摘要
为获取钢桥面超高性能混凝土铺装真实力学响应情况,对上海市同济路钢桥进行现场加载试验,分析铺装层在静载、动载以及运营期下的应变响应特征。结果表明,静载下铺装层最大拉应变在U型肋侧边上方铺装层顶,纵向距横隔板0.25 m处,方向为横向,值为25.1×1
钢桥面铺装在轮载下需要追随桥面板的变形,因此容易发生变形过大,从而出现病
目前对钢桥面铺装力学响应的研究主要有三种方式:一是采用力学计算或数值模
综合来看,基于实桥加载试验对钢桥面铺装力学响应特征的研究相对较少,并且这些研究主要集中在钢桥面沥青铺装上,而钢桥面UHPC铺装与钢桥面沥青铺装的受力响应特征可能并不相同。针对这些问题,本文在上海市同济路立交钢桥面铺装大修过程中,通过在铺装层预先埋入光纤应变传感器并进行现场加载试验,实测获取钢桥面UHPC铺装的应变响应数据。根据这些数据,对钢桥面UHPC铺装的静动载下的力学响应特征进行分析。
同济路立交钢桥为连续钢箱梁桥,宽9.05 m,单跨长24.50 m。桥面板为正交异性结构,板厚16 mm;横隔板间距4 m,板厚10 mm;U型肋间距60 mm,厚8 mm。
铺装方案为80 mm厚的UHPC铺装,内设抗剪钉(直径16 mm、长45 mm),间距为400 mm×400 mm;铺设钢筋直径为12 mm的钢筋网,钢筋网间距40 mm×40 mm;表面刻痕,刻痕深5 mm、宽5 mm,槽中心距22 mm,如
图1 钢桥面UHPC铺装结构示意图
Fig.1 Structure diagram of UHPC pavement on steel bridge deck
(1)有限元建模确定铺装层应变极值分布。采用有限元软件ANSYS进行实桥局部建模分析。建模时假设铺装层为连续均匀各向同性的弹性体,层间为完全连续接触。荷载采用等效双轮矩形荷载模拟,大小为0.7 MPa,如
图2 等效双轮均布荷载平面图(单位:m)
Fig.2 Equivalent double-type uniform load(unit:m)
图3 三维有限元模型
Fig.3 3D finite element model
(2)最不利加载位置确定。变换荷载在横断面的横向位置(此时纵向为横隔板正上方),如
图4 有限元模拟的横向加载位置
Fig.4 Transverse loading position of finite element simulation
图5 有限元模拟的纵向加载位置(单位:mm)
Fig.5 Longitudinal loading position of finite element simulation(unit: mm)
(3)传感器埋设方案。最不利位置加载下有限元计算得到铺装层最大拉应变为横向,值为25.7×1
图6 横向与竖向传感器布置及横向实桥加载试验方案
Fig.6 Arrangement of transverse and longitudinal sensors and scheme of transverse real bridge loading test
图7 纵向传感器布置与纵向实桥加载试验方案(单位:mm)
Fig.7 Arrangement of longitudinal sensors and scheme of longitudinal real bridge loading test(unit: mm)
(4)传感器选用光纤应变传感器,采集频率为100 Hz。传感器的应变计算公式如下:
(1) |
式中:为应变值;为传感器初始波长,m;为传感器实测波长,m;应变灵敏度,1
试验分为静载、动载、运营期三种加载方案,加载车为东风牌中型货车,通过装载沙袋控制后轮双轮组接地压强为0.7 MPa,加载车参数见
(1)静载加载试验方案。静载加载分为横向、纵向两种加载方案。横向加载时每断面上各有三种加载工况,分别为加载车的右侧双轮组轮隙中心位于第4U型肋左100 mm、U型肋左边上方和U型肋右100 mm。A断面工况记为工况1、2、3,B断面工况记为工况4、5、6,如
(2)动载加载试验方案。加载速度分别选择20、30和40 km·
(3)运营期加载。获取运营状态下的数据,选择某工作日的13:00~15:00连续测取。
为验证传感器数据的有效性与可行性,将最不利加载位置下A断面的实测结果与有限元结果进行对比,并计算误差Δ,如
(2) |
横向静载加载下断面A、B的实测结果如图
图8 A断面处横向静载试验结果
Fig.8 Results of transverse static load test at section A
图9 B断面处横向静载试验结果
Fig.9 Results of transverse static load test at section B
纵向静载加载下断面A、B的实测结果分别如图
图10 A断面处纵向静载试验结果
Fig.10 Results of longitudinal static load test at section A
图11 B断面处纵向静载试验结果
Fig.11 Results of longitudinal static load test at section B
不同加载速度下断面A、B的试验结果如图
图12 A断面处不同速度下动载试验结果
Fig.12 Dynamic load test results at different speeds at section A
图13 B断面处不同速度下动载试验结果
Fig.13 Dynamic load test results at different speeds at section B
(1)实测拉应变值均随加载速度的增加而减小,且拉应变值越大该规律越明显。
(2)加载速度为40 km·
(3)压应变值随加载速度的增加未表现出明显规律,这与钢桥面沥青铺装的速度越大,拉压应变越小的规
动载加载下铺装层的应变与加载时间所呈现的曲线为动态响应曲线。随着加载速度的变化,铺装层的动态响应曲线会发生变化,将变化规律进行归类后得到三类变化形式。第一类为A断面6#传感器处的变化形式(
图14 第一类拉应变动态响应特征曲线
Fig.14 Dynamic response characteristic curve of the first type of tensile strain
图15 第二类拉应变动态响应特征曲线
Fig.15 Dynamic response characteristic curve of the second type of tensile strain
图16 压应变动态响应特征曲线
Fig.16 Dynamic response characteristic curve of pressure strain
图17 拉应变的单峰波形
Fig.17 Single peak waveform of tensile strain
图18 拉应变的双峰波形
Fig.18 Bimodal waveform of tensile strain
图19 压应变的峰谷交替波形
Fig.19 Peak valley alternation wave form of pressure strain
根据试验结果可知:①第一类拉应变动态响应曲线在低速阶段(≤20 km·
动态响应曲线的双峰波形、峰谷交替波形已在钢桥面沥青铺装中被发
运营期社会车辆的轴载、轮迹线具有不确定性,传感器所测数据波动性大,单个传感器所测数据如
图20 运营期传感器所测数据示例
Fig.20 Sample data measured by sensors in operation period
运营期、静载试验、动载(40 km·
为了对比运营期与动载试验中动态响应曲线的不同,选取动载试验中三类曲线所对应的传感器,将这些传感器在运营期测得的动态响应曲线与动载试验结果(以20 km·
图21 运营期第一类拉应变动态响应特征曲线
Fig.21 Dynamic response characteristic curve of the first type of tensile strain in operation period
图22 运营期第二类拉应变动态响应特征曲线
Fig.22 The second type dynamic response curve of operation
图23 运营期压应变动态响应特征曲线
Fig.23 Dynamic response characteristic curve of pressure strain in operation period
(1)运营期的动态响应曲线的波形符合动载试验中所发现的三类波形特征,即单峰、双峰、峰谷交替波形。同时动态响应曲线变化随加载速度的变化规律也与动载试验中的规律一致。
(2)相较于动载试验结果,运营期动态响应曲线的波峰更高,波形更加尖锐,说明铺装层在运营期承受的变形要大于动静载标准试验。
(1)钢桥面UHPC铺装受力最大区域出现在U型肋两侧边正上方的铺装层顶,纵向距横隔板0.25 m处,方向为横向,大小为25.1×1
(2)动载作用下,钢桥面UHPC铺装层力学动态响应规律与钢桥面沥青铺装的规律并不一致。UHPC铺装层的拉应变值随车速增大而减小,压应变值变化不明显。铺装层动态响应曲线具有三种波形:单峰、双峰、峰谷交替。铺装层动态响应曲线随速度的变化,其波形也会发生变化,变化特征可以划分为三类,分别为拉应变的两类变化特征与压应变的一类变化特征。
(3)钢桥面铺装层力学动态响应特征的影响因素为车辆行驶速度与铺装层的弹性模量。UHPC铺装最大受力位置在动载作用下的受力频次相对于沥青铺装得到了减少。
(4)运营期钢桥面UHPC铺装层的最大拉应变值大于静载加载试验结果,这是钢桥面铺装设计时需要考虑的因素。运营期UHPC铺装层应变的动态响应曲线特征与动载试验结果一致,因此动载试验结果可为钢桥面铺装动载下的设计提供参考。
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