鱼脊连续梁桥

鱼脊连续梁桥（精选2篇）

鱼脊连续梁桥 篇1

1 桥梁概况

两港公路大治河桥主桥上部结构为预应力混凝土鱼脊连续梁92 m+158 m+92 m=342 m, 主桥桥宽35 m, 横桥向设置2%横坡。主梁由箱梁和鱼脊立墙两部分组成。箱梁采用三向预应力体系, 鱼脊梁采用纵向预应力体系, 31-φs15.2大吨位钢束, 单索张拉力高达600 t。箱梁下设球形钢支座, 6号桥墩上设E形阻尼器。主桥下部结构采用桩柱式桥墩。

2 结构受力特点及监测指标

鱼脊连续梁桥是一种结构特殊、样式新颖的梁桥。鱼脊梁 (立墙) 内布置了大量纵向鱼脊预应力束, 其预应力效应占总的预应力90%以上, 箱梁内顶板、腹板和底板预应力束则相对较少。在受力特性方面, 鱼脊连续梁桥的力学特性类似于矮塔斜拉桥主梁, 主梁以受压为主, 弯矩较小;鱼脊梁高度大, 支点截面的刚度较跨中截面更大, 恒载作用下跨中的正弯矩较普通连续梁桥小。同时由于截面高, 主梁的高跨比较大, 截面剪切变形对主梁变形有着很大的影响[1]。桥梁健康监测指标应结合桥梁本身特点、所处的地理环境等因素综合考虑而选择, 主要包括桥梁应变监测、变形监测、环境温度监测、超载监控、视频监控等。

3 桥梁健康监测方案设计

桥梁健康监测系统是一个跨专业, 集工业传感器、工业自动控制、网络传输、信息实时采集、结构状态分析、信息发布显示、软件集成领域为一体的综合性系统集成工程。健康监测方案分为4个模块, 分别是传感器布置方案、数据采集与传输、安全预警与分析评估、软件系统的设计, 4个模块包含了从现场工作到监控中心所需的相关仪器、设备等, 达到对桥梁各方面指标进行全面、实时监测的要求。

3.1 传感器布置方案

根据鱼脊连续梁的构造特点、受力特性, 两港公路大治河桥主桥拟选取4个监测截面进行监测, 分别为主桥边跨梁端最大剪力截面 (1-1截面) 、主桥边跨最大正弯矩截面 (2-2截面) 、主桥中墩支点最大负弯矩截面 (3-3截面) 、主桥中跨最大正弯矩截面 (4-4截面) 。主桥监控截面布置示意图见图1。

3.1.1 应变测点布置

按照监测截面处鱼脊高度的不同分2类进行测定布置。

1) 1-1截面、2-2截面和4-4截面的应变测点均在箱梁腹板上呈对称布置。因鱼脊梁高度较小, 布置方式同普通连续梁。

2) 3-3截面的应变测点除按普通连续梁布置外, 还应加强对鱼脊梁的监控, 在鱼脊梁两侧面不同高度处对称布置测点。鱼脊梁控制截面测点 (图中用“●”表示) 布置示意图见图2。

3.1.2 变形测点布置

变形监测选取2个截面:主桥边跨最大正弯矩截面 (2-2截面) 、主桥中跨最大正弯矩截面 (4-4截面) 。跨中挠度测点 (图中用“”表示) 布置示意图见图3。

同时, 为监控立墙的横向位移, 在3-3断面的立墙顶部布设1个测点。

3.1.3 环境温度监测方案

环境温度监测方案在桥上与桥下各布置1个测点, 桥上选取鱼脊梁梁顶截面布设, 桥下可在不易被损坏的位置设置。为了保证测量结果的可靠性, 在相应位置设置一辅助测试截面, 其测点布置与主测试截面相同, 共设置2个温度场监测截面。

3.1.4 超载监控系统

系统采用分车道安装, 2个车道为1组进行数据汇总上传方式。在距离桥梁一定距离处, 每条车道在路面放置1个动态称重平台并配合架设1套自动拍摄装置。在平台附近的路边放置1个仪器控制箱, 进行数据采集和上传。

3.1.5 视频监控系统

为实时掌握现场交通流量的情况, 同时采用高性能智能全景摄像机对该桥进行交通流量监控。超载监控与视频监控系统布置图见图4。

3.2 数据采集与传输

在桥梁结构健康监测系统中, 涉及到众多不同类型的测试设备、不同的数据采集方式及要求各异的数据分析, 传统的仪器很难实现系统设备的良好集成及内部通信。

健康监测系统数据的采集与传输根据传感器信号的不同, 相应地分成光纤光栅传感器的数据采集与传输、模拟信号传感器的数据采集与传输和数字信号传感器的数据采集与传输3个部分, 采用“化整为零”的策略妥善解决因不同数据类型的集成而衍生出的问题[2]。

3.3 安全预警与分析评估

根据子系统的功能要求, 将子系统分为3个模块:数据处理分析模块、桥梁安全预警模块和桥梁分析评估模块。

1) 数据处理分析。数据处理包括前处理与后处理2部分。数据前处理首先对原始数据进行清洗、整理, 针对数据的异常现象诊断出仪器设备的工作状态, 然后计算目标监测量、特征参数, 并将结果存入中心数据库。数据后处理从中心数据库获取数据, 进行离线分析, 通过统计分析、特征提取、数据挖掘的手段来获取特征、规则、模型参数, 结果存入中心数据库。

数据处理分析的结果为进一步进行结构安全预警、结构状态评估提供高效的数据支持。

2) 桥梁安全预警。桥梁安全预警参数包括车辆荷载、主梁及鱼脊梁的应变、变形。各项预警值的设置分别根据模型计算以及设计资料所得, 当现场实测值超过预警值后, 采取3种报警方式通知业主:计算机终端软件界面上以醒目的图形方式、鸣叫等声音方式、发短信和电子邮件。

3) 桥梁分析评估。根据实时监测的数据和结构理论的计算值比较, 结合人工巡检, 按照JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》和JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对桥梁监测的应变、变形进行分析, 评估桥梁承载能力。

3.4 软件系统设计

软件系统主要功能为自动化数据采集、结构预警、结构分析评估和数据管理。因此, 健康监控软件系统应包括健康监控数据采集与传输子系统、桥梁安全评估子系统、系统用户界面子系统和数据管理子系统。

软件系统需要管理方便, 无人值守、全天候运行, 数据智能化处理, 能通过互联网访问, 具有实时报警、实时结构状态评估功能, 实时反映大桥的运营状态, 为适应长期监控和业务变更的需要, 软件系统还需具备良好的可扩展性和升级性[3]。

4 健康监测的注意方面

预应力混凝土鱼脊连续梁桥属于大跨径大吨位预应力连续梁, 温度及收缩徐变等因素对监测结果影响相对较大。

大治河桥为减少收缩徐变引起的非应力应变对测量精度的影响。应力监测在目前测试技术基础上, 分析不同时期的应力测试数据, 通过计算增量的方法来减少非应力成分对应力测试真值的影响。

温度是影响主梁挠度的因素之一, 温度变化包括日温度变化和季节变化两部分, 日温度变化比较复杂, 应摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况。季节温差对主梁的挠度影响较为规律, 其变化趋势较为均匀。

大治河桥的健康监测方案综合考虑影响监测结果的几点因素, 从技术、经济角度出发, 监测截面按对称原则选取在应力及变形较大处。

5 结语

对大型桥梁的有效评估和安全维护是业内日益关注的问题, 健康监测系统则是大型桥梁运营管理养护的重要手段。随着近几年桥梁健康监测的发展, 已经初步形成较为完善的健康监测系统, 集工业传感器、工业自动控制、网络传输、信息实时采集、结构状态分析、信息发布显示、软件集成领域为一体, 达到了对大型桥梁安全性和耐久性的智能化管理。

通过大治河桥健康监测方案的研究, 力求构建一个技术先进、措施合理、实用经济、易于管理、开放兼容、符合两港公路运输需求的桥梁健康监测系统, 同时也为业内桥梁健康监测的进一步发展提供依据。

参考文献

[1]张涛.鱼脊连续梁桥施工控制研究[D].上海:同济大学, 2011.

[2]崔兴斌.铁罗坪大桥数据采集与处理系统设计[D].北京:北京交通大学, 2011.

[3]庄勇, 朱利明.智能桥梁系统IBS[J].桥梁建设, 2003 (3) :72-74.

某鱼脊连续梁桥行车安全性分析 篇2

目前,侧风安全性问题主要采用平均气动力分析,侧风环境中车辆气动参数需要通过风洞试验或者数值分析计算获得,特别是对于钝体特征明显的集装箱车辆,计算流体动力学能够得到一些比较理想的结果[2]。通过桥面风环境研究,提出了提高行车安全风速标准的有效工程措施,进而提高桥梁运营效率。

本文首先采用通用计算流体动力学软件FLUENT分析了鱼脊对行驶车辆受力的影响,接着以车辆不发生侧滑为指标,给出了大治河桥在不同桥面特征下的安全行车风速标准;最后根据现行标准给出了大治河桥在安全行车方面的管养要求。

1 流体控制方程

计算风工程中流场的控制方程为连续性方程及Navier-stokes方程,其张量表达式见式(1)和式(2)。

湍流模型采用标准k-ε模型,其控制方程见式(3)和式(4)。

式中:ρ为空气密度,kg/m3;t为时间,s;ui、uj(i、j=1,2,3)分别为x、y、z方向的速度,m/s;xi、xj(i、j=1,2,3)分别为x、y、z方向的坐标,m;P为压力,N/m2;μ为流体动力黏度,N·s/m2;k为湍动能,m2/s2;μt为湍动黏度,N·s/m2;Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能生成项,kg/(m·s3);ε为耗散率,m2/s3;常数σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,其取值一般通过试验结果确定。

2 计算模型

计算车辆选取小轿车和卡车2种,小轿车的尺寸以桑塔纳轿车为例,长、宽、高分别取为4 546 mm×1 710 mm×1 427 mm,整备质量为1 100 kg;卡车的尺寸以东风前四后八仓栅式运输车为例,长、宽、高分别取为12 000 mm×2 495 mm×3 850 mm,整备质量为12 020 kg。为了考察沿桥梁纵轴线不同位置时,车辆的受力情况,采用车队的方式进行计算。小轿车车队中车辆之间的净距为10 m,共布置23辆车,并依次从桥梁一端开始编号,编为0～22号(见图1);卡车车队中车辆之间的净距为20 m,共布置9辆车,并依次从桥梁一端开始编号,编为0～8号。车队分别布置于迎风向或背风向桥面中轴线处。本文计算结果以小轿车为主,卡车仅给出最终的安全行车风速。

计算流域取为1 750 mm×1 000 mm×600 m,模型置于流域沿流向约前1/3处。入流面采用速度入流边界条件,由于出流接近完全发展,出流面采用压力出口边界条件。流域顶部和两侧采用自由滑移的壁面。屋盖表面和地面采用无滑移的壁面条件。收敛标准设定无量纲均方根残差为10-4,采用二阶离散格式进行求解[3]。

3 鱼脊对行驶车辆的影响

在大治河桥中,鱼脊的设置使流经桥梁的风场产生较大的变化,从而影响到桥面上行驶的车辆。在鱼脊较高处区域,由于鱼脊会对气流产生遮挡效应,车辆处于气流死区,受到的气动力较小,此时鱼脊的设置能较大地减小车辆受到的气动力;而随着车辆驶出鱼脊较高区域,进入鱼脊低处时,气流会产生类似狭管效应的作用,车辆受到的气动力会突然增大,为避免行车安全事故的发生,对行驶在桥面上不同位置的车辆的气动力进行分析。

对小轿车和卡车在25 m/s的桥面横风环境下,设鱼脊和不设置鱼脊时的受力情况进行计算分析、对比。本文仅给出小轿车在120 km/h行驶速度时,鱼脊对行驶车辆的影响分析,其余规律类似,可参见文献[4]。

3.1 迎风向影响分析

图2为迎风向时鱼脊对小轿车受力情况的影响。

从图2a)中可以看出,当不设置鱼脊时,气流经过栏杆的绕流后直接作用于行驶车辆上,0～22号车辆的阻力系数都表现为正值,即受到的阻力沿着气流作用的方向。22号小轿车是车队迎风的第一辆车辆,受到的阻力最大,阻力系数达到2.37;当设有鱼脊时,气流经过栏杆的绕流后受到鱼脊的阻挡,在鱼脊前方区域形成涡流,鱼脊高度越高阻挡效应越明显,即涡流越强,对于迎风的第一辆22号小轿车,鱼脊和栏杆的影响较小,阻力系数与无鱼脊时相近,达到2.17,位于鱼脊最高处区域的6号和16号等车辆,由于处于涡流中,因此受到的气动阻力与气流作用方向相反,阻力系数为-0.47。

从图2b)中可以看出,鱼脊对车辆受到的升力影响较小。无鱼脊情况下,车辆的气动升力都表现为负值,22号小轿车的升力系数为负值最大,-0.53;有鱼脊时,除8号、9号和20号外其余车辆的气动升力为负值,8号、9号和20号的正值较小,最大为0.08,22号小轿车的升力系数为负值最大,-0.30。

3.2 背风向影响分析

图3为背风向时鱼脊对小轿车受力情况的影响,从图中可以看出,背风向时鱼脊对行驶车辆的受力影响较大。

图3a)中可以看出,当不设置鱼脊时,气流直接作用于行驶车辆表面,车辆的阻力系数都为正值,变化幅度与有鱼脊情况对比相对较小,最大阻力系数达到2.41,最小阻力系数为1.13;当设有鱼脊时,气流经过鱼脊的绕流后作用于行驶车辆,车辆的阻力系数受到鱼脊的影响,变化幅度增大。0号车的阻力系数为正值最大,达到1.31;5号车的阻力系数为负值最大,达到-3.53。对于迎风的第一辆车0号车,鱼脊和栏杆的影响较小,阻力系数与无鱼脊时相近。

图3b)中可以看出,鱼脊对车辆受到的升力影响也较大。无鱼脊情况下,除1号、13号和18号小轿车表现为正的较小气动升力外,其余都表现为负值,5号小轿车的升力系数为负值最大,-0.20;有鱼脊时,车辆受到气动升力的变化幅度增大,3号小轿车的升力系数为负值最大,-1.63,18号小轿车的升力系数为正值最大,0.24。

3.3 有无鱼脊影响分析

图4为车辆分别行驶在无鱼脊和有鱼脊桥梁上的风速剖面,从图中可以看出鱼脊的遮挡效应对行驶车辆的受力产生了较大的影响。

图4a)为无鱼脊时,气流经过护栏的绕流直接作用于行驶车辆侧面,故行驶车辆的阻力表现为正值,即沿着气流的作用方向;图4b)为有鱼脊时,气流受到鱼脊的阻挡,在鱼脊前方区域形成涡流,行驶车辆处于涡流之中,因此受到的气动阻力表现为负值,即与气流的作用方向相反。

从以上的分析结果可以看出,鱼脊对桥面上行驶车辆的影响较大,因此不能简单的采用通用规范中规定的限制风速,需要进行深入的研究。

4 以侧滑为指标的安全行车风速

侧滑问题可以在静力模型的基础上加以分析[5]。当车辆在桥面上行驶时,需要考虑风力、惯性力(车辆变道等转向)、重力(桥面横向坡度)等作用力的共同作用。转向行驶的车辆如果同时受到向弯道外侧的侧风作用,侧向力可能超过地面和车轮之间的侧向附着极限,使汽车发生侧向滑移。形成侧滑的必要条件见式(5)。

式中:FI表示离心力;FS表示侧向气动力;Gα表示侧向重力分量;Ff表示侧向摩擦力。

式(5)左边称为侧向总力Ft,当侧向总力Ft等于或大于等式右边的侧滑极限摩擦力Ff时,车辆将会处于不安全的行驶状态。在同一个图中给出侧向总力和侧滑极限摩擦力随风速变化的函数图,则图中两曲线交汇的点即是安全行车的临界风速(见图5)。当超过临界风速后,随着风速的增加,侧向总力超过侧滑极限摩擦力,行车的安全便得不到保障。

从图5中可以看出,对于轿车在干路面条件下,当侧向风速达到45 m/s时,侧向力便会超过侧滑极限力,行驶车辆就会有发生侧滑的危险;在雪路面条件下,当侧向风速达到21 m/s时,侧向力就会超过侧滑极限力,此时行驶车辆就会有发生侧滑的危险。对于卡车,在干路面条件下,参考极限行驶风速降为40 m/s;雪路面条件下,参考极限行驶风速降为12 m/s。同理可以得出车辆行驶速度为100 km/h时,4种不同路面特征下的极限行驶风速。

不同气象条件下的桥面摩擦因数见表1。

考虑表1的干路面、湿路面、雪路面和冰路面4种不同路面特征的极限行驶风速。弯道半径考虑车辆变道等转向运动,可取1 km。桥面的横坡取为2%,即1.15°。根据桥面上行驶车辆的受力分析,选取受力最不利的行驶车辆进行极限行驶风速计算。

4 种不同路面特征下的极限行驶风速见表2。

由表2中数据,综合各种危险工况,可以归纳关于车辆安全行驶的建议如下。

1)干路面情况下,当桥面风速<25 m/s时,建议车辆行驶速度<100 km/h;当桥面风速>25 m/s时,建议车辆行驶速度<40 km/h;当桥面风速>40 m/s时,建议封闭交通。

2)湿路面情况下,当桥面风速<20 m/s时,建议车辆行驶速度<100 km/h;当桥面风速>20 m/s时,建议车辆行驶速度<40 km/h;当桥面风速>35 m/s时,建议封闭交通。

3)雪路面情况下,当桥面风速>10 m/s时,建议封闭交通;当桥面风速<10 m/s时,建议车辆行驶速度要<40 km/h。

4)冰路面情况下,建议封闭交通。

5 结语

通过本文的研究发现,鱼脊的设置对桥面上行驶车辆的受力有较大的影响,需要对行驶车辆受到的气动力进行深入的分析。由于鱼脊高度随桥梁纵轴线连续变化,无法采用节段模型获得其行驶车辆的气动力系数,因此文中采用计算流体动力学方法对行驶在全桥模型上车辆的气动力进行了模拟计算。在获得气动力系数的基础上,以不发生侧滑为指标,对轿车和卡车2种车型在不同路面特征下的安全行车风速进行了分析,结果显示轿车的侧风安全性要优于卡车,因此以卡车为基准给出了安全行驶风速的建议。

需要指出的是,计算中行驶车辆采用了车队布置的形式,由于车队布置的不连续性(车辆之间存在间距)且置于迎风向或背风向桥梁中轴线位置处,故文中获得的气动力系数并不一定是最不利情况。此外,由于护栏、风向、频率以及车桥耦合振动等因素的影响,要完全定义出安全行车风速特别困难,因此工程中需要结合实际运营情况对安全行驶风速做出进一步限制。

参考文献

[1]HUCHO W H.Aerodynamics of road vehicles:from fluid mechanicsto vehicle engineering[M].4th ed.Society of AutomotiveEngineers Inc.,1998.

[2]BAKER C J.Ground vehicles in high cross winds:part I:Steadyaerodynamic forces[J].Journal of Fluids and Structures,1991,5(1):69-90.

[3]李雪峰,周晅毅,顾明.北京南站屋面雪荷载分布研究[J].建筑结构,2008(5):109-112.

[4]上海市城市建设设计研究总院.大治河桥行车安全性分析报告[R].上海:2013.