旧钢筋混凝土拱桥的力学响应研究外文翻译资料

 2021-12-23 22:25:19

英语原文共 19 页

旧钢筋混凝土拱桥的力学响应研究

摘要:研究了一座已经使用了43年的旧六跨钢筋混凝土拱桥的结构性能,通过现场监测获得桥梁的静态和动态响应,基于模型设计的相似理论,采用有机玻璃制作了一种缩尺单跨桥梁模型。为了模拟不同的拱肋损伤情况,采用锯切法对拱肋进行逐步切割,在桥梁上引入了7个切口,得到了损伤桥梁模型的力学响应(如应变分布、挠度、频率、振型等)。由于室内试验结果与现场监测结果吻合较好,因此可以推导出缩尺桥模型能较好地反映实际结构行为。详细讨论了损伤部位、损伤程度对结构响应的影响,进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合良好。

关键词:拱桥;现场监测;模型试验;数值模拟;损害;结构响应

简介

自20世纪50年代以来,中国修建了大量的桥梁。但是,在役桥梁不可避免地会受到不同的影响,例如环境腐蚀,超载,超速等,这将导致结构的早期恶化。到目前为止,桥梁的破坏在实际工程中已经导致了许多灾害,每年都要花费巨大的财政成本来翻新这些桥梁。在美国根据美国国家材料咨询委员会[1]1987年的一份报告,大约有253000个混凝土桥面处于不同程度的退化状态,其中一些桥面使用不到20年,每年大约有35000个桥面被加到这个名单上。1998年,美国基础设施的更新和维修费用估计超过1.3万亿美元[2]。据报道,在联邦库存的约60万座桥梁中,近20%被列为结构缺陷桥梁[3],约5000座桥梁被列为[4]缺陷桥梁,因此,桥梁的安全性已成为一个关键问题,并引起全世界科学家和工程师越来越多的关注,现役桥梁的健康监测和损伤诊断一直是人们关注的问题。

在实际工程中,现有桥梁的损坏过程往往受到多种因素的影响,损伤机理复杂,因此,评估现有桥梁的剩余强度和剩余寿命是非常困难的。近年来,桥梁的损伤诊断和健康监测是研究的热点。这些研究主要集中在现役桥梁现场监测[5-9]、损伤桥梁室内试验[10-13]、损伤检测方法分析研究[14-22]、损伤结构状态评估分析研究[4,23-26]等方面。然而,桥梁体积较大,固有频率和振动水平较低,在低振幅时,桥梁的动力响应受非结构构件、不可预见的环境条件的影响较大。这些部件的变化很容易与结构损伤混淆。因此,桥梁损伤评估仍然是桥梁工程师们面临的一项具有挑战性的任务[27]

研究意义

结构构件的损伤是桥梁整体损坏或破坏的直接原因。法勒等人[28]对美国新墨西哥州里奥格兰德的I-40大桥进行了振动试验,通过逐渐切割其中一座桥梁,对桥梁进行了四级破坏,得到了不同损伤模型的模态参数,拱肋是拱桥的关键构件。为了研究旧钢筋混凝土拱桥的剩余强度,唐等人[29]对一座28年历史桥梁拆除的两根钢筋混凝土拱肋进行了破坏试验。

在本研究中,对一座旧式六跨钢筋混凝土拱桥受损机理和力学性能进行了探讨。为了更好地了解这座43年历史的桥梁的现状,进行了现场实验(包括材料性能测试,桥梁的静态和动态测试)。为了说明拱肋损伤对结构力学性能的影响,基于相似理论,采用有机玻璃制作了一个缩尺单跨桥梁模型。静态和动态试验均在实验室中进行,在桥梁模型的拱上人工开槽,模拟拱肋不同程度的损伤,然后分别对不同损伤程度的拱桥的力学性能进行了研究。实验结果表明,桥梁模型可以很好地反映原桥的力学性能。分别对原桥和缩放桥进行数值模拟,实现了拱肋对结构性能的破坏。

拱桥现场勘察

旧桥的现状:六跨钢筋混凝土拱桥建于20世纪60年代,桥的总长度为246米(图1)。

通过现场勘察,发现拱桥构件包括拱肋、立柱和梁的两侧以及桥面都发生了较大的破坏。大量混凝土盖层发生剥落,混凝土中的钢筋锈蚀严重。桥梁老化的两个主要原因是:

  1. 环境与荷载的交互作用:近40年来,环境与荷载的交互作用会导致混凝土的老化开裂,加速混凝土钢筋的腐蚀和膨胀过程。随着劣化程度的逐渐增大,混凝土覆盖层会发生剥落,材料的强度和刚度会降低.
  2. 桥梁在使用期间超载:桥梁经常超载会导致桥梁构件开裂,构件的强度和填充性会恶化,柱子的一些薄弱部分会被压碎。

图1钢筋混凝土拱桥示意图

旧桥的现场检查

为了解该桥的现状,对老拱桥分别进行了静力和动力现场试验。

桥梁的静态检查:根据交通部《公路桥涵设计通则》(JTG021-89)规定,15级车队荷载的一半作用于该桥,考察了该桥的变形曲线。

通过现场实测,桥梁的最大变形量为6-8毫米。

桥梁的动态测量

采用数字信号处理系统(DSPS)和AR-5F加速度传感器对桥梁进行动态监测。由于结构的削弱可以通过刚度的降低来表征,而刚度的降低反过来又会降低频率并影响其他模态特性。除非质量或刚度发生变化,否则桥梁的动力特性不会发生变化,这可以看作是桥梁的振动特征或“指纹”。为了确认桥梁的当前动态特性,进行了现场动态试验。环境振动法是桥梁振动特征自动识别系统中最实用的一种方法。利用数字信号处理设备和快速傅里叶变换程序,直接从振动结构的频率响应出发,得到了各谐振对应的谐振频率、振型和系统阻尼。

尽管桥梁的六个跨度彼此相同,但每个跨度都会发生不同的损坏。分别监测六个跨度的固有频率,见表1。由第一模态得到的阻尼比为2.5-4.6%。通过现场调查,还可以得出损伤越严重,桥梁跨频越低。

表1模型参数比例尺

模型设计中的相似理论

为了研究桥梁的振动特性,必须使惯性力和弹性回弹保持一致。因此,模型实验采用了弹性力相似理论[30]

弹力相似规则

利用惯性力和弹力之间的相似性可以得到,

(1)

其中lambda;、lambda;t、lambda;p、lambda;u和lambda;E为几何尺寸比、时间比、质量密度比、变形比、弹性模量比。各参数的比例为原型参数与模型参数之比。

刚度相似规则

为满足弹性力的相似规律,选取应变比例尺作为几何比例尺。

实验计划

水下振动台

由于桥梁的六个跨度的尺寸和几何形状基本相同,因此在桥梁模型中仅考虑桥梁的一个跨度。

模型材料。采用有机玻璃和水泥两种材料制作桥梁模型。拱肋、梁、柱、桥面均采用有机玻璃制作,桥墩采用水泥浇筑。由于拱肋有机玻璃的深度与其他构件不同,因此分别测试了两种有机玻璃试样的机械性能。材料的密度rho;=1.18times;103 kg/m3。压、拉应变-应力曲线如图3所示。采用自由振动法对材料进行了动态性能测试。

从材料试验中可以推导出抗压强度为102.5-110MPa,抗拉强度为36.5-38.5MPa。材料的动态弹性模量Em为4200MPa。

图2水下振动台及模型桥示意图

图3模型曲线:(a)压缩应变-应力曲线;(b)拉伸应变-应力曲线

桥梁模型的比例尺考虑到振动台的尺寸和材料特性,决定模型的几何尺度为20:1。在实际制造过程中,模型的几何尺度验证为600:29。根据相似规则,可以得到原型与模型桥梁之间的比例因素(包括应力、矢量、加速度、时间等)(列于表1),其中lambda;alpha;,lambda;sigma;,lambda;ε分别是加速度,应力,应变的比例。模型的大小如图4所示。桥梁构件的几何形状见表2。

桥梁构件应增加重量。图4中围绕模型桥构件表面的铅环充当了附加的重量。

图4模型桥附加重量的布置(单位:毫米)

拱肋

桥柱

交叉支撑

横梁(T形梁)

跨径(毫米)

宽度(毫米)

桥面深度(毫米)

桥高(毫米)

长times;宽(毫米)

长times;宽(毫米)

长times;宽(毫米)

上缘长times;宽(毫米)

下缘长times;宽(毫米)

2127

483

20

874

29times;43.5

19.3times;19.3

14.5times;29

29times;19.3

19.3times;14.5

表四桥几何参数

实验仪器测量项目试验的目的是测量桥梁的力学响应,分析不同损伤下桥梁的破坏过程。由于拱肋是桥梁承载能力的关键构件,在静力试验中对拱的变形和应变进行了测量。记录了动态加载过程中应变和加速度的时间历程。应变仪在两个拱肋上的位置彼此相同。应变片的位置和编号以及位移测量点分别如图5和图6所示。加速度计的位置和编号如图7所示。

实验仪器由水下电动液压地震模拟伺服系统,DSPS,AR-5F加速度计和应变传感器,千分表等组成。

图5应变片的位置和编号(单位:毫米)

图6位移测量点布置

图7加速度计的位置和编号(单位:毫米)。注意:1.另一拱肋上加速度计8,9,10的位置对应于加速度计3,4,5的位置。2.表示从两个方向输入地震波时垂直加速度计的位置;表示当地震波从两个方向输入时水平加速度计的位置。

不同实验情况

人为损坏条件下:研究了拱肋损伤对拱桥力学性能的影响,为了模拟拱的不同损坏,引入了七个槽口以通过锯切来模拟拱肋上的局部损坏(如图8所示)。本实验未考虑材料性能的劣化。

静态加载情况:根据《中华人民共和国交通部规范》、《公路桥涵设计通则(JTJ021-89)》[31],结合现场监测的交通情况,考虑了四种装载情况。根据本文应用的相似规则,将作用于模型上的荷载按比例转换。四个装载箱的装载布置如图9所示。

动态输入:实验中动态输入为正弦波如图10所示,随机波如图11所示。正弦波频率为各情况下模型桥的固有频率。水平方向和垂直方向的随机波均为EI-centro地震波。根据相似规则推导出的尺度比,对输入EI-centro地震波与实波进行了转换。

图8拱肋切口位置:(a)拱肋西侧;(b)东区拱肋

图9:不同装载情况下的负载安排:(a)15级车队;(b)25级车队;(c)车队超20级;(d)现场监测。

图10正弦波输入

图11试验用El-Centro地震波时程:(a)输入水平地震波时程;(b)输入垂直地震波的时程。

实验结果分析

描述拱肋的损坏情况

一般来说,损坏定义为引入到系统中的变化,这些变化会对系统当前和未来的性能产生负面影响[32]。在本研究中,损伤的定义仅限于在机械部件中形成的裂纹。裂缝的引入会引起几何形状的变化,从而改变构件的刚度特性,进而改变桥梁的实测响应。在损伤范围内(缺口宽度为2毫米),损伤截面刚度将降低到原截面的19.7%。然而,与拱肋的总长度相比,两侧切口的总长度相对较短。对于有四个缺口的西侧拱肋损伤,损伤长度仅为拱肋总长度的0.38%。因此,虽然局部填充性有很大的退化,但整体填充性的变化非常微小,仅占整体刚度的1%。

静态实验分析

拱肋的静态变形:在四种加载情况下,分别对未损伤模型和七种损伤模型进行了静力试验。实现了拱肋的变形。四种加载情况下的变形变化规律基本相同。模型在现场监测荷载作用下的实验结果如图12所示。

图12在现场监测交通荷载下拱肋的变形:(a)两个拱肋上的中跨;(b)东拱肋上的1/4和3/4点

图13在现场监测荷载作用下,缺口2对拱肋应变分布的影响

由图12可知,(1)随着拱肋损伤程度的加重,跨中拱肋的变形将逐渐增大。根据几何尺度比,Dam71模型跨中变形比未损伤模型增大4.8毫米;(2)1/4和3/4拱肋的变形与损伤部位有关。例如,在制作凹槽6时,靠近凹槽6的变形会有明显的增加。然而,随着第6切口以外的下一次损伤的发生,靠近第6切口的变形会有轻微的变化。

拱肋上的静态应变:系统的损坏状态可以描述为一个完整的过程,包括损伤的存在,位置,类型,程度和预测。在不同的损伤位置和范围内分别讨论了沿拱肋的应变分布。

损伤程度的影响:为了研究损伤程度对拱桥响应的影响,通过对拱肋的逐步切割,在拱桥上引入两种不同等级的缺口2。Dam20是缺口2被切割之前的模型。Dam21为缺口2制作完成后的模型,缺口宽度和深度分别为1毫米和10毫米。Dam22为缺口2制作完成后的模型,缺口宽度和深度分别为2毫米和20毫米。在现场监测交通荷载作用下,Dam20、Dam21、Dam22拱肋应变分布变化如图13所示。从图13可以看出,一旦缺口2形成,靠近缺口的应变将发生显著变化,而远离缺口的应变变化不大。另一方面,如果缺口的深度从10毫米增加到20毫米,沿

资料编号:[3810]

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