何继鹏翻译.pdf

对跨度 20 米的石拱桥的荷载试验 摘要 要评估一个石拱桥负荷强度 需要进行动态和静态的荷载试验 在静态测试中 需要应用 7300 千牛的重量 而在动态测试中 则应用动荷载 1200 千牛的重量 即使会有大量裂缝 桥梁仍然呈现出了相对的坚实状态 它能比一般的工作载荷 承受更多 这个表现能与一个多层次的结构相比 而不仅仅是一个拱形的结构了 这个研究表明这座桥梁即使在拥有很多宽大裂缝 遭受碳化及将近 60 年历史的 的条件下 仍然拥有相对大的保留力量以及适宜的动态表现 1 引言 近几年 许多研究人员对石拱桥的剩余承载力进行了研究和评估 许多石拱 桥都修建在几十年前 并且都是在当时的条件与承载力的基础上建造的 而这些 条件年年都在发生着变化 我们不能预测这些结构的剩余承载力 有一种可靠地 说法是 这种现象是由于时间对金属材料的疲倦和蠕变 环境原因而造成的裂缝 及金属的腐蚀 与建筑无关材料无关由于车道的引入 限制条件的变化 以及 设计的不同标准而造成的 要克服这些制约因素 场地测试给我们提供了一个可 靠地解决办法 在建筑材料的基础上 石拱桥被分成了三类 它们分别是 砖砌拱桥 石拱 桥 以及水泥拱桥 对砖砌拱桥以及石拱桥的场地测试以及实验室的测试都时有 报道 而对水泥石拱桥的测试报告却在很少的文件里才可以看到 这篇文章便会 来讨论对水泥石拱桥的测试情况 这篇文章描述了对水泥石拱桥的承载力测试 这座桥于 60 年前修建 严重 破裂并遭受碳化 这种类型的桥在铁路网密布的伊朗足足有上千座 这里讨论的 是这些桥梁在不断增多的轮轴负荷及交通量的情况下的安全性与耐用性 这次荷 载测试的对象是在近几年已经停止通行了的一个长为 23 米的水泥石拱桥 2 对这座桥的描述 这座桥坐落在德黑兰火车站 23 公里处 由两个相同的长为 20 米的拱桥组成 每一个跨都有很深的裂恒 也受到了环境的侵袭 这个区域拱腹上裂痕的宽度有 10 毫米到 30 毫米不等 拱底石上也有一些显而易见的裂痕 有 3 毫米宽 100 600 毫米长 加固措施并没有被用在所有的部分 包括拱 拱上侧墙 拱座 翼墙 支墩以及一些基础设施 它们都是由大体积混凝土建造的 薄壁混凝土则被用作 填充材料来把桥拱抬到水平面 这个火车轨道铺在一个由夯实水泥土做成的碎石 层上 桥 Km 23 概况 如图一所示 图一 这座桥的几何特征在表 1 进行了介绍 表一 拱桥的 形状 跨数 跨度 m 拱形 拱顶厚 度 mm 拱脚厚 mm 拱宽 m 桥高 m 墙壁厚 度 mm Km 23 2 20 分段施 工 1000 1900 3 9 12 1000 要确定来自不同部分的混凝土 圆柱的质量 表 2 进行了结果展示 项目 压缩强度 Mpa 弹性模量 Gpa 碳化深度 mm 密度 kg m3 混凝土填充 17 6 20 2 4 2 2300 拱 17 3 17 0 38 0 2280 边缘 27 9 37 3 54 6 2350 我们可以发现重要的性质 如无侧限抗压强度 密度和弹性模量 不同的弹 性 因所在层次的不同而不同 特别是 抗压强度是 17 个兆帕 这个强度够高 可 以被认为是钢筋混凝土结构 碳化量也被进行了测量 在桥梁的桥墩上暴露于空 气的最大深度超过 50 mm 深 3 仪器仪表和加载程序 Km 23 包括两跨桥 只从中测试了北方跨度的性能 总共七个位移传感器被放 在了重要的地点 在离桥头和桥尾四分之一的桥拱处 此外 两个加速度计也被安 装在了它们身上 此次试验使用的一个 30 波频的日志记录器 连接通道动态数 据的波频为 10 数据监测器连以及一台个人电脑都是由日本的 TML 制造的 图 2 阐述了 LVDTs 宽裂纹和加速度计的安装 五个坚实的平台被安装在了桥下以及毗 邻桥的地方 它们用来提供到达在不同地点拱腹的通道 也为在测试过程中可能 造成的塌陷情况提供保护措施 图 2 LVDT 检测宽裂缝在拱顶的水平和垂直加速度 在静态试验中 空闲状态下约 6000 千牛的 U 33 铁轨被用来制造 40 千牛权 重 奠定了权重系数在斯坦福桥的平行 垂直轴 并在距离以确保一个统一的载 荷分布 此外 1280 kN 的铅 组成 12 kN 权重 被用来达到总负荷 7280kN 逐 渐增多 载荷和位移进行测量 并以每 240 千牛增加负荷 图 3 所战士的是静态测 试下的 Km 23 桥 桥梁静载实验 km 23 在动态试验中 通过 1200 千牛 6 轴的机车以 10 20 40 60 80 公里 小时的速度通过桥上 拱门的反应 从垂直和水平位移和垂直加速度 都被记录了 下来 采样率为 200 赫兹 记录机车已经达到前就开始沟通的桥梁 持续了一段时 间后 它已超越了以上的结构 4 静态试验的结果 桥梁 Km 23 的静力响应 根据北部跨度的偏转 如图 4 所示 图 4 垂直偏转 毫米 两曲线表明 对于两边的开裂的顶端 显示差异较小 表明了一种相对对称行 为的拱门 两曲线显示一个相对的比例曲线是相对均衡的荷载与变形间之关系的 反应 从一开始到一个负载约 6000 千牛的水平 在这一阶段 边坡的滑坡及大变 形曲线开始产生 因此 屈服极限可能会呈现 观察表明 随着逐渐增加的荷载 发状裂痕在施工缝和周围的初始裂缝逐渐显现出来 当负荷级达到约 4000 千牛 的时候 裂缝变得可见 并且随着负荷的增加慢慢变深变宽 桥的反应并不受初 始裂纹影响的 尽管许多缺陷 这种行为虽较为僵硬和强烈但达到屈服极限时只 有 11 毫米偏离原位置 在裂缝宽度变化的顶端进行了线性差动变压器水平测量 如图 5 所示 图 5 增加的裂缝宽度 毫米 我们可以发现裂缝的扩大从测试开始一直延续到最后 曲线表明 当载荷水 平增加了至约 6000 千牛的时候 竖向挠度开始达到屈服 几乎在同一时间 裂缝 扩大的速度开始增加 这表明屈服发生在横向及纵向方向 在达到屈服以后 也就是从 6000 千牛开始并且持续到最后一个阶段 得到的 反应却是在施工缝 顶端 两端的拱门有严重开裂 初始裂缝周围也开始显现 裂缝形式与屈服前相同 但裂缝变得更宽更深 如图 6 所示 图 6 裂缝在静载格局的最后阶段 记了以前存在的裂缝试验 在这个图中除了初始裂缝 垂直差距的跨度 建筑的空白处 同时也列出 可以看到 在测试期间 裂缝的开裂方式由施工缝的几何架构和初始裂缝的位置 决定 5 动态测试结果 在动态测试中 1200 千牛六轴机车以每小时 10 20 40 60 80 公里的 速度通过以上的桥梁图 7 显示的是 60 公里 小时垂直挠度的变化的速度 图 7 在 km 23 桥上以每小时 60km 速度动荷载影响线 在拱顶记录 Km 23 曲线开始下垂变形和到达前方和后方下两个比 较大的峰值转向当机车达到向下最大跨度 向上偏转开始和形成两个相 对小高峰 负荷加上去以后后已立即通过向下最大跨度 幅度急剧下降 对结构的快速波动的顺利反应得到验证 在动态的试验中 图像看出衰减振幅比较迅速 当机车荷载加上以 后 立即传出数据表明一个存在比较大抗压能力和很难抵抗共振效应图 8 显示的垂直加速度变化大桥 km 23 图 8 时间 秒 在动荷载作用 这可能被观察到 当负载达到北部跨度 快速的波动 幅度相对发生较大 当机车到达下一个跨度 振幅急剧下降 波动消失很 快使负载传递的整个桥梁 这种特性在所有的动态观察试验 表示根据机 车移动方向的性能有关 图 9 表示互谱密度函数 图 9 互谱密度函数频率 hz 上图描述描述 主要是比较大的质量和高硬度的结构和填充材料对 压载层的动力响应 在动态测试只输出信号的记录 对于系统的输出测 量鉴定 互谱密度函数 计算两个官方加速度 该结果平均归在不同的 速度 该分析表明 第一个值的 10 9 赫兹是自然频率的结构 图 9 显示 变化跨桥梁 km 23 密度函数 在动态测试中 影响因子进行了测定 这 一因素取决于跨度的自由长度和类型的结构体系 材料性能 支撑条件 负荷特性 以及反应的性质 一个重要的考虑因素是定义影响因子 这 是定义上的垂直基础位移之重 也就是最大位移以不同的速度分别除以最 大排水量为 10 公里 小时结果描绘如图 10 所示 速度 km 每小时 图 10 拱桥的速度影响因子 这个数字表明 影响因子 一般情况下 随速度增加而增加 并提出 1 20 的影响值 为速度高达 80 公里 小时建议的价值可能 相比之下 由国际铁路 联盟提出的建议 776 1 14 欧洲法规 1 15 AREMA 16 第一 推荐了 两个参考值 1 46 1 29 这可能是第一次观察到两个引用是相保守的 而 1 29 更靠近测试结果 6 数值模拟和额定载荷 这座桥的结构表现出较高的冗余 并施展了多层次的连续一个拱形结构 而 不是形式 在数值 建模 二维有限元法中使用了大桥的所有部分 包括牌坊 码头 地基 土壤 侧墙 填充材料 镇流器等在同一平面的应力出现了 初 始裂缝进行了仔细记录 并作了记录在会议内容中 一个 10 米厚土层 低于基础上考虑 直它被认为是可以出现的裂缝和土层 大 大影响了模型的收敛 在数值模拟中 无论在静态和动态荷载都进行了模拟 静态荷载形成均匀分布荷载是呈现连续上升 根据步骤测试动态荷载六点是参 有图案和大小相似六个机车车轴 该点沿着时间轴长的桥 对应于机车速度 数 值模拟仅限于预侧范围内响应 在垂直位移为选为校准 弹性模量 镇 流器 填充物 拱 土壤被用作自适应参数 校准之间和测量曲线几乎接近重 合 得到如图 10 所示 该试验的主要目的是获得一个现实估算桥的残余应力 实验表明 在临界区 尽管形成严重的拱裂缝 但系统重新分配荷载到其他区域 使内力持续上升 在这一发现的基础上形成了对于整个系统的荷载负荷等级 为了评估其残余应 力的大桥是额定荷载因子决定 该因子通常被定义为活载和活载能力之间的比 例的需求 基于应力设计配比下面的公式用 凡在不同的参数方程为 射频 RF 额定负荷因子 材料容许应力 并根 据具体的测试核心的压力所造成的极限荷载 计算校准的数学模型 按标 准造成的压力活荷载 数值计算校准模型 影响因子 通过实验确定 对于活载 采用 25 吨轴重的标准模式 根据国际铁路联盟 776 1 通用 一个重要的考虑因素是一个适当的极限状态的定义 对于钢筋混凝土构件时 通 常定义最大弯曲应力为极限状态 但在混凝土圬工拱桥 弯曲应力不大和加固不 存在 此外拉伸过早出现裂缝 这些测试表明 在负荷水平比原有负荷大 即使 严重开裂和大幅度下降的刚度 结构抗力和继续上升的位移变形仍然很小 因此 有开裂和拉应力没有影响 另一种极限状态是最大拱压应力 使用 1 4 这个标准 计算 如果最大容许挠度均假定为极限状态 负载评级系数将超过 10 总体而言 荷载等级的考虑表明 面临越来越大的荷载需求此桥仍然拥有 足够的强度和安全性能 7 摘要和结论 在一个试验性计划 其余的荷载加载到一个普通的钢筋混凝土拱桥上面堆 起承受能力进行了研究 实验分别从不同层面 包括动态和静态测试为核心 得 出一些重要的结论 如下所示 测试表明 所有的拱桥部分 如拱 侧墙 填充层 桥墩 基础 块石层 促进了桥的结构抗力和结构性能 裂缝的分布表明该石桥犹如一个连续多层次的 结构 而不只是一个拱形式 尽管在关键路段出现比较广泛而很深的裂痕 但在测试前进行了承压所以 已经存在 即在测试过程中发生的情况依然反映出桥有较为强劲和僵硬所能承受 荷载水平远高于预期的荷载承受水品并且承受的荷载更大 长期由于碳化 环境损害和在混凝土中缺乏钢筋结构问题对主拱并没有造 成任何严重损坏 动态测试的反应是相对平稳 在动机车做测试的时候这座桥表现出了比较 大的承受能力但很难抵抗共振效应 二维模型的结构和几何裂缝的形成表现出令人满意的结果 对于模型收敛 的裂缝和混凝土的影响是两个必不可少因素 总体而言 普通混凝土拱桥尽管在关键路段严重开裂 碳化具体的 老化 的结构但车载的试验下显示出足够的安全性能 致谢 本文编写要感谢由大德黑兰联合大学 4 883 号项目的研究工程学院结构实 验室和伊斯兰共和国伊朗铁路的研究中心对此项目的研究 再次感谢 参考文献 1 本塞勒姆一 费尔菲尔德钙 锡博尔德 A 对一砖拱的动力响应非破坏性研 究 Proc Institut 研究所英国结构桥梁 1997 年 122 1 69 82 2 查特吉 PK 达塔 tk 在交通荷载下拱桥的动力分析 0142 1123 固体结构 的 1995 年 32 11 1585 94 3 范宁辟 布斯比 TE 的 三维建模和满刻度测试的石拱桥 Comput Struct 的 2001 79 2645 62 4 范宁辟 布思比 TE 的 罗伯茨对纵向和横向砌石拱坝的影响评估 构建母 校建设 2001 年 15 1 51 60 5 休斯 TG 布莱克 MJ 一个英国浆砌石拱坝审查评估方法 ProcStruct 的建 设工程学院土木工程 1997 122 3 305 15 6 Laffranchi 马蒂 弧形混凝土拱桥桥梁 Struct 的工程 ASCE 的 19