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      船撞鋼筋混凝土箱型拱橋受力性能及穩(wěn)定性研究

      2022-11-21 11:13:20黃海珊林本虎梁高榮
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年33期
      關(guān)鍵詞:箱型拱橋拱頂

      黃海珊,林本虎,梁高榮,2

      (1.廣西交建工程檢測咨詢有限公司,南寧 530024;2.廣西路建工程集團有限公司,南寧 530001)

      近年來,隨著航運事業(yè)的不斷發(fā)展,內(nèi)河航運噸位越來越大,航運船只撞擊橋梁的事件時有發(fā)生,給橋梁安全及人民生命財產(chǎn)帶來極大隱患。船橋碰撞問題也越來越引起學(xué)者們關(guān)注,并對船橋碰撞問題開展研究。郭健等[1]運用層次分析法和熵權(quán)法對舟山朱家尖跨海大橋進行船撞橋風(fēng)險評估,并提出相應(yīng)的風(fēng)險控制對策及措施。鐘智福等[2]以某船撞橋梁為工程背景,基于橋梁鑒定檢測結(jié)果,提出橋梁加固措施。王貴春等[3]研究了不同樁土模型下的船橋碰撞動力性能差異、船舶航速和質(zhì)量對橋墩船撞動力性能的影響,并比較采用相關(guān)經(jīng)驗公式和各國橋梁設(shè)計規(guī)范評估撞擊力時的適用性。曹明等[4]采用動力分析軟件LS-DYNA進行了不同船速、不同通航水位、不同基礎(chǔ)形式和不同船型等因素對船撞力的影響分析研究,并對船撞力計算公式提出改進方法。張愛鋒等[5]采用非線性有限元仿真方法,研究船舶航速、船舶載況、碰撞角度和橫向偏移距橋墩截面形式5個因素對船橋碰撞力及接觸時間的影響,得出各因素作用下船撞力差異??梢姡瑢Υ矘蛄旱陌踩u估,以往的研究成果大多針對橋梁下部結(jié)構(gòu)的船橋碰撞問題,而對于上部結(jié)構(gòu)遭受撞擊后的承載能力研究則鮮有報道。本文以某鋼筋混凝土箱型拱橋為對象,運用數(shù)值模擬的方式對拱圈遭受船舶撞擊前后橋梁的受力情況、活載作用下橋梁撓度及穩(wěn)定性進行了分析研究。

      1 工程背景

      某鋼筋混凝土箱型拱橋橋梁全長366.2 m,橋梁寬度12.5 m,橋梁跨徑組合為5×65 m。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱拱,每跨7片拱箱,拱箱為懸鏈線拱箱,m=1.988,f0/L0=1/7,混凝土材料等級為C30。下部結(jié)構(gòu)為重力式橋墩橋臺,墩臺基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)。橋梁單向坡度為0.75%,西低東高。橋梁設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-100級,航道等級為6級航道,于1987年建成通車。該橋某年遭受通航船舶凸起物沿拱底全截面劃過,損傷寬度約20 cm。橋梁跨徑布置圖如圖1所示。

      2 有限元模型的建立

      采用專用橋梁結(jié)構(gòu)計算軟件Midas Civil建立該鋼筋混凝土箱型拱橋模型。考慮到該橋橋墩抗推剛度較大,忽略連拱效應(yīng),因此僅建立被撞橋跨的有限元模型。建模時,跨中拱頂受損處在20 cm內(nèi)以去除拱肋截面底板的方式進行模擬;該橋為實腹式上承式拱橋,僅考慮主拱作為主要承重結(jié)構(gòu)。有限元模型如圖2所示。

      3 結(jié)構(gòu)計算分析

      3.1 結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂拱肋應(yīng)力對比分析

      在分析結(jié)構(gòu)船撞損傷前后拱頂拱肋應(yīng)力時,考慮以下荷載組合。

      (1)組合1:恒載+GC+人群;

      (2)組合2:恒載+QC+人群;

      (3)組合2:恒載+GC+人群+溫升;

      (4)組合2:恒載+GC+人群+溫降;

      (5)組合2:恒載+QC+人群+溫升;

      (6)組合2:恒載+QC+人群+溫降。

      不同荷載組合下,結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂與全拱肋的最大應(yīng)力計算結(jié)果見表1;限于篇幅,文章僅給出組合1和組合2的全拱肋應(yīng)力云圖,如圖3和圖4所示。

      表1 結(jié)構(gòu)損傷前后不同荷載組合下拱頂與全拱肋的最大應(yīng)力 MPa

      由表1可知,拱頂損傷前后主要影響的是恒載以及溫度荷載作用下的應(yīng)力,對恒載與活載共同作用下的影響較小:恒載單獨作用時拱頂損傷后拱頂最大應(yīng)力增大28.09%,全拱肋最大應(yīng)力增大1.35%;恒載與活載(不論是GC還是QC)共同作用時,損傷前后拱頂最大應(yīng)力相差不超過1.50 MPa,且不論疊加何種車輛荷載,全拱肋最大應(yīng)力基本不發(fā)生變化,但應(yīng)該注意的是,車輛荷載為GC時拱肋最大應(yīng)力的最大增幅會比QC大5.00 MPa左右;降溫對全橋的影響大于升溫。

      3.2 結(jié)構(gòu)損傷前后撓度對比分析

      在分析船撞前后橋梁撓度時,考慮以下荷載組合。

      (1)組合1:GC+人群;

      (2)組合2:QC+人群。

      2種荷載組合作用下拱肋的最大撓度見表2,相應(yīng)的拱肋變形如圖5和圖6所示。

      表2 不同荷載組合作用下拱肋的最大撓度mm

      由表2可知,2種荷載組合作用下,船撞前后拱頂拱肋最大撓度基本相同。由圖5和圖6可知,2種荷載組合作用下拱頂損傷前后拱肋出現(xiàn)最大撓度的位置均在約L/4跨處。

      3.3 結(jié)構(gòu)損傷前后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對比分析

      對結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析,結(jié)果見表3,屈曲模態(tài)如圖7所示。由表3及圖7可知,損傷前后結(jié)構(gòu)首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)基本未發(fā)生變化,穩(wěn)定系數(shù)約為22.11,屈曲模態(tài)為面內(nèi)失穩(wěn)。且前10階內(nèi)未發(fā)生面外失穩(wěn)。

      表3 損傷前后結(jié)構(gòu)首次發(fā)生失穩(wěn)時的穩(wěn)定系數(shù)及屈曲模態(tài)

      3.4 影響線及車輛加載分析

      在最不利荷載作用下,拱肋出現(xiàn)最大應(yīng)力時的影響線如圖8所示??梢?,拱頂在船撞損傷前后,當(dāng)拱肋在最不利荷載作用下達到最大應(yīng)力時,活載的布置位置相同。

      考慮到拱肋所用材料為C30,為保守計算,以荷載組合“恒載+QC+人群”作用下的拱肋最大應(yīng)力值-10.66 MPa作為標(biāo)準(zhǔn)進行車輛加載分析。

      按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》里的標(biāo)準(zhǔn)車輛,在圖9中影響線范圍內(nèi)施加車輛荷載,在拱肋最大應(yīng)力達到-10.66 MPa時停止加載,以此時的車輛數(shù)作為橋梁限載通行數(shù)量。通過分析表明:當(dāng)車輛達到4輛時,拱腳最大應(yīng)力為-11.42 MPa(如圖9所示),與-10.66 MPa基本吻合,因此建議限制4輛以下的標(biāo)準(zhǔn)車輛通行。

      4 結(jié)束語

      通過借助有限元軟件采用不同的荷載組合,對某鋼筋混凝土箱型拱橋被船舶撞擊后的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行模擬分析,結(jié)果表明:

      (1)在不同荷載組合作用下,結(jié)構(gòu)損傷前后拱頂最大應(yīng)力差值均小于1.50 MPa;

      (2)結(jié)構(gòu)損傷前后拱肋最大撓度、穩(wěn)定性系數(shù)和最不利荷載作用下的最大應(yīng)力位置基本保持不變。

      (3)采用影響線進行模擬分析,給出橋梁通行車輛的限載數(shù)量。

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