文摘

该国经济的快速发展,大量使用重型车辆由于交通需求的扩张和运输成本增加。旧混凝土桁拱桥梁建于上个世纪,可能很难满足现代交通量的桥梁。在对旧桥梁状态不佳,需要更多的时间和资源评估技术状态字段负载测试,还有一些安全风险。基于车桥耦合振动理论的有限元法提出了评价混凝土桁拱桥梁的技术状况。苏州郊区一个旧混凝土桁拱桥梁,中国,被选为研究对象。现场进行了静态和动态负载测试结果与数值模拟结果相一致的基础上,提出了研究方法。可以得出结论,该数值方法可广泛用于评估的技术状态老混凝土桁拱桥梁的状态很差。

1。介绍

2012年8月24日,一个可怕的事故发生在哈尔滨。桥的倒塌造成许多死亡和伤害,如图1。2020年10月10日,江苏省312国道倒塌由于重型车辆,如图2。桥坍塌事故发生在许多国家近年来,和大多数的事故是由于缺乏维护老化的桥梁。据不完全统计,成千上万的大桥坍塌事故发生在这个世纪,造成成千上万的伤亡。将近一半的小和medium-span混凝土桥梁在我国建成从1950年代到1980年代,大部分在“带病”条件,使其难以满足现代交通水平根据以往设计规范。桥梁已经落后的基础设施和已经成为上个世纪的“特性”。桥梁结构将在一定程度上受损的长期荷载下重型车辆。尤其是对于老与中小跨度桥梁,桥梁的振动作用下的重型车辆变得越来越明显。因此,一个系统的技术状态评估所需的老化混凝土与中小跨度桥梁。技术状态评估是指全面现场检查现有的地位受损严重的老桥,桥组件的各种参数的检测,确定桥梁损伤和发展趋势,和系统的评估旧桥梁的承载能力,以确定当前的桥梁承载能力满足交通的需要,提供了技术基础和对桥梁养护和维修的建议。

桥梁的动态响应特征通常使用影响因子表示,这是由很多重要的因素综合影响系数,可以反映出重型车辆对桥梁的影响。重型车辆通常下的挠度和应变测试在现场载荷试验和动态挠度比相应的静态偏差的影响因素。通常由国家代码使用单一参数公式通过大量的测试数据,使得它难以充分反映实际振动条件下不同类型的桥梁。桥梁设计规范以桥的基频为中国的参数(1]。李Yuliang吉林交通科学研究所收集了超过6600的影响系数样本数据来自7个不同跨度的桥梁和整理他们获得桥频率和影响因子之间的关系方程,并采用中国规范的修订对公路桥梁和涵洞的设计(JTG d60 - 2015) [1]。桥跨之间的关系和影响因素是一般成反比等桥梁设计规范在日本和美国。

一般来说,字段负载测试是一种有效的方法来调查的基本行为和建立桥梁的基本数据。对于大多数研究人员来说,这是一种有效的方法,老桥可通过现场负载测试评估的能力受损,恶化部分的桥。该方法可以克服物质属性的问题,现场条件,现状的不确定性部分。现场负载测试可以用于桥额定载荷(2),组件的强度(3),和桥梁性能(4]。无损实地测试已经使用在过去为了更好地理解钢桁桥的行为(5];塔夫Terzioglu测试扩散板梁桥梁评估施工能力和静态和动态车辆荷载作用下的结构性能6];最长的斜拉桥在台湾被选40加载情况下桥的行为进行调查,现场载荷试验(7]。

然而,大多数旧桥梁需要修复,继续为疾病,而动态和静态负载测试需要大量的时间和金钱,以确保桥梁的安全。甚至对于一些旧混凝土桥梁有严重损伤,如果直接进行现场载荷试验,它将影响桥梁的安全。因此,我们需要一个安全、有效的方法,可以快速和系统地评估许多旧桥梁的技术状况。有限元仿真提出了快速测量桥梁的动态响应特性。提出了影响因子的表达对小岁medium-span桥梁和路面条件差(8]。邓路研究动态影响因素下简支预应力混凝土梁桥的车辆制动(9),如果(影响因子)的剪切力和弯矩的简支梁和连续桥梁进行了研究[10]。南张pseudoexcitation方法用来评估梁简支梁桥的安全性基于登车桥相互作用下高速列车(11]。动态响应登车桥相互作用下的粘弹性沥青路面荷载进行了研究[12]。一些学者认为桥梁的服务性能老化桥梁疲劳损伤和损伤检测。同时确定桥梁损伤识别方法和车辆参数提出了(13]。老龄化的生活下预应力混凝土桥梁疲劳损伤估计的数值模拟[14]。

维护旧桥梁总是忽略在大多数国家由于缺乏相关的图纸和数据,使维护难以完成。为年龄在桥梁安全性评价具有重要意义,近年来引起了广泛的关注。然而,很少有学者研究了旧桥梁的承载能力与疾病,和最相关的规范是基于经验公式,使其难以准确评估桥梁的实际情况。提出负载测试主要是用在这个领域的老桥,这是不可持续的动态和静态负载测试需要大量的时间和金钱,以确保桥梁在长期内的安全。在这个阶段,成千上万的旧混凝土桥梁在中国迫切需要分析的有限元方法,以确保他们的安全,继续为疾病。因此,考虑桥梁损伤的情况,老混凝土桁拱桥梁的技术状况是系统地评估使用登车桥相互作用理论在本文中。

300多名老混凝土桥梁在中国苏州郊区被选为现场损伤检测。相对于其他类型的桥梁等混凝土板桥梁和混凝土梁桥梁、混凝土桁拱桥梁选择由于其特殊的结构形式。大量的裂缝已经生成的作用下长期重型车辆。同时,很少有研究领域的桁拱桥梁车桥相互作用。混凝土桁拱桥梁严重损害和许多裂缝在本文中进行了研究。

现场检测进行了初步评估旧桥梁和进口的重要参数(如组件损坏,裂缝和路面粗糙度)有限元分析。旧桥梁的技术状况是通过改变价值评估的影响因素和相关的桥梁规范的限值。最后,现场载荷试验将由这个方法而获得的结果来验证有限元模拟的准确性。这种方法可以提供一个理论依据许多旧桥梁的维护和管理准确、快速、具有重要的工程意义。

2。算法的登车桥相互作用

数值都登车桥相互作用问题进行了调查,许多研究人员。王(15)和哈里斯(16导致车辆的改进模型。三轴车辆和five-axle车辆提出了根据美国桥梁设计规范和欧洲汽车模型的统计数据。该理论是古典黄和王。斜拉桥考虑表面粗糙度是一个典型的影响分析的路黄和王17]。理论发展研究是解决,邓小平提出的影响因素是(18登车桥相互作用)。甄太阳(19)提出了一个实用、高效的迭代法预测vehicle-induced响应的桥梁。米兰科尔提出单孔位微吹气扰动(结构健康监测)使用静态和动态负载测试确认桥的承载能力与数值模拟20.]。张陆登车桥的提出了动态振动特性膨胀接头耦合系统模型(21]。

复杂的登车桥相互作用可以用下面的公式来解释(22),和这些方程也可以表达的一个矩阵。 在哪里之间的接触力是车轮和桥面的时间吗 ,可以表达的车辆速度 ,响应函数b、道路表面粗糙度 ,和重力加速度 。函数V和B代表车辆和桥梁的两个独立的子系统,分别。在计算过程中,整个登车桥系统分为两个独立的子系统,由MATLAB和车辆模型导入到桥有限元分析的有限元分析。

3所示。现场试验

3.1。桥的描述

“桁拱桥”一词意味着双方的拱圈与桁架成员支持上层建筑,和拱圈的两个部分是结合一个甲板板和横向连接系统。桁架成员主要是熊桁拱的轴向力桥,和拱圈有足够的水平推力减少桥的跨中弯矩,所以桁拱桥桁架和拱桥的优点。桁拱大桥可以充分发挥材料特性的每个组件的完整部分,节省更多的材料比其他梁相同跨度的桥梁,具有完整性的特点,轻质量,良好的结构性力量,等等,可以建在软土基础。因此,桁拱与中小跨度桥梁被广泛建于上个世纪。自从桁拱桥梁结构更为复杂和桁架棒更苗条,主要由钢筋混凝土,裂缝容易发生在一些桥张力,弯曲,长期车辆作用下刚性节点。

Zhihong桥在太仓城市被选为研究对象。周围有大型生产车间经常受到重型车辆的桥,和损坏组件是认真的。重型车辆通过桥梁时,桥梁振动剧烈,而且没有负载限制桥两侧的迹象,这将导致桥梁是非常危险的。41米单拱桥桥桁拱大桥是一个宽度为7.0米。甲板上的厚度是0.2 m,混凝土保护层是35毫米。桁架梁的钢筋混凝土甲板的支持。上层建筑是桁拱,支护结构是一个砂浆块石头重力与浅基础桥台,如图3和4。

3.2。现场测量桥梁的破坏

我们检测到一个全面的现场测量的各种组件的桥。尽管桥梁建于上个世纪,没有准确的数据,我们需要确定组件的缺陷和严重程度评估它们对桥梁的承载能力的影响。技术评估可以根据桥梁进行组件、上层建筑,不记名,路面通过实地调查,采用分层桥控制的综合评价指标,然后进行综合评价。根据工程师的经验,目前的桥梁使用安全的初步判断。

桥面有不同程度的磨损,桥梁被毁的组件。混凝土的强度大约是52.8∼53.8 MPa的超声回弹的方法。特征值的比值保护层厚度的混凝土结构设计值在1.22和1.25之间,与结构钢筋的保护层耐久性的影响并不明显。然而,混凝土的碳化深度相对较大,如果持续发展将导致破坏钢筋表面的钝化膜,导致逐渐腐蚀钢筋,减少桥梁的承载力。如图的损害5部分的桥。Zhihong桥梁的初步评职称,和桥的主要部件有大量缺陷,影响桥梁的功能。

这些测试是获得更准确的信息桥梁。老桥桥检测是至关重要的(专门机构进行测试在许多地区每隔一至三个月),需要进行一个长期的基础上,以防止突然扩张之前的裂缝或新的桥梁裂缝的出现。组件的强度和刚度都难以实现在图纸的设计参数老化桥梁。传统桥梁检查可以调整设计图纸的信息,甚至这座桥没有图纸数据提供了桥梁。

3.3。测试车辆

有两种手段,研究复杂bridge-vehicle交互问题如下:实验和分析方法。我们调查了一些重型车辆通过,其中大多数人三轴重型车辆的负载极限35吨中国制造,这是通常选择在实验中。使用的车辆模型为金(23),模拟了一个现实的三维车辆模型(左右对称)可以代表设计车辆荷载和实际车辆动态特性。我们校准精确。模型假定身体僵硬,三个质量块和连杆组成的八自由度,这轮由阻尼弹簧连接到地面,如图6。

3.4。静载荷试验

传统的现场载荷试验要求桥梁的挠度和应变不超过规范要求和分析影响因子的值来确定桥梁的结构性能。根据中国规范“公路桥梁荷载试验方法,”部分的结构布局的不利的位置。静载荷试验选择中跨,a-quarter-span,拱出来设置应变仪。:数字为J1, J2, J3,分别和四个应变仪底部的桥面。如图7和8,内力等效原理是选择年级的负载,这是分为三个加载水平。首先,重型车辆前往目前位置测量应变和挠度的桥面。然后,另一个重型车辆平行为二级负荷,保持静止。两个重型车辆离开了残余应变电桥来测量。加载测试了每周期(不超过20分钟24),如图9。

在测试的过程中,加载的实现应该统一,由专业人员及时掌握各个方面。这是必要的,以确保结构和人员的安全;与此同时,我们应该观察是否桥的应变和挠度超过理论值。静载荷试验结果如表所示1和2。

应变值超过了理论值在中间的桥在重型车辆负载下,显示的实际工作状态测试区比理论条件,和当地的静强度不满足要求。卸货后测试负载,残余应变小于20%,表明该结构处于弹性工作状态。J1-3联合压力太大,主要是由于在中跨u型裂缝。的四分之一和拱脚截面满足要求,结构在弹性工作。桥的上部结构桁架拱。在测试前,几个横向裂缝被发现底部的中间。在测试期间,应变数据逐渐增加,并没有突然增加,表明没有发现新裂缝。

3.5。动态负载测试

脉动的方法被用来激发的振动的桥梁结构动态负载测试,然后确定它的固有频率,阻尼比、振型等。传感器被安装在桥上和收集信号同步。环境中的各种扰动被认为是输入信号;信号采集的传感器被认为是桥的输出信号。收集到的时域信号转换为频域信号的快速傅里叶变换(FFT)和频域信号的峰值曲线对应于桥的固有频率。在该测试中,测量的点被安排在八个不同的地点,和测量分两岸的桥梁横向排列的方向。每个测试点都编号为1∼9点,保持同一直线如图10。

选择三种不同速度条件下,10公里/秒,20公里/秒,30公里/秒,制动实验完成当车辆到达测试位置以恒定的速度10 km / h实现紧急制动产生更大的制动力和形成一定的影响。应变值在中间的桥的动态负载测试如图11。桥可以测量的频率,如表所示3。

根据桥梁宽度和截面形式,桁拱桥梁的相关公式搜索从公路桥梁和涵洞的设计通用规范(JTG d60 - 2015)。中国的代码是基于桥的基频和经验公式,这是一个安全导向设计。影响因子的公式如下(1]:

当 , ,

当 , ,

当 , ,在哪里结构的基本频率和吗的影响因子公式。基于基频的影响因子的桥可以计算的最大许用值(规范)的影响因素:

(理论:0.261)。

影响因子还可以被定义和计算表达式计算 是最大的动态应变或位移观测点的动态负载测试;的最大静态应变或位移观测点在静载荷试验。结果如表所示4。桥的影响因子后增加车辆加速。桥梁振动容易当车辆激励频率接近桥的频率(25]。

4所示。有限元分析

4.1。桥梁有限元模型

我们收集桥组件的尺寸,调整模型根据现场收集的数据。桥模型是建立在大型有限元软件ABAQUS,包含12346元素和21832个节点。筛孔尺寸为0.2×0.2米。每个组件的桥建立了根据测量数据。钢筋混凝土的密度和杨氏模量是2549公斤/米³和3.45×10¹⁰分别Pa和其他人如表所示5。属性的值相应的减少损坏组件。拱门和隔膜束被固体元素C3D8R模仿,桥面是由壳单元建模,和梁B31梁单元模拟,如图12。

4.2。在有限元模型模式形状

模式的形状是一个结构系统的固有振动特性。高阶模式从而减少对桥梁振动和模态综合方法可以有效地减少运行时间。选择模态有限元分析的动态分析,叠加使用的第一个六个模式是在这座桥26,27]。第一个模式在桥上影响最大,和更高的模式几乎没有对桥梁结构的影响。当桥频率接近车辆激励频率、桥梁振动容易;前六模式如图13。表6介绍有限元模型数据。

4.3。基本假定

车辆模型假定以下三点:(1)轮胎的质量可以被忽视的,因为它是小相比,汽车的总质量(2)轮胎靠近地面,即使路面粗糙度的影响(3)轮胎和悬挂的高度都是一样的,地面是平的,车辆仍在。

数值分析应满足以下条件:(1)的车辆通过桥梁结构以恒定速度。(2)桥最初是静止的。(3)车辆在规定的行驶车道。

4.4。道路表面粗糙度

桥面的模型很难建立在有限元方法中,特别是在桥面破坏。表面粗糙度的道路需要模拟反映损伤MATLAB的桥面。道路表面粗糙度的主要因素之一,分布在一个随机的时尚不断,影响车辆和桥梁的动态行为。根据道路,路面不平度随机模型在某些情况下,通常可以由一个逆傅里叶变换的基础上,相应的功率谱密度函数,以及功率谱描述了道路几何误差的均方振幅的函数空间频率的违规行为。当程序平稳高斯随机过程,道路表面粗糙度可以表示为28] 在哪里 功率谱分析(PSD)函数在MATLAB和一个糙度系数,代表不同的系数根据路况。国际标准组织(ISO)路面粗糙度分为四个条件:模拟(从好到差),见表的价值7。通过我们的调查,系数“a”选为8×10⁻⁶,对应于平均表面状况。频率间隔; 在这里分别介绍了上下截止频率;代表每一波的频率,在那里 系数”N”代表了波数;和是随机相位角均匀分布从0到吗 。由金计算路面粗糙度,左和右轮的路面经受路径相似,如图14。

4.5。接触点

车辆和桥梁的轮胎总是改变。轮胎也会导致桥梁的沉降和影响本身在运动。当车辆轮胎接触路面,车辆轮胎变形和接触,形成一个矩形接触表面的必经之路。这就是所谓的多点接触(28]。当路面粗糙度差,这个模型可以提高轮胎摩擦力的计算精度。把轮胎和路面之间的接触条件作为点接触,一点可能高估的动态挠度桥,设计是保守的。

车辆过桥时,道路表面粗糙度会影响车辆的属性,这意味着轮胎贴近地面,而八自由度车辆模型的改变不间断地29日]。因此,我们的数据导入到车辆模型,并在MATLAB建立了相应的模型。具体方法可以看到卢博士的毕业论文(30.),使用微分方程来计算子程序仿真软件。由于这篇文章的长度,本文并没有给太多的解释。

飞机的运动方程可以由拉格朗日方程:

飞机的运动方程可以由拉格朗日方程: , ,和的质量、阻尼和刚度矩阵的车辆,分别;基米-雷克南和Cr是轮胎刚度和阻尼矩阵,分别。 , ,和车辆运动的加速度、速度和位移向量;是重力向量;力和力矩的向量应用到车辆的桥梁;和是负载单元作用于桥。在驾驶车辆的位置总是改变。登车桥耦合系统的动态特性是由一块子矩阵表示。道路表面粗糙度是导入到车辆模型。桥面接触力计算图所示15。

4.6。汽车驾驶过程

选择模态动态分析有限元分析,分析过程分为三个部分:(1)车辆进入桥,(2)车辆通过桥梁,和(3)车辆通过桥梁,桥是免费的振实。研究过程通过模态叠加前六桥模型的模式。Zhihong桥是一条双车道大桥每车道204单位。重型车辆进入左边的桥,和车辆位于中间的车道来测试的最大应变和挠度桥梁,如图16。

4.7。有限元法的结果

桥面上的接触力应用有限元分析是用来模拟不同工作条件通过解算器。过程的车辆穿过一座桥,桥楼甲板之间的位移和接触力和轮子需要通过接触点平衡,桥模型可以通过有限元离散方法通过常用的纽马克-β方法。每个离散时间的方程是通过直接数值积分计算。时间作为一个参数用于迭代,收敛的矩阵形式是用来确保桥梁位移在每个时间步。

所表达的影响因子可以比移动车辆荷载作用下的挠度和静力荷载作用下的挠度公式(通常是用于数值模拟),中跨偏转是最大的有限元模型。的表达的影响因素是(31日] 联系最大动态垂直偏转,是最大的静态垂直偏转。

五个工作条件模拟速度不同(10公里/秒,15公里/秒,20公里/秒,25公里/秒,和30公里/秒)。因为它是一个小medium-span混凝土桥,速度不能太快。几乎没有不同桥偏转速度不同,采取15公里/小时和30 km / h为例比较无损桥梁,如图17。这表明损失有很大的影响对桥梁振动在重型车辆。影响因素(IM)的中跨桥如图18。

桁拱大桥中跨中最弱势群体结构。测量桥比有限元模拟桥严重损坏的作用下长期重负载。获得的影响因子在支持和四分之一的桥是一致的测量数据,如图19。

来自现场负载测试的影响因素是类似于有限元模拟,和影响因素是略高于有限元仿真数据的最大误差约为6%。结果表明,桥梁的动力响应的有限元仿真基于登车桥相互作用理论可以有效地评估桥梁的技术状况,以及桥梁的损伤检测(桥梁养护)可以实时提供数据为有限元模型,以确保桥梁的安全。

5。结论

(1)因为大多数国家容易忽略桥梁的后期管理,和影响因子判断桥梁是否好或坏主要是基于经验,这使得它很难确定真正的桥梁的振动。老桁拱桥建于上个世纪,由于混凝土开裂,钢筋腐蚀,和桥梁裂缝发生,有水平推力减少的问题,不平衡力的酒吧,和更大的拱的挠度。因此,一个快速和安全的检测方法提出了基于登车桥相互作用理论。有必要分析具体问题,并根据不同的桥梁结构调整参数和车辆条件。桥的参数分析说明了桥梁损伤可以严重影响我负荷能力和动态影响因素,该方法可用于评估在各种条件下桥的服务性能。影响因子都低于规范通过有限元软件快速检验和比较分析负载测试,和桥是在一个安全的条件服务。桥梁振动发生弹性变形,但在重型车辆过境点,桥面振动在更高的振幅和拱的挠度变化需要控制。为了确保安全性、适用性和耐久性的桥,桥上发现的缺陷有限元仿真结果需要及时修复。(2)根据现场检验,破坏旧桥梁通常指的是多个裂缝板底部,开裂的扩张降低对角酒吧,和放松的混凝土开裂,影响桥梁的生命。桥的结构性能恶化不断在现代交通流和重型车辆的影响,这将导致严重的结构性破坏。将形成一个恶性循环由于长期忽视的桥梁养护,混凝土桥梁的破坏加速,所以桥损坏需要及时发现。通过这种方法,损伤有限元表达的桥面是由路面粗糙度参数,可以有效地反映了路面不平度对桥梁振动的影响,甚至调查跳问题造成的损坏伸缩缝填料。桥的受损部分的数据导入到桥模型,分析了动态增加的影响下的车辆在桥上各种交通状况,可取代动态负载测试设置所需的测试点的损坏部件和评估桥梁的技术状况迅速在这个阶段根据灾难值的动态影响因素。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(排名51608343)和研究生科研创新项目(KYCX20_2774)。