25t 轴重下中, 小混凝土桥疲劳性能评估基频法.doc

1、文库下载 免费文档下载/本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html25t轴重下中_小混凝土桥疲劳性能评估基频法疲劳性能第19卷第2期铁道学报Vo1.19No.225t轴重下中、小混凝土桥疲劳性能评估基频法戴公连吕海燕曾庆元(长沙铁道学院)提要通过三片模拟梁试验实测结果,探讨了基频法评估铁路桥梁疲劳使用性能的可行性。试验结果表明,25t轴重荷载作用下,结构疲劳安全度及使用性能满足营运要求。关键词铁路

2、桥梁疲劳自振频率安全度中图分类号U4411引言为满足日益增长的运输需求,铁道部拟将列车轴重荷载由21t提高到25t,荷载提高后,既有线路上的中、小跨度混凝土桥梁疲劳承载能力或疲劳寿命还有多少;疲劳使用性能是否满足列车运营要求等,成了铁路运输管理部门十分关注的问题。铁路桥梁的疲劳寿命可以通过积伤理论进行估算31,2;而疲劳使用性能尚没有一个合理的预测方法。铁路桥隧建筑物大修维修规则中规定,在静活载作用下桥梁挠度不得超过跨径的1/800或不大于中活载作用下的计算值。现场测量列车静活载作用下的挠度必须中断运营,而且由于条件限制精度很难保证。鉴于此,本文通过室内模型试验模拟铁路桥梁的实际工作状态,探讨

3、重复荷载作用下疲劳损伤与结构自振频率之间的关系,从而找出一种通过结构自振频率评估桥梁使用性能的新方法。因为桥梁的自振频率可以由列车过桥后的余振波形得到,方法简单易行。2基本原理自由振动是外部激励去掉后结构继续产生的振动现象。由于自由振动的特点仅取决于结构本身的特性,故自由振动能揭示出结构的性质和损伤程度。结构的动位移和内力都与结构的自振频率有关,知道了自振频率就可以确切地知道结构的刚度和内力,从而找出结构产生较大振动的原因,因此,结构的自振特性具有重要的工程意义。对于具有连续分布的一维力学系统的梁,如图1,其运动方程式一般可按力的平衡和基于哈密顿原理等方法求得。设y(z,t)为梁振动位移,L为

4、梁长,梁单位长度质量和弯曲刚度分别是m(z),EI(z)。当系统进行自由振动时,其动能与位能进行反复交换,对于保守系统,根据能量守恒原理,有收/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html稿日期:1996-10-29戴公连讲师长沙铁道学院土木工程系邮编:410075第2期25轴重下中、小混凝土桥疲劳性能评估基频法U T=常数U,T分别表示系统的位能和动能。若把梁的自由振动表示为(1)图1振动模型图y(z,t)=aY(z)sin(?t v)(2)其中Y(z)为满足边界条件的振型函数,则位能和动能分别为4L222asin(?t

5、 v)EL(z)(Y)dzEI(z)(y)dz=002LL2222T=m(z)(y)dz=a?cos(?t v)m(z)Ydz0202当sin(?t v)=1时,cos(?t v)=0?T=0,U=UmaxU=2L2(3)(4)当cos(?t v)=1时,sin(?t v)=0?U=0,T=?Tmax由式(1)Umax 0=0 ?Tmax则max2?=Tmax=22m(z)Ydz 2L2EI(z)(Y)dz0(5)对于简支梁,满足边界条件的振型函数可写成Yn(z)=Dnsin则Yn(z)相对应的固有频率为?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,则得第一固有频率即基频为2)(8)Lm根据上式可以看出,对于给定的梁,相应于某一振型函数的结构固有频率只与结构的抗弯?1=(刚度有关。据此,可以通过实测结构的固有频率判断结构的刚度变化情况,进而了解结构的使用性能。3模型试验3.1模型梁设计与制作试验梁按模拟铁路20m跨简支梁的应力状态进行设计。跨度4m,主筋为4根?16螺纹钢筋,混凝土设计标号为350号,在室内一次灌注三根试件。截面尺寸如图2所示。混凝土材料特性试验结果为R=35.8MPa,Ra=26.1MPa,Eh=33GPa。3.

7、2试验荷载试验采用单点加载如图3所示,荷载上限和下限分别模拟20m跨铁路桥梁在恒、活载作5铁道学报第19卷轴重荷载,510次以后模拟25t轴重荷载。图4测点布置及测试系统示意图图3疲劳试验加载谱3.3测试方法为了得到梁在重复荷载作用下的使用性能,试验时测试了梁的一阶固有频率、跨中挠度、裂缝等随荷载重复作用次数的变化情况。固有频率采用了三种传感器同时测试,分别用混凝土表面应变计、位移传感器、加速度计作为拾振器。测点布置及测试系统如图4。实测振动波型及基频分析结果如图5。4试验测试结果及分析4.1试验梁未开裂时的自振频率结构自振频率和结构刚度一一对应,混凝土结构开裂前全截面参加工作,梁体各截面刚度

8、完全一致。为了验证基频法评估桥梁结构使用性能方法的可靠性,在未加载前,测试了模型梁的一阶自振频率,并用式(8)进行了理论分析计算,结果如表1。由表1可知,用三种拾振器的测试结果基本一致,而且和理论分析吻合很好。4.2试验梁自振频率随荷载重复作/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html用次数的变化第2期25轴重下中、小混凝土桥疲劳性能评估基频法用下,刚度的变化应反映在基频的变化上。本文对三片梁按图3进行了疲劳试验,测试了荷载重复作用次数与基频的关系,实测结果如表2所示。由表2可知,结构基频随荷载作用次数而降低,但未开裂梁

9、基频测试结果(单位Hz)表1由于桥梁结构中应力幅值较小(20m跨桥梁中钢筋应力幅在25t轴重荷载作用下为119.67MPa),结构的损伤并不严重,为了探讨这种规律性,对1号梁进行了总计1610次的重复加载,由试验结果可看出,经1666梁号应变拾振器? 位移拾振器?!加速度拾振器?a理论值141.54241.540.7241414140.7341.641.641.640.710次作用后结构的频率降低较大,钢筋未断裂,混凝土裂缝也没有明显增加,因此结构疲劳极限承载能力安全度足够,但此时结构的疲劳使用性能可能不满足要求。表中数据时大时小的现象,这可能是由于支座位置移动,弯扭耦合振动等原因所致。4.3

10、试验梁跨中挠度随荷载重复作用次数的变化试验过程中,对跨中挠度进行测试,挠度项中仅为静挠度,未计冲击力及残余挠度影响,如表3。基频实测结果(单位:Hz)疲劳次数N/104次?138530501001502002503003504005006007008009001000110012001300140015501600373730303134333635323430梁号1?!38373730303134333635323430?a38373730303134333635323430? 39梁号2?!39?a39://doc/6615a102a6c30c2259

11、019e0e.htmlr? 37.5?!3837表2梁号3?a3837疲劳次数N/104次1530501001502002503003504005006007008009001000110012001300140015501600跨中挠度测试结果梁号1荷载挠度/kN/mm梁号2荷载挠度/kN/mm表3梁号3荷载挠度/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,随着荷载作用次数增加,梁体跨中挠度逐渐增大,如2号梁,荷载重复作用12106次时挠度与初始挠度之比为1.07,图6为挠度随荷载变化的关系曲线,从图中可知,当荷载一定时,从510次到1610次之间,挠度基本变化不大,这和前节所述基频测试结,56铁道学报第19卷图61号梁跨中挠度与疲劳次数关系图73号梁跨中挠度荷载曲线两种方法实测刚度对比(单位107Pa?m4)表44.4结构刚度分析梁号2梁号3根据前述方法测得结构的基频和结构的挠N/104次梁号1度,用二者均可间接得到结构的刚度。由基频实测结果,结构刚度?由挠度实测

15、结果,结构刚度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)可得梁体刚度如表4。由表4可知两种方法所得刚度计算结

17、果变化趋势基本一致,但动刚度比静刚度要大。试验结果证明可以用基频法评估结构的使用性能。5结束语根据试验结果与理论分析的对比,论述了结构基频与结构使用性能的关系,说明了用基频法评估桥梁结构使用性能的方法及可行性。由试验结果可知,当重复荷载作用1610次时,结构没有疲劳断裂,说明20m跨度简支混凝土梁在25t轴重荷载作用下疲劳承载能力是足够的。重复荷载作用下结构的使用性能随荷载作用次数有所改6变,但在后期变化不大,说明使用性能也能满足运营要求,但由于本文仅是20m跨普通钢筋混凝土梁的试验研究结果,所以对基频法评估使用性能的研究仅是初步探索,尚缺乏足够的试验实测资料,建议加强研究。6参考文献1戴公连

18、,徐名枢.铁路钢筋混凝土桥梁疲劳承载能力可靠度.长沙铁道学院学报,1993;(1)2文雨松.铁路钢筋混凝土梁疲劳问题的分段线性解.铁道学报,199/doc/6615a102a6c30c2259019e0e.html6;18(1):79833中华人民共和国铁道部.铁路桥梁隧道建筑物大修维修规则.北京:中国铁道出版社,19904R.W.克拉夫.结构动力学.北京:科学出版社,1983第2期25轴重下中、小混凝土桥疲劳性能评估基频法First-FrequencyMethodofEstimatingtheFatigueServiceabilityonSm

19、allandMediumSpanRailwayConcreteBridgeunder25t-Axle-WeightVehicleLoadDaiGonglianLuHaiyanZengQingyuan(Dept.ofCivilEngineering,ChangshaRailwayUniversity,Changsha410075)AbstractThefirst-frequencymethodofestimatingthefatigueserviceabilityonsmallandmediumspanrailwayconcretebridgeisdiscussedinthispaperthroughthreepiecetestbeamunderfatigueload.Thetestresultsshowthattheexistingrailwayconcretebridgeshavee-noughfatiguesafetyandgoodserviceabilityintheirservicelifeunder25t-axle-weightvehi-cleload.Keywordsrailwaybridge;fatigue;firstfrequency;safety(责任编辑张武美)征订1997年铁道学报启事铁道学报是