一个整体式桥台桥梁的预测和测量响应3.pdf

第 1 页 共 9 页 整体式桥台桥梁的预测和测量响应整体式桥台桥梁的预测和测量响应 摘要 摘要 这 一 项 目 审 查 了 几 个 不 确 定 性 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 设 计 和 分 析 通 过 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 现 场 监 测 和 数 值 模 拟 了 三 个 层 次 从 宾 夕 法 尼 亚 州 桥 站 点 现 场 监 测 的 数 据 用 于 改 进 数 值 模 型 然 后 用 于 预 测 其 他 宾 夕 法 尼 亚 州 桥 梁 的 其 他 类 似 的 建 筑 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 性 能 检 测 后 的 桥 进 行 了 监 测 参 照 了 64 量 规 监 测 桩 株 土 壤 在 墩 台 桥 台 位 移 桥 台 旋 转 梁 旋 转 和 梁 菌 株 在 建 造 期 间 及 此 后 的 持 续 压 力 为 了 评 估 桥 性 能 的 预 测 方 法 进 行 了 三 个 层 次 的 数 值 分 析 该 分 析 水 平 包 括 使 用 预 制 构 件 的 横 向 承 载 桩 的 模 型 二 维 单 弯 曲 模 型 和 三 维 有 限 元 模 型 此 外 在 内 部 监 测 桥 的 附 近 修 建 一 座 气 象 站 以 捕 获 环 境 信 息 包 括 周 围 的 空 气 温 度 太 阳 辐 射 风 速 和 方 向 湿 度 降 雨 量 和 气 压 横 向 承 载 桩 的 模 型 证 实 包 括 从p y 曲 线 建 立 的 多 线 性 土 壤 弹 性 是 在 一 个 有 限 元 程 序 中 模 拟 桩 土 相 互 作 用 的 有 效 方 法 假 设 在 这 个 桥 的 原 设 计 中 二 维 及 三 维 数 值 模 型 验 证 字 段 数 据 表 明 上 层 建 筑 膨 胀 和 收 缩 的 主 要 原 因 是 通 过 对 其 的 基 础 而 不 是 纵 向 平 移 基 台 的 旋 转 梁 的 轴 向 力 被 认 为 受 到 桥 梁 上 部 结 构 徐 变 收 缩 效 应 的 影 响 桩 基 应 变 被 认 为 是 远 低 于 对 应 的 桩 基 塑 性 瞬 间 应 变 总 体 而 言 二 维 数 值 模 型 及 三 维 数 值 模 型 预 测 的 性 能 非 常 相 似 数 据 库 主 题 词数 据 库 主 题 词 桥 台 监 测 整 体 式 关 键 词关 键 词 整 体 式 桥 台 预 测 监 控 简 介简 介 与 建 造 成 功 的 完 整 整 体 式 桥 台 桥 梁 相 比 全 面 整 体 式 桥 台 桥 梁 长 度 有 所 增 加 然 而 所 有 长 度 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 设 计 在 很 大 程 度 上 仍 然 以 经 验 为 基 础 此 外 整 体 式 桥 台 桥 梁 性 能 问 第 2 页 共 9 页 题 出 现 是 由 于 整 体 式 桥 台 的 差 异 详 细 理 念 和 桥 梁 的 施 工 方 法 一 个 主 要 的 研 究 斯 蒂 芬 欧 斯 特 博 士 等 1998 在 联 邦 公 路 管 理 局 的 资 助 下 开 展 管 理 局 确 定 了 一 些 不 确 定 性 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 包 括 长 期 和 短 期 性 能 的 预 测 全 年 温 度 变 化 和 内 部 约 束 的 效 果 和 热 质 量 昼 夜 温 差 运 动 的 影 响 热 膨 胀 系 数 有 效 性 徐 变 收 缩 与 热 膨 胀 的 影 响 地 基 刚 度 特 别 是 被 动 土 压 力 和 基 台 移 动 与 邻 接 的 桩 基 以 及 适 应 位 移 能 力 之 间 的 关 系 通 过 桥 墩 的 刚 度 和 荷 载 传 递 这 些 不 确 定 性 再 加 上 在 整 体 式 桥 台 桥 梁 设 计 包 括 遇 到 的 问 题 桩 基 定 位 桩 基 大 小 桩 基 深 度 桩 基 钻 前 土 壤 建 模 桥 头 搭 板 的 影 响 填 土 在 设 计 温 度 范 围 总 的 位 移 主 梁 的 固 定 性 主 梁 旋 转 支 座 旋 转 梁 的 应 力 主 要 累 积 在 桩 基 和 桥 台 连 接 处 桩 基 向 下 的 拉 力 和 混 凝 土 的 热 膨 胀 系 数 相 结 合 创 造 一 个 非 常 复 杂 的 过 程 通 过 对 在 宾 夕 法 尼 亚 州 一 个 刚 刚 建 成 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 现 场 监 测 和 数 值 模 拟 本 研 究 调 查 了 整 体 式 桥 台 桥 梁 设 计 和 施 工 中 几 种 典 型 的 不 确 定 性 本 文 是 芬 内 马 2003 年 的 一 项 大 型 研 究 报 告 的 整 合 这 项 桥 梁 研 究 体 现 了 在 宾 夕 法 尼 亚 州 的 整 体 式 桥 台 的 设 计 和 建 造 准 则 该 数 值 模 型 的 精 确 性 基 于 现 场 数 据 并 用 来 预 测 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 性 能 为 了 更 好 的 预 测 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 性 能 本 研 究 主 要 集 中 在 以 下 几 个 方 面 预 测 横 向 承 载 桩 的 性 能 使 用 市 售 桩 分 析 工 具 和 p y 曲 线 桩 土 性 能 和 刚 度 经 过 线 性 和 多 重 线 性 土 壤 弹 性 的 数 值 模 拟 的 效 果 预 钻 孔 填 对 充 松 散 砂 桩 性 能 的 影 响 以 及 对 纵 向 应 力 桥 桥 台 组 成 的 影 响 桥 梁 说 明 和 监 控 被 监 测 的 整 体 式 桥 台 桥 是 三 跨 复 合 材 料 结 构 与 四 种 预 应 力 混 凝 土 制 成 的I 梁 支 承 在 钢 筋 混 凝 土 桥 墩 和 桥 台 上 跨 度 分 别 为 14330 26820 和 10670 毫 米 2002 年 3 月 期 间 浇 铸 了 电 球 T 形 梁 间 距 为 3594 毫 米 与 桥 墩 浇 铸 一 体 并 支 撑 230 毫 米 的 混 凝 土 桥 面 见 图 1 3 桥 墩 设 计 为 半 刚 性 的 自 第 3 页 共 9 页 承 下 部 结 构 70 毫 米 胶 片 橡 胶 支 座 允 许 上 部 结 构 纵 向 移 动 南 部 支 座 和 南 部 梁 两 端 固 定 并 且 基 台 接 在 岩 石 上 以 应 对 水 平 位 移 和 旋 转 无 伸 缩 缝 北 边 桥 台 是 一 个 标 准 的 宾 夕 法 尼 亚 系 交 通 运 输 整 体 式 桥 台 由 桥 台 底 部 到 梁 底 平 均 高 度 4390 毫 米 支 座 是 由 8 根 疲 弱 的 610 毫 米 嵌 入 式 HP12 74 桩 轴 向 定 位 单 排 进 入 基 台 支 撑 并 且 不 能 移 动 A25 毫 米 厚 挤 塑 聚 苯 乙 烯 保 温 板 由 过 度 等 级 地 基 材 料 分 隔 南 部 支 座 以 减 少 回 填 被 动 土 压 力 7620 毫 米 长 460 毫 米 厚 的 钢 筋 混 凝 土 板 的 构 件 将 要 在 桥 头 两 端 建 造 50 毫 米 厚 的 挤 塑 聚 苯 乙 烯 保 温 板 隔 开 了 翼 墙 基 台 来 隔 离 构 件 位 移 图 片 1 桥 平 面 图 和 仪 器 的 位 置 第 4 页 共 9 页 图 2 桥 北 基 台 视 图 和 仪 表 位 置 图 3 桥 台 部 分 和 仪 表 位 置 第 5 页 共 9 页 2002 年 6 月 27 日 北 部 桥 台 桩 转 变 为 褐 色 风 化 的 泥 岩 上 打 入 了 约 3050 毫 米 深 预 钻 孔 松 散 的 沙 砾 在 每 个 预 钻 孔 前 移 动 然 而 沙 砾 在 打 桩 过 程 中 显 著 被 压 实 在 打 桩 完 成 时 顶 部 1200 1500 毫 米 预 钻 孔 的 每 个 位 置 都 充 满 了 松 散 的 沙 砾 由 于 沙 砾 被 压 实 预 计 预 钻 孔 将 提 供 非 常 有 限 的 辅 助 基 桩 位 移 因 此 沙 砾 的 数 值 被 忽 视 桥 面 从 北 到 南 安 置 具 有 中 级 隔 膜 和 连 续 性 隔 膜 被 同 时 存 放 在 桥 面 上 北 部 基 台 的 后 墙 在2 天 后 放 置 仪 表 和 测 斜 仪 在 2002 年 10 月 8 日 分 别 安 置 在 主 梁 和 桥 台 北 部 仪 表 方 案仪 表 方 案 该 仪 器 方 案 是 基 于 一 个 芬 内 马 2003 详 细 探 讨 初 始 数 值 分 析 制 定 的 电 子 换 能 器 连 接 在 桥 上 来 监 测 压 力 应 变 位 移 和 相 对 倾 斜 角 气 象 站 建 造 在 桥 附 近100 米 来 监 控 气 候 和 环 境 条 件 如 风 速 风 向 相 对 湿 度 气 压 空 气 温 度 太 阳 辐 射 和 降 水 量 图 3 为 桥 梁 仪 表 方 案 六 十 个 振 弦 式 基 础 仪 器 安 装 在 由 46 个 表 面 安 装 有 应 变 计 三 个 压 力 单 元 三 个 伸 长 计 和 八 个 测 斜 仪 的 桥 上 共 有 30 个 应 变 计 分 成 2 层 被 安 装 在 八 个 桩 上 应 变 计 分 别 安 装 在2 个 桩 上 包 括 三 套 应 变 计 来 测 量 弯 曲 和 轴 向 应 变 以 及 六 个 单 一 应 变 计 来 测 量 轴 向 应 变 放 置 在 组 3 的 应 变 计 分 别 位 于 桥 台 正 下 方 在 基 台 和 最 大 弯 矩 的 预 测 点 之 间 以 及 最 大 弯 矩 的 预 测 点 其 余 单 个 应 变 计 被 安 装 到 重 力 按 固 定 性 的 预 计 点 之 间 均 匀 间 隔 的 桩 和 桩 端 的 中 心 应 变 计 分 别 安 装 在 预 应 力 混 凝 土 梁 上 位 于 从 跨 度 中 心 到 北 部 桥 台 1 英 寸 的 地 方 每 个 位 置 都 有 一 个 测 厚 仪 放 置 在 底 部 凸 缘 的 中 间 另 一 测 厚 仪 放 置 在 顶 部 凸 缘 的 侧 面 总 共 有 16 个 测 厚 仪 这 些 单 元 传 回 主 轴 线 弯 矩 和 梁 轴 向 力 的 测 量 三 个 钻 孔 应 变 计 被 放 置 来 监 视 桥 台 纵 向 位 移 以 及 间 接 桥 台 刚 体 绕 横 向 轴 线 和 垂 直 轴 线 对 北 部 桥 台 的 纵 向 运 动 以 及 三 个 旋 转 轴 线 进 行 了 监 测 压 力 单 元 被 放 置 在 较 高 的 基 台 来 集 中 监 测 梁 后 部 最 近 的 研 究 表 明 压 力 只 存 在 于 该 区 域 Lawver 等 人 2000 测 斜 仪 分 别 安 装 在 北 部 桥 台 以 验 证 伸 长 计 的 读 数 和 北 第 6 页 共 9 页 跨 简 支 梁 计 算 出 的 旋 转 另 外 四 个 倾 斜 仪 被 安 装 在 每 个 梁 的 在 北 部 桥 台 网 络 通 过 比 较 主 梁 和 桥 台 之 间 的 旋 转 来 观 察 振 膜 的 转 动 约 束 刚 度 数 值 模 型数 值 模 型 三 个 层 次 的 数 值 分 析 被 用 于 测 定 整 体 式 桥 台 桥 梁 的 热 荷 载 位 移 和 性 能 第 一 级 是 单 独 对 横 向 荷 载 桩 无 桥 台 或 上 层 建 筑 的 性 能 进 行 分 析 这 种 分 析 通 过 预 制 桩 分 析 程 序 并 通 过 生 成 p y 曲 线 所 需 的 土 壤 弹 性 性 能 的 发 展 2 级 分 析 图 4 a 是 由 一 个 二 维 和 三 维 弯 曲 数 值 模 型 利 用STAAD 专 业 的 框 架 构 件 和 土 壤 弹 性 构 成 研 制 的 该 模 型 是 通 过 一 个 常 用 的 典 型 的 数 值 模 型 得 出 的 3 级 分 析 图 4 b 利 用 了 三 维 3D 有 限 元 在 STAAD 专 业 组 成 的 框 架 构 件 板 元 件 和 土 壤 弹 性 的 研 制 模 型 3D 模 型 是 相 当 复 杂 的 预 计 将 提 供 运 动 和 应 力 更 准 确 的 预 测 图 4 2 级 和 3 级 的 数 值 模 型 第 7 页 共 9 页 通 过 分 析 每 个 层 次 的 初 始 模 型 提 过 了 整 体 式 桥 台 桥 梁 位 移 和 性 能 的 未 校 准 的 预 测 他 们 后 来 根 据 现 场 数 据 和 混 凝 土 材 料 测 试 信 息 进 行 了 调 整 以 提 供 桥 梁 性 能 一 个 更 准 确 的 预 测 等 级 1 横 向 受 荷 桩 模 型 三 个 横 向 承 载 桩 的 模 型 被 开 发 出 来 确 定 利 用 多 线 性 土 弹 性 的 有 效 性 1 一 系 列 305 毫 米 长 的 梁 单 元 和 多 重 线 性 土 弹 簧 施 加 在 每 个 节 点 采 用 预 制 的 结 构 分 析 程 序 2 桩 分 析 软 件COM624P 王 和 1993 年 里 斯 和 3 的 一 系 列 305 毫 米 长 梁 单 元 线 性 土 弹 簧 它 的 刚 度 是 从 COM624P 得 出 的 每 个 模 型 都 包 含 一 个 被 施 加 645KN 的 轴 向 静 载 荷 和 横 向 载 荷 弯 曲 的 单 一 的 HP12 74 桩 为 主 的 弱 轴 以 选 来 来 增 加 塑 料 桩 抗 弯 承 载 力 在 三 种 模 型 的 边 界 条 件 中 包 括 固 定 旋 转 和 桩 头 自 由 位 移 固 定 平 移 和 自 由 旋 转 则 在 桩 尖 中 土 壤 弹 簧 研 制 确 定 土 弹 簧 刚 度 的 结 构 数 值 模 型 的 最 常 见 的 方 法 是 采 用 COM624P 这 种 方 法 是 反 复 和 相 对 繁 琐 的 此 外 p y 曲 线 和 土 力 学 的 非 线 性 理 论 可 以 作 为 确 定 土 弹 簧 刚 度 更 直 接 的 方 法 最 后 在 桥 位 可 以 采 用 动 态 土 壤 检 测 然 而 这 通 常 不 是 可 行 的 COM624P 广 泛 用 于 整 体 式 桥 台 桥 梁 设 计 但 它 需 要COM624P 和 预 制 构 件 分 析 方 案 之 间 的 一 个 反 复 的 过 程 直 到 力 和 偏 转 在 两 个 程 序 之 间 转 达 到 平 衡 通 常 情 况 下 COM624P 模 型 固 定 头 条 件 在 适 用 到 桩 的 塑 性 抗 弯 承 载 力 的 横 向 力 前 就 达 到 了 通 过 最 初 的 偏 转 然 后 比 较 假 定 的 设 计 偏 转 以 评 估 位 移 需 求 和 弹 性 或 塑 性 响 应 来 确 定 桥 的 合 适 的 结 构 分 析 在 获 得 横 向 力 的 地 方 线 性 土 弹 簧 刚 度 由 COM624P 结 果 确 定 并 纳 入 桥 分 析 模 型 在 COM624P 和 数 值 模 型 的 线 性 土 弹 簧 施 加 的 侧 向 力 之 间 反 复 继 续 下 去 直 到 两 个 模 型 衔 接 p y 曲 线 可 以 用 来 建 立 多 重 线 性 近 似 土 弹 簧 本 研 究 遵 循 联 邦 公 路 管 理 局 描 述 的 横 向 荷 载 作 用 下 桩 和 桩 群 的 性 能 瑞 茜 1985 的 方 法 对 于 横 向 承 载 桩 土 壤 模 量 ES 第 8 页 共 9 页 被 定 义 为 p 负 载 以 每 长 度 单 位 力 的 平 方 除 以 Y 位 移 在 一 定 的 深 度 的 代 表 性p y 曲 线 示 于 图5 用 近 似 叠 加 多 线 性 弹 簧 刚 度 多 线 性 弹 簧 刚 度 是 通 过 线 性 回 归 分 析 的 序 列 开 发 的 位 于 相 应 于 桥 梁 结 构 分 析 模 型 中 定 义 的 土 壤 弹 簧 的 位 置 的 深 度 以 适 应 p y 曲 线 这 些 多 线 性 弹 簧 刚 度 随 后 作 为 输 入 提 供 到 桥 结 构 分 析 模 型 沿 桩 的 长 度 土壤抵抗力 P N mm 位移 Y mm 图 5 p y 的 多 线 性 关 系 土 壤 弹 簧 的 近 似 值 等 级 2 二 维 单 一 弯 曲 模 型 本 研 究 制 定 的 整 体 式 桥 台 桥 梁 二 维 数 值 模 型 是 全 部 由 梁 和 多 线 性 弹 性 元 件 组 成 的 原 桥 设 计 模 型 的 修 改 版 本 从 桥 台 和 桥 墩 一 个 梁 单 元 这 四 个 预 应 力 混 凝 土 梁 和 钢 筋 混 凝 土 楼 板 性 能 归 并 入 位 于 正 面 弯 曲 弹 性 中 性 轴 与 刚 性 偏 移 的 单 元 中 每 个 钢 筋 混 凝 土 支 座 是 由 一 个 单 一 的 梁 单 元 组 成 的 这 8 个 钢 桩 沿 着 纵 深 的 每 个 节 点 被 归 并 入 一 个 单 一 的 桩 建 模 为 一 连 串305 毫 米 长 的 梁 单 元 与 多 线 性 土 弹 簧 两 个 含 有 76 毫 米 长 梁 原 件