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