25t 軸重下中, 小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法.doc

1、文庫(kù)下載 免費(fèi)文檔下載/本文檔下載自文庫(kù)下載網(wǎng)，內(nèi)容可能不完整，您可以點(diǎn)擊以下網(wǎng)址繼續(xù)閱讀或下載：/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html25t軸重下中_小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法疲勞性能第19卷第2期鐵道學(xué)報(bào)Vo1.19No.225t軸重下中、小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法戴公連呂海燕曾慶元(長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院)提要通過(guò)三片模擬梁試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,探討了基頻法評(píng)估鐵路橋梁疲勞使用性能的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明,25t軸重荷載作用下,結(jié)構(gòu)疲勞安全度及使用性能滿足營(yíng)運(yùn)要求。關(guān)鍵詞鐵路

2、橋梁疲勞自振頻率安全度中圖分類號(hào)U4411引言為滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需求,鐵道部擬將列車軸重荷載由21t提高到25t,荷載提高后,既有線路上的中、小跨度混凝土橋梁疲勞承載能力或疲勞壽命還有多少;疲勞使用性能是否滿足列車運(yùn)營(yíng)要求等,成了鐵路運(yùn)輸管理部門十分關(guān)注的問(wèn)題。鐵路橋梁的疲勞壽命可以通過(guò)積傷理論進(jìn)行估算31,2;而疲勞使用性能尚沒(méi)有一個(gè)合理的預(yù)測(cè)方法。鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則中規(guī)定,在靜活載作用下橋梁撓度不得超過(guò)跨徑的1/800或不大于中活載作用下的計(jì)算值。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量列車靜活載作用下的撓度必須中斷運(yùn)營(yíng),而且由于條件限制精度很難保證。鑒于此,本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M鐵路橋梁的實(shí)際工作狀態(tài),探討

3、重復(fù)荷載作用下疲勞損傷與結(jié)構(gòu)自振頻率之間的關(guān)系,從而找出一種通過(guò)結(jié)構(gòu)自振頻率評(píng)估橋梁使用性能的新方法。因?yàn)闃蛄旱淖哉耦l率可以由列車過(guò)橋后的余振波形得到,方法簡(jiǎn)單易行。2基本原理自由振動(dòng)是外部激勵(lì)去掉后結(jié)構(gòu)繼續(xù)產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象。由于自由振動(dòng)的特點(diǎn)僅取決于結(jié)構(gòu)本身的特性,故自由振動(dòng)能揭示出結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和損傷程度。結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移和內(nèi)力都與結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān),知道了自振頻率就可以確切地知道結(jié)構(gòu)的剛度和內(nèi)力,從而找出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動(dòng)的原因,因此,結(jié)構(gòu)的自振特性具有重要的工程意義。對(duì)于具有連續(xù)分布的一維力學(xué)系統(tǒng)的梁,如圖1,其運(yùn)動(dòng)方程式一般可按力的平衡和基于哈密頓原理等方法求得。設(shè)y(z,t)為梁振動(dòng)位移,L為

4、梁長(zhǎng),梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量和彎曲剛度分別是m(z),EI(z)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自由振動(dòng)時(shí),其動(dòng)能與位能進(jìn)行反復(fù)交換,對(duì)于保守系統(tǒng),根據(jù)能量守恒原理,有收/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html稿日期:1996-10-29戴公連講師長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院土木工程系郵編:410075第2期25軸重下中、小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法U T=常數(shù)U,T分別表示系統(tǒng)的位能和動(dòng)能。若把梁的自由振動(dòng)表示為(1)圖1振動(dòng)模型圖y(z,t)=aY(z)sin(?t v)(2)其中Y(z)為滿足邊界條件的振型函數(shù),則位能和動(dòng)能分別為4L222asin(?t

5、 v)EL(z)(Y)dzEI(z)(y)dz=002LL2222T=m(z)(y)dz=a?cos(?t v)m(z)Ydz0202當(dāng)sin(?t v)=1時(shí),cos(?t v)=0?T=0,U=UmaxU=2L2(3)(4)當(dāng)cos(?t v)=1時(shí),sin(?t v)=0?U=0,T=?Tmax由式(1)Umax 0=0 ?Tmax則max2?=Tmax=22m(z)Ydz 2L2EI(z)(Y)dz0(5)對(duì)于簡(jiǎn)支梁,滿足邊界條件的振型函數(shù)可寫(xiě)成Yn(z)=Dnsin則Yn(z)相對(duì)應(yīng)的固有頻率為?n=(2)L(n=1,2,3,)m(7)(n=1,2,3,http:/www.wenku

6、/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html)L(6)若取n=1,則得第一固有頻率即基頻為2)(8)Lm根據(jù)上式可以看出,對(duì)于給定的梁,相應(yīng)于某一振型函數(shù)的結(jié)構(gòu)固有頻率只與結(jié)構(gòu)的抗彎?1=(剛度有關(guān)。據(jù)此,可以通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的固有頻率判斷結(jié)構(gòu)的剛度變化情況,進(jìn)而了解結(jié)構(gòu)的使用性能。3模型試驗(yàn)3.1模型梁設(shè)計(jì)與制作試驗(yàn)梁按模擬鐵路20m跨簡(jiǎn)支梁的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。跨度4m,主筋為4根?16螺紋鋼筋,混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為350號(hào),在室內(nèi)一次灌注三根試件。截面尺寸如圖2所示?；炷敛牧咸匦栽囼?yàn)結(jié)果為R=35.8MPa,Ra=26.1MPa,Eh=33GPa。3.

7、2試驗(yàn)荷載試驗(yàn)采用單點(diǎn)加載如圖3所示,荷載上限和下限分別模擬20m跨鐵路橋梁在恒、活載作5鐵道學(xué)報(bào)第19卷軸重荷載,510次以后模擬25t軸重荷載。圖4測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試系統(tǒng)示意圖圖3疲勞試驗(yàn)加載譜3.3測(cè)試方法為了得到梁在重復(fù)荷載作用下的使用性能,試驗(yàn)時(shí)測(cè)試了梁的一階固有頻率、跨中撓度、裂縫等隨荷載重復(fù)作用次數(shù)的變化情況。固有頻率采用了三種傳感器同時(shí)測(cè)試,分別用混凝土表面應(yīng)變計(jì)、位移傳感器、加速度計(jì)作為拾振器。測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試系統(tǒng)如圖4。實(shí)測(cè)振動(dòng)波型及基頻分析結(jié)果如圖5。4試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析4.1試驗(yàn)梁未開(kāi)裂時(shí)的自振頻率結(jié)構(gòu)自振頻率和結(jié)構(gòu)剛度一一對(duì)應(yīng),混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂前全截面參加工作,梁體各截面剛度

8、完全一致。為了驗(yàn)證基頻法評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)使用性能方法的可靠性,在未加載前,測(cè)試了模型梁的一階自振頻率,并用式(8)進(jìn)行了理論分析計(jì)算,結(jié)果如表1。由表1可知,用三種拾振器的測(cè)試結(jié)果基本一致,而且和理論分析吻合很好。4.2試驗(yàn)梁自振頻率隨荷載重復(fù)作/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html用次數(shù)的變化第2期25軸重下中、小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法用下,剛度的變化應(yīng)反映在基頻的變化上。本文對(duì)三片梁按圖3進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),測(cè)試了荷載重復(fù)作用次數(shù)與基頻的關(guān)系,實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可知,結(jié)構(gòu)基頻隨荷載作用次數(shù)而降低,但未開(kāi)裂梁

9、基頻測(cè)試結(jié)果(單位Hz)表1由于橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)力幅值較小(20m跨橋梁中鋼筋應(yīng)力幅在25t軸重荷載作用下為119.67MPa),結(jié)構(gòu)的損傷并不嚴(yán)重,為了探討這種規(guī)律性,對(duì)1號(hào)梁進(jìn)行了總計(jì)1610次的重復(fù)加載,由試驗(yàn)結(jié)果可看出,經(jīng)1666梁號(hào)應(yīng)變拾振器? 位移拾振器?!加速度拾振器?a理論值141.54241.540.7241414140.7341.641.641.640.710次作用后結(jié)構(gòu)的頻率降低較大,鋼筋未斷裂,混凝土裂縫也沒(méi)有明顯增加,因此結(jié)構(gòu)疲勞極限承載能力安全度足夠,但此時(shí)結(jié)構(gòu)的疲勞使用性能可能不滿足要求。表中數(shù)據(jù)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象,這可能是由于支座位置移動(dòng),彎扭耦合振動(dòng)等原因所致。4.3

10、試驗(yàn)梁跨中撓度隨荷載重復(fù)作用次數(shù)的變化試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)跨中撓度進(jìn)行測(cè)試,撓度項(xiàng)中僅為靜撓度,未計(jì)沖擊力及殘余撓度影響,如表3?；l實(shí)測(cè)結(jié)果(單位:Hz)疲勞次數(shù)N/104次?138530501001502002503003504005006007008009001000110012001300140015501600373730303134333635323430梁號(hào)1?!38373730303134333635323430?a38373730303134333635323430? 39梁號(hào)2?!39?a39://doc/6615a102a6c30c2259

11、019e0e.htmlr? 37.5?!3837表2梁號(hào)3?a3837疲勞次數(shù)N/104次1530501001502002503003504005006007008009001000110012001300140015501600跨中撓度測(cè)試結(jié)果梁號(hào)1荷載撓度/kN/mm梁號(hào)2荷載撓度/kN/mm表3梁號(hào)3荷載撓度/kN/mm36.536.536.536.537373737373634363835353529333337373737373634363835353529333337373737373634363835353529333344.24.12339.23.42039.53.52044.

12、14.65339.23.59839.53.57443.94.65139.03.66639.33.68944.04.13438.73.84344.04.66744.04.10743.94.05244.24.75244.04.03543.24.35243.84.69244.03.99343.74.60243.94.72044.03.95843.04.40144.04.51743.83.96643.04.16744.24.61344.03.98543.84.49244.04.61044.03.99944.24.54144.24.64344.04.10244.14.45943.84.00844.24.

13、51044.03.96544.04.65843.84.08044.143.843.844.344.044.14.79944.14.0234.75044.23.9924.73344.14.1544.6204.8134.720://doc/6615a102a6c30c2259019e0e.htmlpar37.537.537.535.536.536.536.5373836.536.536.535353535353534.534.534.533.533.533.534.5353535.535.535.533.533.533.533333335.535.535.53

14、4.534.534.532283228322825.525.525.5由表3可知,隨著荷載作用次數(shù)增加,梁體跨中撓度逐漸增大,如2號(hào)梁,荷載重復(fù)作用12106次時(shí)撓度與初始撓度之比為1.07,圖6為撓度隨荷載變化的關(guān)系曲線,從圖中可知,當(dāng)荷載一定時(shí),從510次到1610次之間,撓度基本變化不大,這和前節(jié)所述基頻測(cè)試結(jié),56鐵道學(xué)報(bào)第19卷圖61號(hào)梁跨中撓度與疲勞次數(shù)關(guān)系圖73號(hào)梁跨中撓度荷載曲線兩種方法實(shí)測(cè)剛度對(duì)比(單位107Pa?m4)表44.4結(jié)構(gòu)剛度分析梁號(hào)2梁號(hào)3根據(jù)前述方法測(cè)得結(jié)構(gòu)的基頻和結(jié)構(gòu)的撓N/104次梁號(hào)1度,用二者均可間接得到結(jié)構(gòu)的剛度。由基頻實(shí)測(cè)結(jié)果,結(jié)構(gòu)剛度?由撓度實(shí)測(cè)

15、結(jié)果,結(jié)構(gòu)剛度EI?=3EI!=48!24EI?EI!EI?EI!EI?EI!1530501001502.341.441.541.851.752.081.961.641.851.442.021.801.752.021.911.641.261.041.431.26/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html1.241.291.281.271.291.271.281.301.231.241.532.141.452.251.422.

16、191.422.191.432.191.452.191.462.191.482.081.471.851.472.081.462.311.961.431.961.451.961.471.351.431.751.461.751.471.422.392.141.961.961.911.801.961.491.471.421.341.441.351.271.301.371.30(9)(10)2002503003504005006007008009001000110012001300140015501600由式(9)和式(10)可得梁體剛度如表4。由表4可知兩種方法所得剛度計(jì)算結(jié)

17、果變化趨勢(shì)基本一致,但動(dòng)剛度比靜剛度要大。試驗(yàn)結(jié)果證明可以用基頻法評(píng)估結(jié)構(gòu)的使用性能。5結(jié)束語(yǔ)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的對(duì)比,論述了結(jié)構(gòu)基頻與結(jié)構(gòu)使用性能的關(guān)系,說(shuō)明了用基頻法評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的方法及可行性。由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)重復(fù)荷載作用1610次時(shí),結(jié)構(gòu)沒(méi)有疲勞斷裂,說(shuō)明20m跨度簡(jiǎn)支混凝土梁在25t軸重荷載作用下疲勞承載能力是足夠的。重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的使用性能隨荷載作用次數(shù)有所改6變,但在后期變化不大,說(shuō)明使用性能也能滿足運(yùn)營(yíng)要求,但由于本文僅是20m跨普通鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究結(jié)果,所以對(duì)基頻法評(píng)估使用性能的研究?jī)H是初步探索,尚缺乏足夠的試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料,建議加強(qiáng)研究。6參考文獻(xiàn)1戴公連

18、,徐名樞.鐵路鋼筋混凝土橋梁疲勞承載能力可靠度.長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1993;(1)2文雨松.鐵路鋼筋混凝土梁疲勞問(wèn)題的分段線性解.鐵道學(xué)報(bào),199/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html6;18(1):79833中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁隧道建筑物大修維修規(guī)則.北京:中國(guó)鐵道出版社,19904R.W.克拉夫.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué).北京:科學(xué)出版社,1983第2期25軸重下中、小混凝土橋疲勞性能評(píng)估基頻法First-FrequencyMethodofEstimatingtheFatigueServiceabilityonSm

19、allandMediumSpanRailwayConcreteBridgeunder25t-Axle-WeightVehicleLoadDaiGonglianLuHaiyanZengQingyuan(Dept.ofCivilEngineering,ChangshaRailwayUniversity,Changsha410075)AbstractThefirst-frequencymethodofestimatingthefatigueserviceabilityonsmallandmediumspanrailwayconcretebridgeisdiscussedinthispaperthroughthreepiecetestbeamunderfatigueload.Thetestresultsshowthattheexistingrailwayconcretebridgeshavee-noughfatiguesafetyandgoodserviceabilityintheirservicelifeunder25t-axle-weightvehi-cleload.Keywordsrailwaybridge;fatigue;firstfrequency;safety(責(zé)任編輯張武美)征訂1997年鐵道學(xué)報(bào)啟事鐵道學(xué)報(bào)是