所屬欄目:城市管理論文 發布日期:2013-08-05 09:02 熱度:
本文選自核心期刊《現代城市研究》,《現代城市研究》創刊于1986年,本刊為雙月刊,南京市建設委員會主管,南京城市科學研究會主辦。國內統一刊號:CN:32-1612/TU,國際刊號:ISSN:1009-6000。
摘要:U型梁結構特殊,受力復雜,目前尚無成熟、系統的設計經驗可供借鑒。通過對某城市軌道交通1號線U型梁靜載及疲勞試驗,測試結構在正常使用荷載、開裂荷載、橋道板局部荷載及破壞荷載作用下的受力性能以及在列車重復荷載作用下的抗疲勞性能。試驗研究表明,U型梁結構具有良好的強度、剛度和抗裂性能,結構的極限破壞荷載滿足規范要求,其抗疲勞性能良好。其試驗數據給優化設計提拱了參考,為城市軌道交通U型梁進一步推廣運用提供了基礎。
關鍵詞:軌道交通,U型梁,靜載,疲勞
1概述
在傳統的城市軌道交通高架橋梁中,上部結構一般采用上承式箱型梁或T型梁。其缺陷是建筑物的整體高度大、空間利用率低,不僅對城市景觀影響較大,對地面人群造成壓抑感,而且易對城市居民產生噪音干擾,影響了人們的正常生活。
U型梁是一種具有流線型外觀的新穎下承式橋梁結構,具有建筑高度低、隔音效果好、斷面空間利用率高、行車安全、外形美觀等優點,斷面形式如圖1所示。從受力特點上來看,U型梁屬于一種復雜的空間梁、板組合結構,在荷載作用下,底板不僅會產生雙向彎曲和扭轉,還會參與腹板共同工作,主梁腹板也會受到法向應力及彎、剪、扭共同作用,受力特點呈現空間性。同時,U型梁僅在縱向張拉預應力鋼筋,而在橫向取消了預應力鋼束,因此U型梁底板的抗裂性能以及橫向抗疲勞性能顯得尤為關鍵。
圖1城市軌道交通U型梁截面示意圖
目前,國內軌道交通工程中U型梁的應用較少,尚無成熟、系統的設計經驗可供借鑒,因此,本文通過對一孔跨徑30m的U型梁的靜載以及疲勞試驗,研究了其在靜載下的抗彎、抗剪及抗裂等性能以及在重復荷載作用下的抗疲勞性能,為U型梁在城市軌道高架線路中的推廣應用提供了試驗依據。
2靜載試驗研究
靜載試驗加載共分以下幾個工況進行:設計荷載下跨中截面最大彎矩的加載(工況一);設計荷載下支座截面最大剪力的加載(工況二);開裂荷載下(1.2倍設計荷載)跨中截面最大彎矩的加載(工況三);跨中橋道板局部加載試驗(工況四);破壞試驗(工況五)。靜力試驗荷載包括二期恒載與活載。二期恒載用250cm×60cm×50cm的混凝土塊加載,沿梁長均勻布置;活載采用鋼錠塊加載,在加載位置處用工字鋼支撐來模擬車軸荷載。在破壞試驗時,為了防止橋道板局部受力破壞,改用鋼錠塊沿梁長均布加載。
2.1設計荷載跨中受力
在設計荷載作用下,梁體縱向應力、豎向位移與荷載均呈線性變化,結構在設計荷載水平下處于線彈性受力狀態。在滿載荷載下,梁體未出現可見裂紋,說明結構在設計荷載作用下抗裂性能良好。表1列出了設計荷載作用下,跨中截面底板最大縱向與橫向應力實測值ss和計算值sj,其中應力實測值根據實測的混凝土彈性模量換算得出。表2給出了跨中截面底板豎向位移實測值ds和計算值dj。從表中對比結果可以看出,底板應力與位移實測值與計算值一致性良好。
2.2設計荷載近支座處抗剪
在試驗荷載作用下,梁體未出現斜向裂縫,結構抗剪性能滿足要求,但梁端部測點剪應力實測值1.38MPa~2.64MPa,端部測點剪應力計算值在1MPa左右,實測值大于計算值。原因認為:①在試驗加載過程歷經時間較長,局部溫度應變變化較大,測試結果不僅反映了結構受力的彈性變形,也包含了溫度變形等非彈性應變;②計算模型為空間模型空間六面體八節點實體單元給出的計算應力值為單元區域平均應力,與表面應力有一定差別;③應變花所貼位置在U梁側面,該面為弧形會引起一定的測量誤差。
2.3跨中截面抗裂
該工況在加載到1.2倍設計荷載時,梁體未出現可見裂紋,梁體縱向應力、豎向位移與荷載呈線性變化,結構在仍處于線彈性受力狀態。在第二次循環加載時,當將荷載加載至1.315倍設計荷載時,梁體跨中附近首次出現縱向裂縫,裂縫位于橋道板中線附近,裂縫寬度約為0.02mm,長約為5cm;當荷載加載至1.398倍設計荷載時,梁體跨中附近首次出現橫向裂縫,裂縫寬度約為0.02mm,長約為3cm。U梁開裂后,頂緣混凝土實測壓應力值19.0MPa~20.0MPa,小于理論計算值23.58MPa。
2.4橋道板局部抗裂
在跨中附近采用四個車軸荷載施加局部荷載,間距為2.2m,當試驗荷載加載到靜活載的1.4倍時,跨中截面底板下緣橫向絕對拉應變最大值為103me,下層鋼筋在底板中線位置處的橫向應變值為87~93me,U梁未發現縱向可見裂縫,表明橋道板局部抗裂性能良好。
2.5極限承載能力
當試驗荷載加載到2.7倍設計荷載后,持荷5分鐘,梁底豎向變形增量超過1mm,可視為結構已經達到破壞。圖2為U肋頂緣縱向應變的實測值與計算值的比較,圖3為底板豎向位移測試值與計算值的比較。通過比較可以看出,在1.6倍加載級以前,應變、位移隨荷載變化基本呈線性增長,從1.6倍加載級開始逐漸出現非線性,且非線性程度逐漸增加,直至破壞;荷載-應變曲線及荷載-位移曲線計算值和實測值趨勢基本一致,各加載級下實測值均小于計算值,表明結構工作性能較好,具有較好的強度與剛度。
圖2U肋頂緣縱向應變測試值與計算值比較圖3底板豎向位移測試值與計算值比較
3疲勞試驗研究
疲勞加載系統采用兩個液壓伺服作動器,通過分載梁橫向傳遞水平力分載,實現四截面、八加載點同步豎向加載。疲勞加載系統主要由反力架、反力梁、加載設備作動器(MTS液壓伺服系統)、分載梁等幾部分組成,如圖4所示。
圖4U型梁疲勞加載圖
3.1撓度測試
在各級疲勞循環加載后的最大靜荷載作用下,跨中截面底板中心線處豎向位移測值如表3所示。從表中可以看出:①從疲勞循環加載開始,隨著疲勞次數的增加,U型梁在最大靜荷載作用下豎向位移值有所增大,跨中豎向撓度在歷經0~2萬次疲勞循環加載后,其值增大5.3%;②后續疲勞循環加載對豎向撓曲變形影響不顯著,各級疲勞后的靜載撓度值變化不大;③歷經600萬次疲勞循環加載后,跨中靜載撓度比疲勞前靜載下的值增大8.0%。
3.2縱向應變測試
在各級疲勞循環加載后的最大靜荷載作用下,測值隨疲勞級數的變化曲線見圖5。從圖中可以看出:①隨著疲勞次數的增加,U型梁在最大靜荷載作用下縱向應變測值總體呈略微增大的趨勢,表明在疲勞荷載作用下,梁體縱向剛度存在輕微衰減現象;②在前5萬次疲勞循環加載作用下,梁體的縱向應變增量相對較快;在后續疲勞循環加載作用下,應變增量趨于平穩;③100萬次疲勞循環加載后,底板下緣應變式混凝土計出現較大波動,和前次測值相比差異較大,表明梁體底緣表面可能已經出現裂縫從而使測值產生一定的偏差;④300萬次疲勞級循環加載后,底板下層應變式鋼筋計測值出現較大波動,可能是由于裂縫深度擴展至下層鋼筋位置,使測試點有較大的應變增量;⑤600萬次疲勞循環加載后,隨著測點位置的不同,各應變測點的增量從-38~20με不等;U肋頂緣與底板下緣測點應變增量約為疲勞前測值的14%,底板上緣測點應變增量約為疲勞前測值的7%。
圖5各級疲勞后最大靜荷載作用下跨中截面縱向應變測值-lgN曲線圖
3.3橫向應變測試結果
在各級疲勞后的最大靜荷載作用下,測值隨疲勞級數的變化曲線見圖6~圖7。從圖中可以看出:①隨著疲勞次數的增加,U型梁在最大靜荷載作用下橫向應變測值略有增加,表明在各級疲勞作用下,梁體橫向剛度有輕微的衰減;②100萬次疲勞循環加載后,底板下緣應變式混凝土計出現較大波動,和前次測值相比差異較大,表明梁體底緣表面可能已經出現裂縫從而使測值產生一定的偏差;③跨中截面在200萬次疲勞循環加載后、加載點截面在300萬次疲勞循環加載后,底板下層應變式鋼筋計測值出現較大增量,表明此時裂縫可能已經擴展至橫向鋼筋位置處、部分底板下緣受拉區混凝土退出工作,這與縱向測點的情況基本一致;④600萬次疲勞循環加載結束后,底板受壓區測點測值基本與疲勞前測值保持一致;受拉區測點除底板下層應變式鋼筋計測值有明顯增大外,其余測值增量較小;跨中截面底板下層應變式鋼筋計測點應變增加13με、加載點截面底板下層應變式鋼筋計測點應變增加9με,應變增量約為0萬次測值的25%。
圖6各級疲勞后最大靜荷載作用下跨中截面底板中心線位置處
橫向應變測值-lgN曲線圖
圖7各級疲勞后最大靜荷載作用下加載點截面底板中心線位置處
橫向應變測值-lgN曲線圖
4結語
通過對預應力混凝土U型簡支梁的靜載試驗和疲勞試驗研究,可以認為,U型梁具有良好的強度、剛度、抗裂性能以及承載能力;其疲勞損傷歷程基本與其他鋼筋混凝土構件相同,即初始增長、中期平穩發展和破壞前加速發展,在城市軌道交通荷載作用下,U型梁具有良好的抗疲勞性能。此次試驗加深了我們對城市軌道交通U型梁受力特性的認識和理解,其試驗數據給優化設計提拱了參考,為城市軌道交通U型梁進一步推廣運用提供了基礎。
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