2012年全文集.FIT)

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1 船 舶 与 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 碰 撞 非 线 性 有 限 元 数 值 仿 真 研 究 伍 建 强 袁 俞 好 爱 渊 江 西 省 交 通 科 学 研 究 院 袁 江 西 南 昌 冤 摘 要 院 船 桥 碰 撞 是 在 巨 大 碰 撞 荷 载 作 用 下 的 一 种 复 杂 的 非 线 性 动 态 响 应 过 程 遥 非 线 性 有 限 元 技 术 能 够 较 好 的 解 决 船 桥 碰 撞 问 题 遥 文 章 简 述 了 该 技 术 的 基 本 原 理 袁 以 碰 撞 仿 真 的 基 本 理 论 为 基 础 袁 数 值 仿 真 模 拟 船 舶 与 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 进 行 正 向 碰 撞 过 程 袁 并 对 碰 撞 过 程 中 的 碰 撞 力 演 化 尧 能 量 转 化 和 防 撞 消 能 器 的 塑 性 变 形 的 整 个 时 间 历 程 进 行 了 详 细 描 述 和 全 面 细 致 的 仿 真 模 拟 遥 非 线 性 有 限 元 技 术 比 传 统 的 准 静 态 理 论 提 供 更 为 精 确 的 结 果 遥 所 提 供 的 防 撞 消 能 器 的 塑 性 变 形 渊 即 撞 击 深 度 冤 对 其 设 计 有 重 要 参 考 价 值 遥 关 键 词 院 交 通 工 程 曰 船 桥 碰 撞 曰 非 线 性 有 限 元 曰 防 撞 消 能 器 曰 塑 性 变 形 0 前 言 随 着 交 通 运 输 事 业 的 不 断 发 展 袁 船 舶 尧 汽 车 和 火 车 交 通 量 增 大 袁 因 受 船 舶 撞 击 而 诱 发 的 桥 梁 垮 塌 事 件 正 在 日 益 增 多 遥 据 资 料 统 计 表 明 袁 最 近 十 余 年 来 袁 世 界 上 发 生 的 船 舶 撞 墩 毁 桥 的 重 大 事 故 就 已 超 过 100 余 起 袁 图 1 列 出 了 桥 梁 结 构 撞 毁 事 件 的 几 个 例 子 遥 这 类 事 件 往 往 造 成 桥 塌 尧 船 沉 尧 人 亡 和 水 陆 运 输 干 线 长 期 中 断 的 严 重 后 果 遥 重 建 桥 梁 和 疏 通 航 道 的 费 用 十 分 惊 人 遥 因 此 袁 预 防 桥 梁 免 遭 船 舶 撞 击 这 一 [1][2] 问 题 已 成 为 具 有 广 泛 意 义 的 国 际 性 课 题 袁 日 益 引 起 各 国 政 府 尧 学 者 和 工 程 界 的 关 注 遥 图 1 桥 梁 结 构 撞 毁 事 件 Minorsky 理 论 咱 猿 暂 尧 汉 斯 原 德 鲁 彻 理 论 咱 源 暂 和 简 化 解 析 法 咱 缘 暂 是 现 今 分 析 船 桥 碰 撞 问 题 常 用 方 法 的 基 础 袁 作 者 简 介 院 俞 好 爱 渊 冤 袁 女 袁 江 西 德 兴 袁 工 程 师 袁 主 要 从 事 工 程 质 量 检 测 遥 窑 1 窑

2 可 上 述 理 论 均 基 于 准 静 态 的 模 拟 分 析 碰 撞 遥 然 而 袁 船 桥 碰 撞 是 桥 梁 结 构 和 船 体 结 构 在 很 短 时 间 内 在 巨 大 冲 击 荷 载 作 用 下 的 一 种 复 杂 的 非 线 性 动 态 响 应 过 程 袁 它 具 有 非 常 明 显 的 动 力 特 征 袁 而 且 碰 撞 区 构 件 一 般 都 要 迅 速 超 越 弹 性 阶 段 而 进 入 塑 性 阶 段 袁 并 可 能 出 现 撕 裂 尧 屈 曲 等 各 种 形 式 的 破 坏 袁 所 以 以 现 有 的 船 桥 碰 撞 理 论 来 分 析 船 桥 碰 撞 是 不 够 准 确 的 遥 非 线 性 有 限 元 技 术 的 日 益 进 步 和 成 熟 袁 广 泛 地 应 用 于 结 构 冲 击 数 值 模 拟 计 算 中 袁 使 有 限 元 数 值 仿 真 技 术 能 够 较 好 的 解 决 船 桥 碰 撞 问 题 遥 Gary R.Consolazio 等 人 利 用 非 线 性 有 限 元 程 序 对 船 舶 和 圆 形 尧 咱 远 暂 咱 苑 暂 方 形 桥 墩 碰 撞 进 行 了 研 究 曰 刘 建 成 尧 顾 永 宁 对 整 船 整 桥 模 型 的 船 桥 碰 撞 进 行 过 数 值 仿 真 分 析 曰 高 震 尧 顾 永 宁 利 用 超 大 型 油 船 船 侧 结 构 碰 撞 大 尺 度 模 型 试 验 的 测 量 结 果 验 证 非 线 性 有 限 元 方 法 的 计 算 结 果 的 可 信 性 和 精 度 遥 文 章 以 碰 撞 仿 真 的 基 本 理 论 和 关 键 技 术 为 基 础 袁 数 值 模 拟 船 舶 对 某 大 桥 主 桥 桥 墩 的 防 撞 消 能 器 进 行 正 向 碰 撞 过 程 分 析 袁 并 对 碰 撞 过 程 中 的 碰 撞 力 演 化 尧 碰 撞 能 量 转 化 以 及 防 撞 消 能 器 的 防 撞 能 力 渊 即 最 大 吸 收 能 量 冤 进 行 了 描 述 和 力 学 机 理 分 析 袁 研 究 碰 撞 现 象 内 在 的 规 律 性 袁 表 明 了 碰 撞 数 值 仿 真 分 析 应 用 的 优 势 和 前 景 遥 1 非 线 性 有 限 元 动 态 数 值 仿 真 理 论 1.1 非 线 性 有 限 元 控 制 方 程 船 桥 碰 撞 问 题 的 运 动 方 程 可 以 一 般 地 表 示 为 l 咱 酝 暂 喳 d 乙 札 + 咱 悦 暂 喳 d 札 垣 咱 运 暂 喳 d 札 = 喳 F ex 札 渊 1 冤 0 式 中 袁 咱 酝 暂 为 船 桥 质 量 矩 阵 袁 咱 悦 暂 为 阻 尼 矩 阵 袁 咱 运 暂 为 刚 度 矩 阵 袁 喳 d 札 为 加 速 度 向 量 袁 喳 d 札 为 速 度 向 量 袁 喳 d 札 为 位 移 向 量 袁 喳 F ex 札 为 外 力 向 量 遥 碰 撞 力 通 过 定 义 船 舶 / 防 撞 系 统 之 间 为 接 触 面 以 接 触 力 的 形 式 输 出 遥 经 有 限 元 离 散 处 理 后 形 成 的 瞬 态 动 力 学 问 题 袁 适 宜 采 用 显 示 直 接 时 域 积 分 解 法 遥 通 过 自 动 控 制 时 间 步 长 袁 可 以 得 到 稳 定 解 并 保 证 时 间 积 分 的 精 度 遥 实 用 中 以 最 小 有 限 单 元 网 格 的 特 征 长 度 除 以 应 力 波 咱 怨 暂 速 来 定 义 最 小 时 间 步 长 袁 即 院 吟 t 臆 吟 t cr =min 渊 蕴 e /C 冤 渊 2 冤 [7] 1.2 碰 撞 中 的 接 触 算 法 相 撞 结 构 渊 或 构 件 冤 之 间 的 相 互 作 用 通 过 接 触 算 法 来 完 成 遥 在 可 能 发 生 接 触 作 用 的 两 个 结 构 表 面 之 间 分 别 定 义 主 从 接 触 面 袁 见 图 2 遥 在 求 解 的 每 一 时 间 步 袁 检 查 从 属 节 点 是 否 已 经 穿 透 主 面 袁 如 果 还 没 有 穿 透 袁 则 计 算 工 作 继 续 进 行 曰 否 则 在 垂 直 于 主 面 的 方 向 上 施 加 一 作 用 力 以 阻 止 从 属 节 点 的 进 一 步 穿 透 袁 这 个 作 用 力 就 是 接 触 力 遥 图 2 主 从 接 触 图 窑 2 窑

3 本 文 计 算 借 助 了 功 能 较 强 的 非 线 性 有 限 元 软 件 LS-DYNA 程 序 完 成 遥 2 船 舶 与 防 撞 消 能 器 碰 撞 仿 真 计 算 模 型 2.1 工 程 概 况 某 大 桥 为 一 PC 连 续 刚 构 桥 袁 主 墩 为 双 薄 壁 型 墩 袁 基 础 承 台 尺 寸 为 18.6m 伊 12.6m 伊 5m 遥 设 计 要 求 通 航 满 载 1000t 的 船 舶 遥 该 桥 的 主 墩 上 设 置 角 钢 支 承 钢 管 架 形 式 的 防 撞 消 能 器 袁 详 见 图 3 所 示 袁 该 防 撞 消 能 器 [10] 的 尺 寸 参 考 文 献 遥 其 材 料 采 用 A3 钢 袁 其 中 钢 管 直 径 为 800mm 袁 厚 度 为 10mm 袁 所 有 角 钢 支 架 的 型 号 为 100mm 伊 100mm 伊 10mm 遥 节 点 钢 板 厚 度 除 1 耀 6 钢 板 为 20mm 外 袁 其 余 均 为 10mm 遥 a) 俯 视 图 b) 大 样 图 图 3 防 撞 消 能 器 尺 寸 构 造 图 [11] 2.2 材 料 的 应 变 率 敏 感 性 分 析 现 今 大 部 分 桥 梁 的 防 撞 装 置 均 采 用 低 碳 钢 制 造 袁 钢 材 料 的 塑 性 性 能 对 应 变 率 是 高 度 敏 感 的 袁 它 的 屈 服 强 度 随 应 变 率 的 增 加 而 提 高 遥 因 此 袁 在 材 料 模 型 中 应 计 入 应 变 率 敏 感 性 的 影 响 袁 以 考 虑 碰 撞 问 题 的 动 力 特 征 遥 在 材 料 应 变 率 敏 感 性 诸 多 的 本 构 方 程 中 袁 与 实 验 数 据 符 合 较 好 的 Cowper-Symonds 本 构 方 程 ' 员 辕 q 滓 0 / 滓 0 =( 着 辕 阅 ) 渊 3 冤 ' 式 中 袁 滓 0 为 在 塑 性 应 变 率 着 时 的 动 屈 服 应 力 袁 滓 0 为 相 应 的 静 屈 服 应 力 袁 阅 尧 q 为 材 料 的 应 变 率 参 数 遥 对 低 碳 钢 袁 阅 越 源 园.4 袁 q=5 遥 针 对 防 撞 装 置 用 钢 袁 考 虑 等 向 强 化 和 随 动 强 化 对 材 料 的 贡 献 袁 需 要 计 入 强 化 参 数 茁 遥 随 动 强 化 时 茁 越 0 袁 等 向 强 化 时 1 遥 所 以 在 分 析 船 舶 碰 撞 桥 梁 问 题 中 防 撞 装 置 采 用 改 进 的 Cowper-Symonds 本 构 方 程 ' 员 辕 滓 0 =[1+( 着 / 阅 ) q eff ]( 滓 0+ 茁 耘 p 着 p ) 渊 4 冤 式 中 袁 为 塑 性 强 化 模 量 袁 为 有 效 塑 性 应 变 遥 2.3 数 值 仿 真 分 析 的 有 限 元 模 型 建 立 窑 3 窑

4 船 舶 与 桥 梁 结 构 的 碰 撞 过 程 十 分 复 杂 袁 其 与 碰 撞 时 的 环 境 因 素 渊 风 浪 尧 气 候 尧 水 流 等 冤 尧 船 舶 特 性 渊 船 舶 类 型 尧 船 舶 尺 寸 尧 行 进 速 度 尧 装 载 情 况 以 及 船 首 尧 船 壳 和 甲 板 室 的 强 度 和 刚 度 等 冤 尧 桥 梁 结 构 因 素 渊 桥 梁 构 件 的 尺 寸 尧 形 状 尧 材 料 尧 质 量 和 抗 力 特 性 等 冤 及 驾 驶 员 的 反 应 时 间 等 因 素 有 关 遥 由 于 船 桥 碰 撞 过 程 的 复 杂 性 袁 在 数 值 仿 真 分 析 中 对 其 进 行 简 化 是 十 分 有 必 要 的 曰 在 研 究 船 桥 碰 撞 时 袁 船 舶 的 动 能 尧 船 桥 咱 远 暂 之 间 的 接 触 和 桥 梁 结 构 型 式 是 主 要 因 素 遥 研 究 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 的 防 撞 消 能 效 果 关 键 是 要 获 得 船 桥 之 间 的 撞 击 力 及 撞 击 过 程 中 防 撞 消 能 器 的 吸 收 能 量 的 情 况 遥 因 此 袁 在 研 究 船 舶 碰 撞 防 撞 消 能 器 时 只 对 防 撞 消 能 器 建 立 有 限 元 模 型 袁 由 于 桥 梁 上 部 尧 下 部 结 构 的 动 力 响 应 对 能 量 的 迁 移 吸 收 影 响 很 小 袁 可 以 将 其 忽 略 遥 船 体 周 围 水 介 质 伴 随 船 体 运 动 并 参 与 碰 撞 能 量 吸 收 袁 由 于 船 舶 与 防 撞 结 构 发 生 碰 撞 时 袁 碰 撞 中 船 体 主 要 在 纵 向 上 发 生 刚 性 位 移 袁 此 时 其 周 围 水 介 质 的 影 响 相 对 较 小 袁 采 用 大 小 为 船 体 总 质 量 的 0.04 倍 的 [12] 附 加 水 质 量 就 可 以 相 当 准 确 地 表 达 水 的 影 响 遥 在 研 究 船 舶 与 防 撞 结 构 碰 撞 时 袁 数 值 仿 真 中 建 立 一 个 有 效 的 有 限 元 模 型 至 关 重 要 遥 在 建 立 防 撞 结 构 有 限 元 模 型 时 袁 由 于 角 钢 与 角 钢 之 间 和 角 钢 与 钢 管 之 间 的 节 点 钢 板 比 较 刚 硬 袁 在 有 限 元 模 型 中 采 用 刚 结 点 处 理 袁 角 钢 支 架 与 基 础 承 台 连 接 处 采 用 固 定 支 座 曰 由 于 碰 撞 过 程 中 主 要 研 究 防 撞 消 能 器 的 变 形 [10] 吸 能 能 力 袁 DYNA 程 序 中 采 用 梁 单 元 来 模 拟 钢 管 和 角 钢 支 架 是 合 理 的 袁 钢 管 梁 单 元 和 角 钢 梁 单 元 的 截 面 分 别 为 空 心 钢 管 截 面 和 角 钢 截 面 袁 防 撞 消 能 器 的 有 限 元 模 型 如 图 4b) 所 示 遥 船 舶 碰 撞 防 撞 结 构 时 袁 碰 撞 过 程 中 的 能 量 主 要 来 自 于 船 舶 的 动 能 袁 碰 撞 结 束 后 袁 除 防 撞 消 能 器 吸 收 大 部 分 能 量 外 袁 船 体 也 会 发 生 一 些 变 形 以 吸 收 部 分 能 量 遥 在 建 立 船 舶 有 限 元 模 型 时 袁 为 了 模 拟 船 体 碰 撞 时 的 变 形 袁 在 船 舶 与 防 撞 结 构 碰 撞 的 接 触 部 分 渊 即 船 首 冤 采 用 壳 单 元 袁 即 THIN SHELL163 单 元 袁 船 体 采 用 实 体 单 元 建 立 以 代 替 船 舶 的 实 际 质 量 渊 包 括 附 加 水 质 量 冤 袁 保 证 碰 撞 过 程 中 的 船 舶 动 能 与 实 际 一 致 袁 船 舶 发 生 的 变 形 主 要 通 过 船 首 的 壳 单 元 变 形 来 体 现 袁 船 舶 的 结 构 型 式 和 尺 寸 参 考 文 献 袁 其 有 限 元 模 型 如 图 4a) 所 示 遥 基 于 上 述 讨 论 袁 利 用 LS-DYNA 非 线 性 有 限 元 程 序 对 某 大 桥 的 防 撞 消 能 器 及 船 舶 建 立 有 限 元 模 型 袁 对 船 舶 与 防 撞 消 能 器 正 向 碰 撞 过 程 进 行 了 数 值 仿 真 模 拟 袁 并 对 碰 撞 过 程 中 防 撞 消 能 器 的 动 力 性 能 进 行 了 研 究 遥 数 值 仿 真 分 析 中 采 用 梁 单 元 渊 BEAM161 冤 来 模 拟 防 撞 结 构 袁 船 舶 采 用 壳 单 元 渊 SHELL163 冤 和 实 体 单 元 渊 SOLID164 冤 两 种 袁 整 个 有 限 元 模 型 中 袁 梁 单 元 共 个 袁 壳 单 元 个 袁 实 体 单 元 500 个 遥 a) 船 舶 有 限 元 模 型 b) 防 撞 系 统 有 限 元 模 型 图 4 仿 真 计 算 有 限 元 模 型 窑 4 窑

5 对 船 用 低 碳 钢 和 防 撞 结 构 低 碳 钢 袁 在 碰 撞 过 程 中 材 料 已 经 进 入 非 线 性 阶 段 遥 低 碳 钢 材 料 采 用 双 线 性 强 化 弹 塑 性 本 构 关 系 袁 并 且 材 料 属 性 全 部 采 用 改 进 后 的 Cowper-Symonds 本 构 方 程 遥 材 料 中 仅 考 虑 随 猿 动 强 化 对 低 碳 钢 的 贡 献 袁 计 算 模 型 中 各 参 数 取 值 如 下 院 材 料 密 度 籽 越 7.85 伊 员 园 运 g 辕 m 3 袁 弹 性 模 量 E=2.1 伊 N/m 2 袁 硬 化 模 量 Eh=1.18 伊 10 9 N/m 2 袁 屈 服 应 力 滓 o=2.35 伊 10 8 N/m 2 袁 泊 松 比 D=40.4 袁 应 变 率 参 数 淄 越 0.3 袁 应 变 率 参 数 q=5 袁 强 化 参 数 茁 越 园 袁 最 大 失 效 等 效 应 变 着 failure=0.34 遥 3 数 值 仿 真 计 算 结 果 及 其 分 析 3.1 船 舶 与 防 撞 结 构 之 间 的 碰 撞 力 分 析 船 舶 与 防 撞 结 构 之 间 的 碰 撞 力 是 指 它 们 碰 撞 时 之 间 的 相 互 作 用 力 渊 即 两 者 之 间 的 接 触 力 冤 袁 碰 撞 力 的 大 小 表 征 着 船 舶 对 防 撞 结 构 的 破 坏 程 度 遥 图 5 显 示 的 是 1000t 船 舶 以 3m/s 速 度 对 防 撞 消 能 器 进 行 正 向 碰 撞 过 程 中 袁 船 舶 与 防 撞 结 构 之 间 的 碰 撞 力 的 时 程 曲 线 遥 从 图 中 可 以 看 出 袁 碰 撞 力 曲 线 具 有 非 线 性 波 动 特 征 遥 在 碰 撞 过 程 的 不 同 阶 段 袁 碰 撞 力 出 现 不 同 程 度 的 跳 跃 现 象 袁 每 一 次 碰 撞 力 的 跳 跃 提 高 表 示 了 应 力 波 的 传 播 使 防 撞 结 构 中 的 某 部 分 构 件 有 效 地 参 与 到 防 撞 工 作 中 曰 每 一 次 碰 撞 力 的 跳 跃 降 低 表 示 了 某 部 分 构 件 的 失 效 或 破 坏 遥 本 例 中 碰 撞 力 的 下 降 主 要 是 由 部 分 角 钢 支 承 骨 架 结 构 发 生 动 态 屈 曲 造 成 的 遥 图 5 碰 撞 力 的 时 程 曲 线 图 5 中 F max =6.49MN 表 示 碰 撞 过 程 中 的 最 大 碰 撞 力 袁 F m =4.02MN 表 示 碰 撞 过 程 中 的 平 均 碰 撞 力 遥 从 图 中 可 以 看 出 袁 碰 撞 力 随 着 时 间 增 加 渊 即 撞 击 深 度 的 增 加 冤 逐 渐 增 大 袁 当 最 大 碰 撞 力 出 现 后 袁 碰 撞 力 曲 线 开 始 下 滑 渊 即 碰 撞 力 曲 线 最 后 一 段 冤 袁 这 是 由 于 船 舶 撞 击 防 撞 结 构 后 反 弹 的 原 因 袁 上 述 计 算 结 果 与 文 献 [6][7] 的 研 究 结 果 基 本 上 是 一 致 的 遥 窑 5 窑

6 船 舶 质 量 渊 t 冤 碰 撞 初 速 度 渊 m/s 冤 表 1 不 同 初 始 动 能 的 船 舶 正 向 碰 撞 防 撞 消 能 器 时 的 碰 撞 力 比 较 碰 撞 初 始 动 能 渊 MJ 冤 最 大 碰 撞 力 F max (MN) 平 均 碰 撞 力 F m (MN) 浊 越 云 m/f max 渊 豫 冤 表 1 列 出 了 1000t 和 3000t 船 舶 分 别 以 1m/s 尧 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 消 能 器 正 向 碰 撞 的 碰 撞 力 遥 碰 撞 过 程 中 袁 尽 管 最 大 碰 撞 力 很 大 袁 但 由 于 其 持 续 时 间 极 短 袁 对 结 构 物 的 破 坏 作 用 十 分 有 限 袁 因 此 袁 主 要 通 过 平 均 碰 撞 力 的 大 小 来 判 定 船 舶 对 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 撞 击 的 损 坏 程 度 袁 也 即 碰 撞 过 程 中 的 平 均 碰 撞 力 越 大 袁 防 撞 消 能 器 被 撞 损 的 程 度 越 大 遥 从 表 中 可 以 看 出 袁 随 着 船 舶 的 初 始 动 能 增 加 袁 平 均 碰 撞 力 也 在 随 之 增 大 袁 由 此 可 以 得 出 袁 船 舶 的 动 能 越 大 袁 平 均 碰 撞 力 越 大 袁 对 防 撞 消 能 器 撞 击 的 损 坏 程 度 越 大 遥 从 平 均 碰 撞 力 与 最 大 碰 撞 力 的 比 值 不 难 发 现 袁 平 均 碰 撞 力 约 为 最 大 碰 撞 力 的 一 半 袁 这 与 1976 年 德 国 沃 [13] 辛 实 验 结 果 表 明 的 最 大 碰 撞 力 约 为 平 均 碰 撞 力 的 2 倍 的 结 论 是 相 当 吻 合 的 遥 3.2 碰 撞 过 程 中 的 能 量 转 化 在 碰 撞 过 程 中 袁 船 舶 的 初 始 撞 击 动 能 渊 包 括 附 加 水 质 量 提 供 的 动 能 冤 将 转 化 为 如 下 几 种 能 量 院 撞 击 船 的 弹 塑 性 变 形 能 及 剩 余 动 能 曰 防 撞 结 构 的 弹 塑 性 变 形 能 及 动 能 曰 构 件 之 间 摩 擦 引 起 的 热 能 损 伤 遥 此 外 DYNA 程 序 中 体 单 元 和 壳 单 元 只 有 一 个 积 分 点 渊 位 于 单 元 形 心 处 冤 袁 单 元 的 某 些 变 形 模 态 不 具 有 刚 度 袁 从 而 造 成 了 沙 漏 现 象 袁 并 引 起 一 定 的 能 量 损 失 袁 通 过 采 用 添 加 粘 性 阻 尼 系 数 以 及 合 理 划 分 网 格 的 方 法 袁 可 以 将 沙 漏 引 起 的 能 量 损 失 控 制 在 一 个 很 小 量 袁 关 于 沙 漏 现 象 的 详 细 论 述 参 见 文 献 遥 计 算 结 果 表 明 袁 在 上 述 能 量 中 摩 擦 引 起 的 能 量 损 失 很 小 遥 因 此 袁 船 舶 的 初 始 动 能 主 要 转 化 为 防 撞 结 构 的 变 形 能 及 动 能 尧 撞 击 船 的 变 形 能 及 剩 余 动 能 遥 图 6 能 量 时 程 曲 线 窑 6 窑

7 图 6 为 1000t 船 舶 以 3m/s 速 度 对 防 撞 消 能 系 统 进 行 正 碰 撞 过 程 中 的 能 量 转 化 及 能 量 时 程 曲 线 遥 A 线 代 表 整 个 系 统 的 总 能 量 袁 B 线 和 C 线 分 别 代 表 整 个 系 统 的 动 能 和 变 形 能 渊 整 个 系 统 的 动 能 和 变 形 能 包 括 防 撞 结 构 和 船 舶 两 者 冤 遥 从 图 6 可 以 看 出 袁 整 个 系 统 的 动 能 渊 B 线 冤 逐 渐 减 小 袁 同 时 整 个 系 统 的 变 形 能 渊 C 线 冤 逐 渐 增 加 袁 即 系 统 动 能 已 经 转 化 成 为 系 统 变 形 能 袁 但 整 个 系 统 的 总 能 量 渊 A 线 冤 保 持 不 变 渊 A 线 为 一 水 平 线 冤 袁 这 正 好 说 明 了 碰 撞 过 程 中 能 量 转 化 是 满 足 能 量 守 恒 定 律 的 遥 3.3 防 撞 消 能 器 的 损 伤 变 形 分 析 在 不 同 初 始 动 能 的 船 舶 撞 击 下 袁 桥 墩 的 防 撞 消 能 器 的 塑 性 变 形 的 大 小 是 不 相 同 的 袁 当 其 塑 性 变 形 大 于 安 全 设 计 距 离 渊 即 最 大 允 许 撞 击 深 度 冤 袁 防 撞 消 能 器 就 会 失 效 袁 船 舶 将 直 接 撞 击 桥 墩 遥 因 此 袁 数 值 仿 真 分 析 中 袁 规 定 当 船 舶 直 接 碰 撞 并 接 触 桥 墩 表 面 时 袁 防 撞 消 能 器 将 退 出 防 护 的 工 作 状 态 遥 防 撞 消 能 器 的 最 大 允 许 撞 击 深 度 为 4.3m 遥 图 7 显 示 的 是 1000t 船 舶 以 3m/s 速 度 对 防 撞 消 能 器 进 行 正 向 碰 撞 过 程 中 它 的 损 伤 变 形 历 程 袁 撞 击 深 度 1.46m 遥 从 图 中 可 以 看 出 袁 当 船 舶 撞 击 防 撞 消 能 器 时 袁 防 撞 消 能 器 除 了 发 生 整 体 变 形 外 袁 其 塑 性 变 形 主 要 在 船 舶 撞 击 附 近 处 较 大 袁 显 示 出 较 强 的 局 部 性 遥 表 2 列 出 了 1000t 和 3000t 船 舶 分 别 以 1m/s 尧 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 消 能 器 正 向 碰 撞 下 它 的 变 形 能 以 及 撞 击 深 度 遥 从 表 2 可 以 看 出 袁 当 船 舶 撞 击 防 撞 消 能 器 时 袁 耗 散 动 能 大 部 分 转 化 为 防 撞 消 能 器 的 变 形 能 渊 即 被 防 撞 结 构 所 吸 收 冤 遥 随 着 船 舶 的 初 始 动 能 增 加 袁 防 撞 消 能 器 的 撞 击 深 度 也 在 增 大 遥 当 质 量 为 1000t 的 船 舶 以 1m/s 尧 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 消 能 器 正 向 碰 撞 时 袁 撞 击 深 度 分 别 为 0.23m 尧 1.46m 尧 3.95m 袁 均 小 于 最 大 允 许 撞 击 深 度 4.3m 袁 防 撞 消 能 器 对 桥 墩 仍 处 于 防 护 工 作 状 态 遥 当 质 量 为 3000t 的 船 舶 窑 7 窑

8 以 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 消 能 器 正 向 碰 撞 时 袁 撞 击 深 度 超 出 最 大 允 许 撞 击 深 度 袁 防 撞 消 能 器 已 经 失 效 袁 船 舶 将 直 接 撞 击 桥 墩 遥 从 表 中 不 难 发 现 袁 对 于 防 撞 消 能 器 而 言 袁 它 的 防 撞 能 力 渊 即 最 大 吸 收 能 量 冤 只 与 自 身 结 构 和 材 料 的 性 质 有 关 袁 而 与 撞 击 船 舶 的 初 始 动 能 无 关 遥 表 2 不 同 初 始 动 能 的 船 舶 正 向 碰 撞 下 防 撞 消 能 器 的 变 形 能 以 及 撞 击 深 度 船 舶 质 量 渊 t 冤 碰 撞 初 速 度 渊 m/s 冤 1 碰 撞 初 始 动 能 渊 MJ 冤 0.5 碰 撞 末 期 动 能 渊 MJ 冤 防 撞 消 能 器 变 形 能 渊 MJ 冤 撞 击 深 度 渊 m 冤 防 撞 消 能 器 是 否 失 效 否 否 否 否 是 是 4 结 语 淤 采 用 显 式 瞬 态 非 线 性 有 限 元 分 析 技 术 可 以 对 船 舶 与 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 碰 撞 过 程 进 行 成 功 的 数 值 仿 真 分 析 遥 数 值 仿 真 分 析 结 果 可 以 反 映 出 碰 撞 过 程 中 的 一 般 现 象 和 基 本 规 律 袁 可 以 比 较 精 细 地 再 现 结 构 内 部 的 动 力 学 过 程 袁 并 对 船 舶 与 防 撞 消 能 器 碰 撞 过 程 中 的 碰 撞 力 演 化 尧 能 量 转 化 和 防 撞 结 构 的 塑 性 变 形 的 整 个 时 间 历 程 进 行 全 面 细 致 的 模 拟 再 现 遥 于 在 船 舶 撞 击 防 撞 结 构 的 过 程 中 袁 由 于 防 撞 结 构 中 的 某 些 构 件 不 断 的 失 效 和 破 坏 袁 碰 撞 力 曲 线 呈 现 出 非 线 性 波 动 特 征 遥 碰 撞 力 随 着 时 间 增 加 渊 即 撞 击 深 度 的 增 加 冤 逐 渐 增 大 袁 当 最 大 碰 撞 力 出 现 后 袁 碰 撞 力 曲 线 开 始 下 滑 渊 即 碰 撞 力 曲 线 最 后 一 段 冤 袁 这 是 由 于 船 舶 撞 击 防 撞 结 构 后 反 弹 的 原 因 遥 平 均 碰 撞 力 的 大 小 可 以 用 来 衡 量 船 舶 对 桥 梁 结 构 防 撞 消 能 器 撞 击 的 损 坏 程 度 袁 船 舶 的 初 始 动 能 越 大 袁 平 均 碰 撞 力 越 大 袁 船 舶 对 防 撞 消 能 器 撞 击 的 损 坏 程 度 越 大 遥 平 均 碰 撞 力 约 为 最 大 碰 撞 力 的 一 半 袁 与 德 国 沃 辛 实 验 结 果 吻 合 遥 盂 在 能 量 方 面 袁 船 舶 的 耗 散 动 能 大 部 分 转 化 为 防 撞 消 能 器 的 变 形 能 渊 即 被 防 撞 结 构 所 吸 收 冤 袁 同 时 袁 整 个 系 统 的 总 能 量 却 保 持 不 变 袁 说 明 碰 撞 过 程 中 能 量 转 化 是 满 足 能 量 守 恒 定 律 的 遥 榆 当 船 舶 撞 击 防 撞 结 构 时 袁 防 撞 结 构 除 了 发 生 整 体 变 形 外 袁 其 塑 性 变 形 主 要 在 船 舶 撞 击 附 近 处 较 大 袁 显 示 出 较 强 的 局 部 性 遥 船 舶 的 初 始 动 能 越 大 袁 防 撞 消 能 器 的 撞 击 深 度 就 越 深 遥 当 质 量 为 1000t 的 船 舶 以 1m/s 尧 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 结 构 进 行 正 向 碰 撞 时 袁 撞 击 深 度 分 别 为 0.23m 尧 1.46m 尧 3.95m 袁 均 小 于 最 大 允 许 撞 击 深 度 4.3m 袁 防 撞 消 能 器 对 桥 墩 仍 处 于 防 护 工 作 状 态 遥 当 质 量 为 3000t 的 船 舶 以 3m/s 尧 5m/s 的 速 度 对 防 撞 结 构 进 行 正 向 碰 撞 时 袁 撞 击 深 度 超 出 最 大 允 许 撞 击 深 度 袁 防 撞 消 能 器 已 经 失 效 袁 船 舶 将 直 接 撞 击 桥 墩 遥 虞 对 于 防 撞 消 能 器 而 言 袁 它 的 防 撞 能 力 渊 即 最 大 吸 收 能 量 冤 只 与 自 身 结 构 和 材 料 的 性 质 有 关 袁 而 与 窑 8 窑

9 撞 击 船 舶 的 初 始 动 能 无 关 遥 参 考 文 献 [1] 杨 渡 军 编 译. 桥 梁 的 防 撞 保 护 系 统 及 其 设 计 [M]. 北 京 院 人 民 交 通 出 版 社 袁 [2] Risk to historical bridges due to ship impact on German inland waterways. Reliability Engineering and System Safety,2005,90: [3] VUMinorsky. An analysis of ship collision to protection of nuclear powered plant [J]. Ship Re 鄄 search,1959,1:1-4. [4] Derucher KN. Analysis of concrete bridge piers for vessel impact[c]. Proceedings of Sino-Ameri 鄄 can Symposium on Bridge and Structural Engineering,Sept.13-19,1982,China,Part I,P 耀 [5] Pedersen PT, Valsgaard S, Olsen Dand Spangenberg S. Ship impacts: bow collisions [J]. Interna 鄄 tional Journal of Impact Engineering,1993,2: [6] Consolazio GR, Cowan DR. Nonlinear analysis of barge crush behavior and its relationship to im 鄄 pact resistant bridge design[j]. Computers and Structures,2003,81: [7] 刘 建 成 袁 顾 永 宁. 基 于 整 船 整 桥 模 型 的 船 桥 碰 撞 数 值 仿 真 [J]. 工 程 力 学 袁 2003 袁 20(5): [8] 高 震 袁 顾 永 宁 袁 胡 志 强. 结 构 冲 击 试 验 的 校 准 计 算 [J] 渊 增 刊 冤. 工 程 力 学 袁 2003 院 [9] 美 国 LSTC 公 司.LS-DYNA 960 User's Manual, [10] 叶 贵 如 袁 茅 兆 祥 等. 船 桥 正 碰 撞 的 非 线 性 有 限 元 仿 真 分 析 [R] 年 全 国 桥 梁 学 术 会 议 论 文 集 [11] 王 自 立 袁 顾 永 宁. 应 变 速 率 敏 感 性 对 船 体 结 构 碰 撞 性 能 的 影 响 [J]. 上 海 交 通 大 学 学 报 袁 2000 袁 34(12) 院 [12] AGlykas, PKDas. Energy conservation during atanker collision [J]. Ocean Engineering,2001, (28): [13] Saul Rand Svensson H. Means of reducing consequences of ship collisions with bridge and off 鄄 shore struct_ures [C]. IABSE Colloquium on Ship Collision with Bridge and Offshore Structures, Copenhagen,1983. 窑 9 窑

10 超 载 条 件 下 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 层 底 拉 应 力 研 究 廖 晓 锋 1 袁 何 慧 兵 2 渊 1. 江 西 省 交 通 运 输 厅 袁 江 西 南 昌 冤 渊 2. 江 西 省 公 路 局 交 通 工 程 公 司 袁 江 西 南 昌 冤 摘 要 院 分 析 半 刚 性 基 层 缺 点 袁 提 出 了 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 结 构 袁 与 超 载 条 件 下 轴 载 计 算 参 数 遥 采 用 Bisar3.0 软 件 袁 计 算 了 在 完 全 连 续 尧 部 分 连 续 和 完 全 光 滑 三 种 界 面 条 件 下 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 各 结 构 层 层 底 拉 应 力 遥 结 果 表 明 袁 在 完 全 连 续 条 件 下 沥 青 层 不 会 产 生 拉 应 力 袁 路 面 内 部 拉 应 力 最 大 值 出 现 在 半 刚 性 基 层 底 部 曰 在 发 现 当 沥 青 层 与 半 刚 性 基 层 之 间 的 接 触 条 件 由 完 全 连 续 向 完 全 光 滑 转 变 时 袁 沥 青 层 层 底 和 半 刚 性 基 层 层 底 的 拉 应 力 逐 渐 增 大 曰 在 三 种 界 面 条 件 下 袁 沥 青 面 层 表 面 轮 隙 中 心 处 都 出 现 较 大 的 拉 应 力 遥 关 键 词 院 道 路 工 程 曰 沥 青 路 面 曰 混 合 式 基 层 曰 拉 应 力 曰 超 载 0 前 言 我 国 长 期 以 来 都 是 奉 行 野 强 基 尧 薄 面 尧 稳 土 基 冶 的 方 针 遥 半 刚 性 基 层 成 为 高 速 公 路 沥 青 路 面 基 层 的 主 要 形 式 遥 半 刚 性 基 层 的 最 大 优 点 是 板 体 性 强 袁 有 很 高 的 承 载 能 力 袁 且 相 对 沥 青 层 来 说 袁 其 造 价 低 廉 袁 [1,2,3] 能 够 节 省 大 量 的 初 期 项 目 投 资 遥 但 是 半 刚 性 基 层 也 有 许 多 的 缺 点 遥 一 是 由 于 半 刚 性 基 层 的 温 缩 尧 干 缩 开 裂 而 导 致 沥 青 路 面 的 反 射 性 裂 缝 非 常 普 遍 遥 二 是 半 刚 性 基 层 在 干 缩 尧 温 缩 和 水 冲 刷 的 作 用 下 袁 往 往 先 于 沥 青 面 层 而 发 生 破 坏 袁 损 坏 后 没 有 愈 合 的 能 力 袁 且 无 法 进 行 修 补 遥 三 是 半 刚 性 基 层 材 料 比 较 致 密 袁 它 基 本 上 是 不 透 水 或 者 渗 水 性 很 差 的 材 料 遥 四 是 半 刚 性 基 层 沥 青 路 面 对 重 载 车 来 说 具 有 更 大 的 轴 载 [4,5] 敏 感 性 遥 特 别 在 超 载 状 态 下 袁 许 多 半 刚 性 基 层 沥 青 路 面 在 通 车 后 不 久 便 出 现 了 早 期 病 害 遥 近 年 来 袁 一 些 省 份 修 建 的 高 速 公 路 是 在 半 刚 性 基 层 上 面 增 加 一 层 沥 青 稳 定 碎 石 基 层 袁 形 成 了 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 遥 本 文 对 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 进 行 了 结 构 计 算 袁 分 析 在 超 载 条 件 下 其 各 结 构 层 层 底 拉 应 力 状 况 遥 1 混 合 式 基 层 路 面 结 构 国 外 沥 青 路 面 的 设 计 寿 命 越 来 越 长 袁 出 现 了 永 久 性 路 面 渊 Perpetual Pavements 冤 或 者 长 寿 命 沥 青 路 面 (Long-life Asphalt Pavements) 的 思 想 袁 这 种 理 念 已 在 欧 美 许 多 国 家 得 到 重 视 袁 且 已 经 在 重 交 通 道 路 上 应 用 袁 对 延 长 沥 青 路 面 使 用 寿 命 起 到 极 大 作 用 遥 永 久 性 路 面 的 理 念 是 所 设 计 的 沥 青 路 面 能 够 使 用 40 耀 50 年 以 上 尧 采 用 较 厚 的 沥 青 层 柔 性 路 面 袁 降 低 传 统 的 沥 青 层 底 开 裂 和 避 免 结 构 性 车 辙 遥 由 于 沥 青 层 相 对 较 厚 袁 传 统 的 疲 劳 开 裂 可 能 性 大 大 降 低 袁 路 面 的 损 坏 主 要 位 于 面 层 的 顶 部 (25 mm 耀 100mm) 袁 一 旦 作 者 简 介 院 廖 晓 锋 渊 冤 袁 男 袁 江 西 南 康 人 袁 长 安 大 学 硕 士 毕 业 袁 工 程 师 袁 从 事 公 路 桥 梁 科 研 工 作 遥 窑 10窑

11 道 路 表 面 损 坏 达 到 临 界 水 平 袁 其 经 济 性 处 理 方 法 就 是 将 损 坏 的 顶 层 或 面 层 铣 刨 尧 罩 面 袁 或 者 加 铺 遥 沥 青 面 层 材 料 可 以 再 生 利 用 袁 使 得 沥 青 路 面 在 使 用 年 限 内 不 需 要 大 的 结 构 性 重 修 或 重 建 袁 并 希 望 无 限 期 地 使 用 下 去 遥 而 半 刚 性 基 层 沥 青 路 面 的 在 达 到 设 计 寿 命 后 发 生 结 构 性 损 坏 袁 需 要 维 修 基 层 袁 与 永 久 性 路 面 确 保 只 维 修 表 面 层 的 思 想 是 最 大 的 差 别 袁 是 两 个 完 全 相 反 的 设 计 理 念 遥 但 是 袁 由 于 经 济 承 受 能 力 还 处 于 一 个 较 低 的 水 平 袁 半 刚 性 基 层 造 价 低 的 特 点 仍 然 是 其 他 路 面 结 构 所 无 法 比 拟 的 袁 一 下 子 采 用 完 全 的 柔 性 基 层 或 是 全 厚 式 沥 青 路 面 是 不 现 实 的 遥 但 是 我 们 可 以 适 当 的 增 加 沥 青 层 的 厚 度 袁 在 沥 青 面 层 与 半 刚 性 基 层 之 间 增 加 一 层 密 级 配 沥 青 稳 定 碎 石 基 层 袁 形 成 混 合 式 基 层 的 路 面 结 构 遥 如 图 1 所 示 院 AC-13C 辕 SMA-13 渊 改 性 沥 青 冤 AC-16C 辕 AC-20C 渊 改 性 沥 青 冤 AC-25C ATB-25 辕 ATB-30 水 泥 稳 定 碎 石 上 基 层 水 泥 稳 定 碎 石 下 基 层 级 配 碎 石 底 基 层 土 基 4cm 6cm 8cm 8cm 耀 12cm 18cm 18cm 20cm 图 1 混 合 式 基 层 路 面 结 构 图 2 轴 载 计 算 参 数 我 国 沥 青 路 面 设 计 规 范 采 用 双 轮 双 圆 荷 载 袁 圆 中 心 距 等 于 三 倍 接 地 半 径 尧 接 地 压 力 为 0.7MPa 的 标 准 荷 载 袁 如 图 2 遥 图 2 标 准 荷 载 计 算 图 示 研 究 人 员 通 常 采 用 轴 重 提 高 袁 轮 胎 接 地 面 积 增 加 而 假 定 轮 压 不 变 的 分 析 方 法 来 进 行 路 面 结 构 分 析 遥 这 种 方 法 显 然 与 重 载 道 路 上 超 载 车 辆 通 过 使 用 高 强 轮 胎 和 加 大 胎 内 压 强 袁 来 保 证 轴 重 增 加 而 不 致 影 响 车 辆 正 常 行 驶 的 实 际 状 况 是 不 相 符 的 遥 根 据 重 载 的 特 点 袁 一 般 认 为 袁 接 地 压 强 和 接 地 面 积 是 随 轮 载 的 变 化 而 变 化 袁 而 荷 载 中 心 距 保 持 不 变 遥 轮 压 比 与 轴 载 比 的 经 验 关 系 如 式 1 所 示 院 pi /ps= 嗓 f / 云 瑟 0.65 噎 噎 噎 噎 渊 1 冤 式 中 院 Ps 要 要 标 准 轮 压 袁 ps=0.7mpa 曰 F 要 要 标 准 轴 载 袁 F=100KN 曰 Pi 要 要 计 算 轮 压 袁 MPa 曰 f 要 要 计 算 轴 载 袁 KN 遥 窑 11窑

12 根 据 高 速 公 路 交 通 荷 载 特 点 袁 以 及 相 关 文 献 [1,2,4,7] 32.5KN 轮 载 尧 0.83MPa 轮 压 袁 作 为 轴 载 计 算 参 数 遥 对 高 速 公 路 超 载 状 况 的 调 查 袁 选 择 130KN 轴 载 尧 3 路 面 结 构 计 算 参 数 结 构 计 算 软 件 采 用 壳 牌 公 司 开 发 的 弹 性 层 状 体 系 计 算 软 件 Bisar3.0 袁 将 沥 青 的 上 中 下 面 层 之 间 的 接 触 认 为 是 完 全 连 续 的 袁 半 刚 性 基 层 尧 半 刚 性 底 基 层 和 土 基 之 间 也 是 完 全 连 续 的 袁 将 沥 青 层 和 半 刚 性 基 层 间 的 接 触 条 件 分 为 完 全 连 续 渊 界 面 联 接 系 数 取 0 冤 尧 部 分 连 续 渊 界 面 联 接 系 数 取 500 冤 和 完 全 光 滑 渊 界 面 联 接 系 数 取 1000 冤 三 种 情 况 考 虑 遥 选 用 表 1 所 提 供 的 路 面 结 构 计 算 参 数 袁 计 算 点 的 布 置 图 如 图 3 所 示 遥 图 3 单 轴 双 轮 荷 载 布 置 图 层 号 名 称 混 合 式 基 层 路 面 结 构 计 算 参 数 表 1 结 构 层 材 料 结 构 层 厚 度 渊 m 冤 弹 性 模 量 (MPa) 泊 松 比 1 上 面 层 AC 中 面 层 AC 下 面 层 AC 沥 青 碎 石 基 层 基 层 沥 青 碎 石 基 层 水 稳 上 基 层 水 泥 稳 定 碎 石 上 基 层 水 稳 下 基 层 水 泥 稳 定 碎 石 下 基 层 底 基 层 级 配 碎 石 底 基 层 土 基 土 基 计 算 结 果 计 算 结 果 如 表 2 尧 表 3 和 表 4 所 示 院 距 路 表 深 渊 cm 冤 结 构 层 名 称 表 2 完 全 连 续 条 件 下 混 合 式 基 层 路 面 结 构 拉 应 力 计 算 表 拉 应 力 渊 MPa 冤 O A B O 2 C D 0 路 表 上 面 层 中 面 层 下 面 层 沥 青 碎 石 基 层 基 层 水 稳 上 基 层 水 稳 下 基 层 底 基 层 窑 12窑

13 表 3 部 分 连 续 条 件 下 混 合 式 基 层 路 面 结 构 拉 应 力 计 算 表 距 路 表 深 渊 cm 冤 结 构 层 名 称 拉 应 力 渊 MPa 冤 O A B O 2 C D 0 路 表 上 面 层 中 面 层 下 面 层 沥 青 碎 石 基 层 基 层 水 稳 上 基 层 水 稳 下 基 层 底 基 层 表 4 完 全 光 滑 条 件 下 混 合 式 基 层 路 面 结 构 拉 应 力 计 算 表 距 路 表 深 渊 cm 冤 结 构 层 名 称 拉 应 力 渊 MPa 冤 O A B O 2 C D 0 路 表 上 面 层 中 面 层 下 面 层 沥 青 碎 石 基 层 基 层 水 稳 上 基 层 水 稳 下 基 层 底 基 层 图 5 所 示 可 以 看 出 袁 三 种 界 面 条 件 下 袁 O 尧 O 2 点 拉 应 力 最 大 袁 因 此 单 独 分 析 该 两 点 拉 应 力 状 态 袁 分 别 如 图 4 和 图 4 O 点 位 置 下 混 合 式 基 层 各 结 构 层 层 底 拉 应 力 图 窑 13窑

14 图 5 O 2 点 位 置 下 混 合 式 基 层 各 结 构 层 层 底 拉 应 力 图 5 结 语 淤 在 沥 青 路 面 各 结 构 层 层 间 接 触 为 完 全 连 续 的 条 件 下 袁 除 了 在 双 轮 荷 载 中 心 出 现 拉 应 力 之 外 袁 沥 青 层 内 部 不 会 出 现 拉 应 力 袁 也 就 是 说 沥 青 层 层 底 不 会 发 生 弯 拉 疲 劳 破 坏 遥 各 点 沿 路 面 深 度 方 向 的 应 力 从 压 应 力 逐 渐 过 渡 到 拉 应 力 袁 路 面 内 部 拉 应 力 最 大 值 出 现 在 半 刚 性 基 层 底 部 遥 于 比 较 层 间 处 于 完 全 连 续 尧 部 分 连 续 和 完 全 光 滑 这 三 种 状 态 袁 发 现 当 沥 青 层 与 半 刚 性 基 层 之 间 的 接 触 条 件 由 完 全 连 续 向 部 分 连 续 转 变 袁 进 而 向 完 全 光 滑 转 变 时 袁 沥 青 层 层 底 和 半 刚 性 基 层 层 底 的 拉 应 力 逐 渐 增 大 遥 这 说 明 在 工 程 实 践 中 采 取 增 强 沥 青 层 和 半 刚 性 基 层 层 间 结 合 能 力 的 措 施 是 非 常 有 必 要 的 袁 因 为 这 样 做 可 以 减 小 路 面 内 部 的 拉 应 力 袁 提 高 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 抗 疲 劳 开 裂 能 力 遥 盂 建 议 在 进 行 混 合 式 基 层 沥 青 路 面 厚 度 计 算 和 层 底 拉 应 力 验 算 时 袁 沥 青 层 与 半 刚 性 基 层 之 间 的 接 触 条 件 按 照 部 分 连 续 考 虑 袁 这 样 计 算 得 到 的 路 面 结 构 内 部 的 应 力 才 符 合 实 际 情 况 袁 所 设 计 的 沥 青 路 面 结 构 才 更 加 合 理 可 靠 遥 榆 无 论 是 哪 种 接 触 状 态 袁 在 沥 青 面 层 表 面 轮 隙 中 心 处 袁 都 是 出 现 较 大 的 拉 应 力 袁 因 此 路 面 在 此 处 容 易 产 生 自 上 而 下 的 纵 向 疲 劳 裂 缝 遥 参 考 文 献 [1] 沈 金 安, 李 福 普, 陈 景. 高 速 公 路 沥 青 路 面 早 期 损 坏 分 析 与 防 治 对 策 [M] 援 北 京 院 人 民 交 通 出 版 社,2004. [2] 孙 立 军 援 沥 青 路 面 结 构 行 为 理 论 [M] 援 北 京 院 人 民 交 通 出 版 社,2005. [3] 沙 庆 林 援 高 速 公 路 沥 青 路 面 早 期 破 坏 现 象 及 预 防 [M] 援 北 京 院 人 民 交 通 出 版 社 [4] 廖 晓 锋, 雷 茂 锦, 彭 明. 江 西 省 高 速 公 路 沥 青 混 凝 土 路 面 早 期 病 害 及 原 因 分 析 [J]. 公 路,2009 渊 10 冤 : [5] 翁 建 玲. 沥 青 混 凝 土 路 面 早 期 病 害 成 因 分 析 及 处 治 方 法 [J]. 交 通 标 准 化.2010(17). [6] 崔 鹏 袁 孙 立 军 袁 胡 晓. 高 等 级 公 路 长 寿 命 路 面 研 究 综 述 [J]. 公 路 交 通 科 技,2006,23(10): [7] JTG D , 公 路 沥 青 路 面 设 计 规 范 [S]. 窑 14窑

15 九 江 长 江 公 路 大 桥 主 桥 设 计 方 案 比 选 吴 宝 诗 袁 魏 建 华 渊 江 西 省 交 通 设 计 院 袁 江 西 南 昌 冤 摘 要 院 文 章 阐 述 了 九 江 长 江 公 路 大 桥 主 桥 的 方 案 构 思 和 设 计 比 选 过 程 遥 针 对 长 江 主 航 道 通 航 净 空 要 求 袁 设 计 在 对 不 同 桥 位 尧 桥 型 结 构 主 桥 初 步 比 选 后 袁 选 择 以 斜 拉 桥 跨 越 为 主 袁 对 不 同 跨 径 布 置 尧 主 梁 断 面 和 主 塔 形 式 等 进 行 了 充 分 的 比 选 袁 最 后 确 定 大 桥 主 桥 为 主 跨 818m 的 六 跨 不 对 称 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 遥 关 键 词 院 桥 梁 工 程 曰 九 江 长 江 公 路 大 桥 曰 主 桥 设 计 曰 方 案 比 选 0 前 言 九 江 长 江 公 路 大 桥 渊 亦 称 九 江 新 长 江 大 桥 袁 九 江 二 桥 冤 是 国 家 高 速 公 路 网 福 银 高 速 跨 长 江 的 关 键 工 程 遥 大 桥 连 接 江 西 省 九 江 市 与 湖 北 省 黄 梅 县 袁 于 九 江 长 江 公 铁 两 用 桥 上 游 10.8Km 处 跨 越 长 江 遥 项 目 路 线 全 长 25.2Km 袁 其 中 江 西 岸 ( 南 ) 引 道 8.5Km 和 跨 长 江 公 路 大 桥 桥 长 8462m 袁 由 江 西 省 投 资 建 设 尧 营 运 和 管 理 曰 湖 北 岸 ( 北 ) 引 道 8.2Km 袁 由 湖 北 省 投 资 建 设 尧 营 运 尧 管 理 曰 项 目 批 准 概 算 江 西 省 投 资 部 分 37.6 亿 元 袁 湖 北 省 投 资 部 分 7.2 亿 元 袁 全 线 概 算 总 金 额 44.8 亿 元 遥 九 江 是 我 国 南 北 交 通 的 重 要 枢 纽 之 一 袁 目 前 过 江 主 要 通 道 为 九 江 长 江 公 铁 两 用 桥, 大 桥 主 桥 桥 面 行 车 道 宽 仅 11m 袁 两 端 接 线 街 道 化 严 重 袁 交 通 量 已 趋 超 饱 和 状 态 袁 交 通 拥 挤 严 重 遥 本 项 目 2009 年 10 月 开 工 建 设 袁 预 计 2013 年 10 月 建 成 通 车 遥 建 成 后 袁 对 于 缓 解 过 江 交 通 压 力 尧 完 善 国 家 和 赣 鄂 两 省 高 速 公 路 网 尧 加 强 长 江 两 岸 经 济 社 会 联 系 尧 加 快 沿 江 经 济 带 开 发 建 设 等 都 具 有 非 常 重 要 的 意 义 遥 图 1 九 江 长 江 公 路 大 桥 主 桥 1 工 程 概 况 作 者 简 介 院 吴 宝 诗 渊 1949 要 冤 袁 男 袁 安 徽 怀 宁 人 袁 教 授 级 高 工 袁 国 家 注 册 岩 土 工 程 师 尧 注 册 咨 询 工 程 师 袁 中 国 公 路 学 会 百 名 优 秀 工 程 师 袁 现 为 江 西 省 交 通 设 计 院 调 研 员 遥 九 江 长 江 公 路 大 桥 设 计 项 目 总 负 责 人 遥 窑 15窑

16 江西省公路学会 2012 年度优秀论文集 大桥设计技术标准院 大桥按双向六车道标准建设曰 斜拉桥主桥宽 38.9m 渊含风嘴冤曰 副孔尧 引桥尧 南北引道桥梁宽度 33.5m遥 设计车速 100Km/h曰设计荷载等级为公路要玉级曰设计洪水频率 1/300曰 地震基本烈度为 VI 度袁 采取喻度设防曰桥位设计基本风速 30.1m/s遥 通航净空采用主通航孔单孔双向航道 1-600m伊24m袁副通航孔单孔单向航道 1-200m伊24m袁备用 小轮通道单孔单向航道 1-100m伊18m遥 船舶撞击力采用最新标准袁主桥墩顺水流方向 33400KN袁横水流方向 16700KN遥 2 桥位选择 九江长江公路大桥路线走向基本上由南向北跨越长江九江河段袁 现有九江长江公铁两用桥位于 九江市区东北边袁根据长江九江段河势图袁该桥下游没有合适的可选桥位袁设计桥址只能在九江老桥 上游的长江水道选择遥 图 2 桥位处长江河道 结合桥位地形尧地貌袁水文尧地质等情况拟定了 3 个比选桥位袁分别位于公铁两用桥上游 10.8 Km 渊玉桥位冤尧15.2 Km渊域桥位冤和 7.5 Km渊芋桥位冤遥 见图 2遥 5 图3 桥位位置图 窑16窑

17 玉 桥 位 位 于 九 江 长 江 弯 道 上 游 顺 直 段 袁 江 堤 之 间 距 离 约 2.6 Km 袁 两 岸 堤 防 工 程 和 岸 线 稳 定 袁 北 岸 漫 滩 宽 缓 袁 南 岸 河 岸 较 陡 曰 受 汇 流 影 响 袁 河 道 内 深 槽 位 置 局 部 摆 动 袁 但 基 本 固 定 偏 九 江 南 岸 一 侧 曰 域 桥 位 位 于 长 江 人 民 洲 尾 部 袁 江 堤 之 间 距 离 约 2.2 Km 袁 右 汊 多 年 来 断 面 形 态 尧 滩 槽 位 置 稳 定 袁 而 左 汊 冲 淤 变 幅 较 大 袁 对 桥 梁 通 航 桥 孔 设 置 有 一 定 的 影 响 曰 芋 桥 位 位 于 长 江 九 江 弯 道 弯 顶 袁 江 堤 之 间 距 离 约 2.2 Km 袁 岸 线 稳 定 袁 河 床 冲 淤 变 化 幅 度 较 大 袁 航 道 易 摆 动 遥 三 个 桥 位 南 岸 均 处 于 九 江 城 区 港 区 和 城 西 港 区 范 围 袁 桥 位 处 存 在 多 处 码 头 尧 锚 地 设 施 袁 作 业 船 舶 较 多 袁 通 航 环 境 复 杂 遥 九 江 长 江 公 铁 两 用 桥 地 质 基 岩 为 较 均 匀 红 色 泥 质 粉 砂 岩 袁 条 件 较 好 袁 设 计 选 择 的 三 个 桥 位 离 老 桥 越 远 袁 地 质 条 件 越 复 杂 遥 玉 桥 位 地 质 基 岩 在 河 床 内 南 北 侧 为 砾 岩 尧 灰 岩 袁 中 段 为 泥 质 粉 砂 岩 袁 桥 址 区 无 活 动 性 断 裂 通 过 袁 场 地 相 对 稳 定 曰 域 桥 位 地 质 基 岩 主 要 为 砾 岩 尧 灰 岩, 岩 溶 尧 断 裂 较 发 育 曰 芋 桥 位 地 质 基 岩 以 泥 质 粉 砂 岩 为 主 袁 地 质 条 件 较 好 遥 玉 桥 位 符 合 九 江 市 城 市 规 划 和 高 速 公 路 路 线 走 向 袁 环 保 影 响 小 曰 域 桥 位 南 岸 路 线 穿 越 九 江 赛 城 湖 候 鸟 保 护 区 和 铜 矿 区 袁 环 保 影 响 大 袁 同 时 绕 行 里 程 长 袁 与 路 网 协 调 较 差 袁 芋 桥 位 从 九 江 市 现 有 建 成 区 边 缘 穿 过 袁 跨 七 里 湖 东 侧 水 面 袁 对 九 江 市 环 境 影 响 较 大 遥 针 对 长 江 过 江 通 道 的 要 求 袁 每 个 桥 位 都 拟 定 了 跨 江 大 桥 和 过 江 隧 道 两 种 方 案 进 行 比 较 袁 受 地 形 尧 地 貌 尧 地 质 和 水 文 条 件 限 制 袁 隧 道 洞 口 位 置 选 择 和 与 两 岸 高 速 公 路 衔 接 困 难 袁 隧 道 方 案 造 价 高 遥 经 综 合 比 较 袁 设 计 最 后 选 择 了 玉 桥 位 袁 并 采 用 桥 梁 方 案 遥 见 图 3 遥 3 桥 型 方 案 比 选 3.1 方 案 构 思 原 则 淤 九 江 长 江 公 路 大 桥 是 江 西 为 主 建 设 的 第 一 座 长 江 大 桥 袁 是 江 西 的 北 大 门 袁 由 于 地 理 位 置 的 限 制 袁 江 西 可 以 建 设 长 江 大 桥 的 机 会 有 限 曰 桥 梁 建 设 必 须 从 江 西 实 际 出 发 袁 力 求 造 型 美 观 新 颖 尧 技 术 先 进 袁 具 有 时 代 气 息 和 国 际 先 进 水 平 袁 建 成 野 安 全 可 靠 尧 适 用 耐 久 尧 经 济 合 理 尧 舒 适 环 保 冶 的 优 质 精 品 工 程 曰 做 到 公 众 满 意 袁 历 史 满 意 曰 于 长 江 是 我 国 的 第 一 大 河 袁 又 是 航 运 的 黄 金 水 道 袁 是 不 可 再 生 的 珍 贵 资 源 遥 工 程 总 体 方 案 应 在 满 足 公 路 交 通 功 能 要 求 的 同 时 袁 充 分 考 虑 水 流 尧 河 势 演 变 尧 长 江 航 道 整 治 的 影 响 袁 满 足 长 江 航 运 尧 水 利 尧 防 洪 等 方 面 的 要 求 袁 保 护 长 江 资 源 曰 盂 九 江 是 京 九 铁 路 经 济 带 和 长 江 经 济 带 的 交 汇 点 袁 不 仅 有 世 界 意 义 的 旅 游 资 源 庐 山 和 鄱 阳 湖 袁 同 时 也 是 长 江 沿 岸 四 大 港 口 城 市 之 一 曰 桥 位 区 域 规 划 建 设 大 型 沿 江 港 区 袁 桥 梁 建 设 一 定 要 从 各 方 面 维 护 九 江 市 的 发 展 环 境 袁 促 进 九 江 市 新 型 工 业 重 镇 尧 文 化 旅 游 胜 地 尧 区 域 商 贸 中 心 尧 开 放 港 口 城 市 和 地 区 经 济 中 心 城 市 的 建 设 曰 榆 桥 位 处 江 面 宽 阔 袁 水 深 流 急 袁 水 文 尧 地 质 条 件 复 杂 袁 桥 梁 工 程 规 模 大 袁 桥 型 方 案 应 根 据 水 文 尧 地 质 尧 航 运 条 件 袁 合 理 选 择 桥 位 尧 桥 型 袁 合 理 布 置 通 航 孔 径 和 桥 墩 位 置 袁 尽 可 能 地 覆 盖 水 深 条 件 较 好 的 通 航 水 域 袁 减 少 深 水 基 础 和 船 舶 对 桥 墩 的 撞 击 袁 降 低 工 程 难 度 曰 坚 持 技 术 创 新 和 引 进 国 内 外 最 新 技 术 袁 精 细 设 计 袁 努 力 降 低 工 程 建 设 成 本 遥 3.2 大 桥 方 案 背 景 窑 17窑

18 根 据 桥 位 区 的 地 形 尧 地 质 尧 河 势 尧 水 文 尧 通 航 尧 防 洪 等 方 面 要 求 以 及 上 述 构 思 原 则 袁 工 可 阶 段 进 行 了 多 方 案 比 较 院 淤 主 跨 768m 双 塔 双 索 面 钢 箱 梁 斜 拉 桥 曰 桥 跨 布 置 为 垣 768 垣 m 袁 总 长 1388m 袁 边 中 跨 比 曰 漂 浮 体 系 袁 空 间 双 索 面 密 索 布 置 曰 桥 塔 采 用 上 塔 柱 平 行 分 离 的 倒 Y 形 结 构 曰 于 主 跨 450m 的 三 塔 单 索 面 双 排 索 混 凝 土 斜 拉 桥 曰 桥 跨 布 置 为 伊 m 袁 总 长 1298m 袁 边 中 跨 比 曰 桥 跨 布 置 二 个 单 向 通 航 孔 覆 盖 深 水 通 航 区 域 曰 斜 拉 桥 主 塔 为 变 截 面 独 柱 形 袁 中 塔 采 用 塔 梁 墩 固 结 体 系 袁 边 塔 塔 梁 固 结 袁 塔 墩 分 离 体 系 曰 主 梁 采 用 变 截 面 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 曰 盂 主 跨 1420m 单 跨 钢 箱 梁 悬 索 桥 曰 主 桥 南 墩 设 在 永 安 大 堤 后 100m 袁 采 用 主 跨 1420m 的 悬 索 桥 跨 越 长 江 深 水 区 及 永 安 大 堤 袁 主 通 航 孔 为 一 个 双 向 通 航 孔 和 一 个 单 向 通 航 孔 曰 中 跨 主 梁 采 用 钢 箱 梁 袁 南 北 边 跨 为 9 伊 50m 混 凝 土 连 续 箱 梁 袁 主 塔 采 用 门 形 框 架 预 应 力 凝 土 索 塔 袁 南 锚 基 础 采 用 地 下 连 续 墙 和 桩 基 础 相 结 合 袁 北 锚 基 础 采 用 连 续 墙 和 沉 井 相 结 合 曰 锚 身 为 框 架 式 重 力 锚 曰 榆 主 跨 360m 四 塔 混 合 梁 矮 塔 斜 拉 桥 曰 主 桥 方 案 布 孔 时 按 单 孔 单 向 通 航 考 虑 袁 桥 跨 布 置 为 伊 m 袁 总 长 1380m 曰 斜 拉 桥 塔 梁 固 结 袁 主 梁 跨 中 采 用 102m 等 截 面 钢 箱 梁 袁 其 余 部 分 为 变 截 面 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 曰 主 塔 为 变 截 面 独 柱 袁 顶 部 设 鞍 座 锚 固 斜 拉 索 曰 虞 主 跨 666m 双 塔 双 索 面 钢 箱 梁 斜 拉 桥 曰 愚 主 跨 536m 双 塔 四 索 面 PC 梁 斜 拉 桥 曰 舆 主 跨 300m 变 截 面 预 应 力 混 凝 土 连 续 刚 构 曰 余 主 跨 980m 单 跨 钢 箱 梁 悬 索 桥 曰 俞 主 跨 696m 双 塔 双 索 面 钢 箱 梁 斜 拉 桥 曰 逾 主 跨 1180m 单 跨 钢 箱 梁 悬 索 桥 遥 根 据 历 年 航 迹 线 图 和 河 床 水 位 尧 河 床 变 迁 尧 通 航 净 空 等 专 题 研 究, 工 可 完 成 后 确 定 的 通 航 批 复 要 求 院 主 通 航 孔 采 用 单 孔 双 向 通 航 袁 净 宽 亿 600m 袁 同 时 设 置 亿 200m 和 100m 的 副 通 航 孔 袁 桥 位 处 通 航 区 域 为 靠 九 江 岸 1000m 耀 1200m 范 围 遥 按 照 通 航 要 求 袁 考 虑 桥 位 处 的 汇 流 影 响 袁 航 道 和 深 槽 的 局 部 摆 动 袁 主 跨 700m 以 下 的 桥 梁 方 案 均 不 能 较 好 满 足 通 航 要 求 曰 由 于 桥 位 处 江 面 宽 达 2200m 以 上 袁 河 床 不 对 称 袁 深 槽 区 全 部 位 于 九 江 南 岸 袁 悬 索 桥 北 侧 锚 碇 需 设 置 于 长 江 内 漫 滩 上 袁 技 术 处 理 困 难 袁 全 桥 综 合 造 价 较 高 袁 经 济 性 差 曰 主 跨 768m 双 塔 斜 拉 桥 方 案 袁 能 较 好 适 应 通 航 要 求 袁 造 价 适 中 袁 为 初 步 推 荐 方 案 遥 3.3 主 桥 方 案 比 选 根 据 工 可 批 复 袁 初 步 设 计 中 主 要 对 不 同 跨 径 的 斜 拉 桥 方 案 进 行 技 术 经 济 比 选 袁 具 体 如 下 院 方 案 一 院 主 跨 768m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 一 对 工 可 推 荐 的 主 跨 768m 斜 拉 桥 方 案 进 行 了 必 要 的 补 充 和 完 善 曰 南 尧 北 主 塔 分 别 位 于 九 江 岸 永 安 大 堤 以 北 142m 和 910m 的 深 水 航 道 位 置 不 动 袁 将 南 边 跨 在 旱 地 上 的 区 域 采 用 混 凝 土 梁 袁 以 缩 短 南 边 跨 长 度 袁 节 约 造 价 曰 加 大 北 边 跨 跨 径 袁 以 满 足 边 通 航 副 孔 200m+100m 的 净 宽 要 求 遥 主 桥 斜 拉 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1346m 曰 南 边 中 跨 比 袁 北 边 中 跨 比 为 遥 见 图 4 遥 窑 18窑

19 方 案 一 总 体 上 满 足 长 江 水 文 尧 防 洪 和 通 航 的 要 求 袁 施 工 技 术 成 熟 袁 技 术 难 度 较 小 曰 北 塔 墩 基 岩 为 泥 质 粉 砂 岩 袁 夹 薄 层 细 砂 岩 及 砾 岩 透 镜 体 袁 岩 面 较 平 袁 岩 质 较 软 袁 岩 层 厚 袁 墩 位 北 侧 有 宽 约 50m 的 泥 质 粉 砂 岩 和 砾 岩 间 的 断 裂 破 碎 带 袁 再 往 北 为 岩 溶 较 发 育 的 灰 岩 区 域 遥 图 4 主 跨 768m 双 塔 混 合 梁 斜 拉 桥 南 塔 墩 位 于 永 安 大 堤 堤 脚 处 袁 地 质 基 岩 主 要 为 灰 岩 袁 勘 探 中 不 同 程 度 发 现 溶 洞 袁 墩 位 北 侧 有 30m 耀 50m 宽 大 U 型 溶 蚀 深 沟 曰 南 塔 墩 位 于 深 水 处 袁 常 水 位 时 水 深 26.5m 袁 桥 轴 线 两 侧 均 为 九 江 城 西 港 区 码 头 袁 对 航 运 和 港 区 作 业 有 一 定 影 响 曰 塔 墩 局 部 冲 刷 深 度 15m 耀 16m 袁 冲 刷 半 径 跃 40m 袁 对 永 安 大 堤 堤 脚 稳 定 有 较 大 威 胁 曰 位 置 有 待 进 一 步 优 化 遥 方 案 二 院 主 跨 658m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 一 南 塔 墩 北 侧 有 宽 大 U 型 灰 岩 溶 槽 袁 北 移 至 少 应 在 100m 以 上 曰 北 塔 墩 受 北 侧 断 层 尧 断 裂 破 碎 带 和 岩 溶 较 发 育 灰 岩 影 响 袁 不 宜 再 向 北 移 动 遥 方 案 二 在 方 案 一 北 塔 墩 位 置 不 动 的 前 提 下 袁 南 塔 墩 向 北 移 动 110m 袁 主 桥 斜 拉 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1275m 遥 方 案 二 主 通 航 孔 范 围 局 限 袁 总 体 上 不 满 足 大 跨 径 主 桥 覆 盖 通 航 区 域 范 围 的 要 求 袁 不 能 适 应 航 道 深 槽 的 摆 动 曰 根 据 历 年 航 迹 图 袁 大 部 分 船 只 主 要 在 南 塔 墩 附 近 行 航 袁 船 舶 撞 击 风 险 大 袁 对 航 运 不 利 袁 海 事 部 门 不 予 认 可 曰 为 满 足 边 孔 通 航 要 求 袁 边 中 跨 比 也 不 尽 合 理 曰 方 案 仍 需 进 一 步 优 化 遥 方 案 三 院 主 跨 868m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 三 院 在 方 案 一 北 塔 位 置 不 动 的 前 提 下 袁 南 塔 墩 向 南 移 过 永 安 大 堤 坡 面 渊 见 图 5 冤 袁 主 桥 斜 拉 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1475m 袁 南 边 中 跨 比 袁 北 边 中 跨 比 为 遥 南 塔 墩 置 于 永 安 大 堤 迎 水 面 二 坡 道 上 的 滩 地 平 台 区 袁 地 势 平 坦 袁 位 于 长 江 常 水 位 以 上 袁 施 工 时 可 以 旱 地 作 业 曰 基 岩 主 要 为 砾 岩 袁 局 部 浅 层 溶 洞 袁 地 质 条 件 优 于 方 案 一 南 塔 墩 基 础 遥 南 主 塔 位 置 南 移 后 袁 避 开 了 地 质 不 良 区 域 袁 为 九 江 航 道 和 九 江 岸 深 水 港 区 创 造 了 良 好 的 通 航 环 境 袁 避 免 了 船 只 与 南 塔 墩 的 撞 击 袁 减 少 了 大 型 深 水 基 础 袁 虽 跨 径 较 大 袁 但 南 塔 墩 施 工 方 便 尧 安 全 袁 全 桥 总 体 上 经 济 性 较 好 遥 经 相 关 部 门 的 专 题 分 析 和 论 证 袁 南 塔 墩 移 至 永 安 大 堤 迎 水 面 二 坡 平 台 上 后 袁 一 定 程 度 上 减 少 了 建 桥 对 行 洪 条 件 的 影 响 和 对 永 安 大 堤 的 危 害 袁 对 防 洪 和 水 利 有 利 袁 主 塔 基 础 施 工 后 袁 永 安 大 堤 边 坡 形 状 未 发 生 变 化 袁 仅 在 堤 内 外 增 加 桥 桩 袁 由 于 钻 孔 灌 注 桩 有 抗 滑 作 用 袁 对 大 堤 边 坡 稳 定 有 利 曰 但 南 塔 墩 基 础 施 工 时 对 永 安 大 堤 也 有 一 定 影 响 遥 窑 19窑

20 100m 图 5 南 主 塔 位 置 移 动 方 案 三 主 跨 达 868m 袁 通 航 净 高 要 求 仅 24m 袁 常 水 位 下 桥 高 不 足 40m 袁 桥 梁 整 体 不 够 协 调 曰 同 时 北 主 塔 基 础 距 离 地 质 构 造 破 碎 带 较 近 袁 仍 需 进 一 步 优 化 遥 方 案 四 院 主 跨 818m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 四 在 方 案 三 南 塔 位 置 不 动 的 前 提 下 袁 北 塔 位 置 向 南 移 动 50m 形 成 袁 主 桥 斜 拉 桥 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1405m 曰 南 边 中 跨 比 袁 北 边 中 跨 比 为 遥 见 图 6 遥 方 案 一 和 方 案 三 均 能 较 好 的 覆 盖 通 航 范 围 袁 其 北 塔 位 置 是 根 据 历 年 航 迹 线 选 定 袁 不 宜 做 太 大 变 动 袁 方 案 四 在 方 案 三 的 基 础 上 北 塔 位 置 往 南 移 50m 后 袁 对 通 航 影 响 不 大 曰 但 北 塔 基 础 远 离 了 构 造 破 碎 带 袁 基 础 地 质 条 件 更 好 曰 主 跨 减 少 50m 袁 总 体 布 置 更 加 协 调 袁 造 价 也 略 有 减 低 遥 由 于 南 塔 墩 施 工 对 永 安 大 堤 的 影 响 袁 南 塔 墩 位 置 仍 存 在 较 大 争 议 遥 图 6 主 跨 818m 双 塔 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 五 院 主 跨 898m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 五 在 方 案 四 斜 拉 桥 北 塔 位 置 不 动 的 前 提 下 袁 考 虑 南 塔 墩 继 续 南 移 80m 至 永 安 大 堤 背 水 坡 脚 袁 主 桥 斜 拉 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1585m 曰 以 期 避 开 对 永 安 大 堤 的 影 窑 20窑

21 响 遥 经 咨 询 水 利 部 门 袁 方 案 五 南 塔 墩 位 置 是 永 安 大 堤 的 压 浸 台 袁 施 工 期 间 极 可 能 形 成 管 涌 袁 比 南 塔 墩 放 置 大 堤 迎 水 面 二 坡 平 台 处 更 加 不 利 袁 如 果 要 彻 底 脱 离 对 永 安 大 堤 的 影 响 袁 南 塔 基 础 仍 需 再 往 南 移 动 50m 以 上 遥 见 图 7 遥 图 7 主 跨 898m 和 主 跨 950m 双 塔 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 六 院 主 跨 950m 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 方 案 六 在 方 案 五 北 塔 位 置 不 动 的 前 提 下 袁 南 塔 墩 继 续 南 移 52m 避 开 对 永 安 大 堤 的 影 响 袁 主 桥 斜 拉 桥 跨 径 布 置 为 m 袁 长 1645m 遥 方 案 在 地 质 尧 水 利 尧 通 航 尧 防 洪 等 方 面 均 较 好 曰 但 跨 径 太 大 袁 桥 梁 较 矮 袁 整 体 景 观 效 果 很 不 协 调 曰 有 近 500m 长 斜 拉 桥 在 南 岸 上 袁 经 济 性 较 差 遥 不 同 跨 径 斜 拉 桥 方 案 造 价 比 较, 见 表 1 院 表 1 桥 型 方 案 比 较 表 方 案 比 较 主 跨 768m 方 案 主 跨 658m 方 案 主 跨 868m 方 案 主 跨 818m 方 案 主 跨 898m 方 案 主 跨 950m 方 案 比 较 结 果 主 桥 建 安 费 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 全 桥 建 安 费 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 亿 元 658 较 低 尧 818 适 中 注 院 比 较 表 中 建 安 费 系 2007 年 按 5.5Km 桥 长 计 遥 4 主 桥 结 构 设 计 经 综 合 比 较 袁 主 桥 最 终 采 用 主 跨 818m 六 跨 不 对 称 双 塔 双 索 面 混 合 梁 斜 拉 桥 曰 南 边 跨 3 跨 袁 基 本 上 在 岸 上 袁 总 跨 度 为 229m 袁 南 边 中 跨 比 为 曰 北 边 跨 2 跨 袁 总 跨 度 为 358m 袁 北 边 中 跨 比 为 遥 窑 21窑

22 南 边 跨 和 主 跨 南 主 塔 附 近 32.5m 为 混 凝 土 箱 梁 袁 主 跨 大 部 分 与 北 边 跨 为 钢 箱 梁 遥 斜 拉 桥 为 密 索 半 漂 浮 结 构 体 系 袁 平 行 钢 丝 斜 拉 索 曰 辅 助 墩 和 过 渡 墩 上 采 用 纵 向 滑 动 支 座 袁 并 限 制 横 向 相 对 运 动 曰 在 索 塔 横 梁 与 主 梁 间 设 置 竖 向 承 压 的 双 向 活 动 支 座 和 纵 向 冲 击 荷 载 阻 尼 约 束 装 置 袁 索 塔 与 主 梁 侧 设 置 横 向 抗 风 支 座 遥 主 桥 路 线 设 计 平 面 线 型 为 直 线 袁 桥 面 横 坡 为 双 向 2 豫 袁 无 超 高 曰 纵 坡 采 用 人 字 坡 袁 上 坡 为 2.2 豫 袁 下 坡 为 -1.6 豫 袁 竖 曲 线 半 径 R 越 29000m 遥 4.1 主 桥 钢 箱 梁 钢 箱 梁 采 用 扁 平 型 闭 合 箱 形 截 面 袁 整 体 性 好 袁 抗 风 尧 抗 扭 和 抗 弯 性 能 好 曰 施 工 吊 装 节 段 轻 曰 防 腐 涂 装 方 便 袁 检 修 维 护 工 作 量 少 尧 费 用 较 低 遥 主 桥 钢 箱 梁 断 面, 见 图 8 遥 图 8 主 桥 钢 箱 梁 断 面 钢 箱 梁 全 宽 38.9m 袁 中 心 线 处 高 3.6m 曰 梁 内 设 置 两 道 纵 隔 板 袁 位 于 行 车 道 中 间 位 置 遥 全 部 钢 箱 梁 分 为 15 种 梁 段 类 型,81 个 梁 段 袁 采 用 工 场 预 制 袁 浮 吊 和 桥 面 吊 机 起 吊 安 装 袁 梁 段 最 大 起 吊 重 量 约 490t 曰 钢 箱 梁 板 材 以 Q345qD 尧 Q370qd 为 主 袁 局 部 采 用 Q420qd 遥 设 计 加 强 了 钢 箱 梁 顶 板 和 加 劲 肋 袁 顶 板 板 厚 16mm 耀 22mm 袁 U 型 加 劲 肋 厚 8mm 耀 10mm 袁 以 提 高 桥 面 板 刚 度 和 抗 疲 劳 性 能 遥 主 桥 结 构 计 算 和 主 梁 抗 风 试 验 研 究 表 明 袁 钢 箱 梁 在 成 桥 状 态 和 施 工 阶 段 均 有 较 好 的 受 力 性 能 袁 最 大 拉 尧 压 应 力 均 在 150MPa 以 内 曰 主 桥 主 跨 最 大 绕 度 值 为 +0.43m 和 m 曰 不 同 风 攻 角 下 的 颤 振 失 稳 临 界 风 速 在 88.8m/s 耀 m/s 之 间 袁 高 于 颤 振 失 稳 检 验 风 速 53.7 m/s 曰 各 风 攻 角 下 不 出 现 涡 振 曰 满 足 设 计 规 范 要 求 袁 钢 箱 梁 有 较 好 的 抗 弯 尧 抗 风 和 稳 定 性 能 遥 4.2 主 桥 混 凝 土 箱 梁 为 提 高 混 凝 土 箱 梁 的 综 合 性 能 袁 有 利 于 斜 拉 桥 主 梁 应 力 的 传 递 袁 混 凝 土 箱 梁 采 用 和 钢 箱 梁 一 致 的 整 体 式 闭 合 箱 形 截 面 袁 见 图 9 曰 标 准 断 面 全 宽 38.9m 袁 中 心 线 处 高 3.6m 遥 设 计 对 混 凝 土 主 梁 采 用 单 箱 五 室 截 面 尧 单 箱 七 室 截 面 尧 单 箱 四 室 截 面 尧 单 箱 五 室 截 面 转 分 离 式 双 箱 渊 各 两 室 冤 截 面 等 方 案 进 行 了 充 分 的 比 选 袁 最 终 采 用 顶 底 板 带 有 小 次 梁 的 整 体 式 单 箱 三 室 结 构 遥 混 凝 土 箱 梁 顶 板 厚 30cm 袁 底 板 厚 28cm 曰 梁 内 与 钢 箱 梁 对 应 设 两 道 标 准 厚 度 50cm 的 纵 隔 板 曰 每 隔 7.5m 和 斜 拉 索 距 对 应 设 置 一 道 40cm 厚 横 隔 板 曰 为 满 足 箱 梁 第 二 体 系 受 力 性 能 和 控 制 超 宽 混 凝 土 箱 梁 施 工 裂 缝 袁 箱 梁 内 顶 板 设 置 高 130cm 袁 宽 30cm 的 四 片 次 梁 曰 底 板 设 置 高 80cm 袁 宽 30cm 的 四 片 次 梁 遥 窑 22窑

23 图 9 主 桥 单 箱 三 室 带 小 次 梁 混 凝 土 箱 梁 断 面 混 凝 土 箱 梁 采 用 C55 高 性 能 混 凝 土 袁 纵 向 分 节 段 袁 横 向 全 断 面 一 次 性 浇 筑 曰 箱 梁 顶 底 板 和 纵 尧 横 隔 板 设 置 纵 横 向 预 应 力 袁 纵 向 预 应 力 分 钢 绞 线 和 精 轧 螺 纹 钢 两 类 并 分 期 张 拉 遥 混 凝 土 箱 梁 在 成 桥 状 态 和 施 工 阶 段 均 有 较 好 的 受 力 性 能 袁 混 凝 土 箱 梁 全 截 面 受 压 袁 最 大 压 应 力 14.83MPa 袁 不 出 现 拉 应 力 曰 支 座 不 出 现 负 反 力 袁 满 足 设 计 规 范 要 求 遥 4.3 主 塔 设 计 设 计 过 程 中 袁 对 主 塔 的 造 型 进 行 了 多 方 案 比 选 袁 考 虑 了 H 形 袁 倒 Y 形 袁 宝 瓶 形 和 A 形 等 结 构 袁 对 各 种 形 式 结 构 的 主 塔 袁 还 进 行 了 不 同 结 构 比 例 尺 寸 的 优 化 比 较 袁 见 图 10 遥 图 10 斜 拉 桥 主 塔 方 案 比 较 H 形 混 凝 土 塔 塔 身 外 形 挺 拔 袁 稳 定 感 强 袁 造 型 美 观 袁 结 构 受 力 明 确 袁 稳 定 性 较 好 袁 有 利 于 爬 模 施 工 袁 但 基 础 尺 寸 较 大 曰 倒 Y 形 混 凝 土 塔 经 济 性 较 好 袁 造 型 美 观 袁 基 础 尺 寸 较 小 袁 但 缺 点 是 上 塔 柱 斜 度 较 大 袁 施 工 较 困 难 曰 宝 瓶 形 钢 混 凝 土 组 合 塔 造 型 美 观 袁 施 工 工 期 短 袁 但 缺 点 是 造 价 高 袁 设 计 周 期 较 长 曰 A 形 混 凝 土 塔 结 构 横 向 受 力 性 能 及 稳 定 性 好 袁 造 型 美 观 袁 经 济 性 较 好 袁 但 缺 点 是 基 础 尺 寸 较 大 袁 塔 柱 施 工 难 度 较 大 袁 塔 柱 交 叉 部 位 受 力 复 杂 遥 设 计 最 终 采 用 楼 梯 结 构 H 形 混 凝 土 主 塔 袁 由 两 根 稍 向 内 倾 斜 的 塔 柱 和 三 根 横 梁 组 成 曰 塔 身 比 例 协 调 袁 总 体 造 型 美 观 袁 在 国 内 已 建 斜 拉 桥 中 属 首 次 遥 南 主 塔 从 承 台 顶 面 起 高 230.8m 袁 北 主 塔 从 承 台 顶 面 起 高 242.3m 袁 桥 面 以 上 主 塔 高 均 为 201.6m 袁 高 跨 比 为 遥 索 塔 横 桥 向 塔 柱 斜 率 为 1/6 耀 1/56 分 段 变 化 袁 塔 柱 宽 5.8 m 耀 12m 曰 顺 桥 向 索 塔 为 I 形 袁 塔 柱 宽 8.8 m 耀 13.6 m 袁 中 下 塔 柱 斜 率 约 为 1/60 遥 索 塔 塔 柱 除 连 接 段 及 起 始 段 为 实 心 外 袁 其 余 断 面 均 为 空 窑 23窑

24 心 曰 上 尧 中 塔 柱 和 横 梁 为 单 箱 单 室 袁 下 塔 柱 为 单 箱 双 室 截 面 曰 为 提 高 塔 柱 防 撞 能 力 袁 在 可 能 遭 遇 船 撞 的 下 塔 柱 下 端 空 心 段 采 用 素 砼 填 充 遥 4.4 主 塔 基 础 淤 南 主 塔 基 础 中 心 线 距 离 九 江 永 安 堤 中 心 线 42 m 袁 地 形 平 坦 袁 地 质 较 复 杂 袁 覆 盖 层 厚 度 50 m 耀 55m 曰 岩 面 起 伏 袁 基 岩 主 要 为 灰 质 角 砾 岩 尧 含 砾 泥 质 粉 砂 岩 曰 孔 深 约 55 m 耀 70 m 范 围 内 不 同 程 度 发 育 有 空 洞 袁 下 部 基 岩 岩 溶 不 发 育 遥 为 确 保 主 塔 基 础 和 永 安 大 堤 安 全 袁 经 方 案 比 较 袁 南 主 塔 基 础 采 用 28 根 直 径 2.8m 的 钻 孔 灌 注 桩 穿 越 溶 洞 袁 深 入 地 下 86m, 桩 底 嵌 入 完 整 微 风 化 基 岩 亿 6m 曰 承 台 为 左 右 分 离 的 两 个 带 圆 弧 切 角 的 方 形 承 台 袁 边 长 为 22.5 m 伊 22.5m 袁 承 台 高 度 8m 袁 每 个 承 台 下 布 置 14 根 大 直 径 桩 遥 设 计 对 南 塔 基 础 施 工 进 行 了 堤 防 边 坡 稳 定 分 析 袁 提 出 了 有 效 的 大 堤 防 渗 尧 边 坡 防 护 尧 基 坑 开 挖 和 大 堤 监 测 方 案 袁 确 保 了 南 主 塔 基 础 施 工 顺 利 和 永 安 大 堤 安 全 遥 于 北 主 塔 位 于 长 江 深 水 急 流 区 袁 河 床 高 程 原 7.4 m 耀 原 4.4 m 袁 常 水 位 水 深 20m 以 上 袁 袁 风 大 尧 浪 急 遥 基 岩 主 要 为 泥 质 粉 砂 岩 袁 岩 面 较 平 袁 岩 质 软 袁 桩 基 成 孔 容 易 曰 覆 盖 层 上 半 部 以 砂 类 土 为 主 袁 下 部 硬 粘 土 袁 不 利 沉 井 的 施 工 遥 北 主 塔 船 舶 撞 击 力 大 袁 索 塔 基 础 平 面 尺 寸 较 大 曰 经 各 方 面 综 合 比 较 袁 索 塔 基 础 采 用 43 根 直 径 2.5m 的 钻 孔 灌 注 桩 袁 哑 铃 形 承 台 袁 横 桥 向 总 宽 度 82m 袁 圆 形 部 分 直 径 30m 袁 系 梁 宽 度 14m 曰 为 提 高 承 台 刚 度 及 防 撞 能 力 袁 系 梁 与 承 台 高 度 均 为 8m 袁 底 标 高 为 +3m 袁 设 计 桩 长 从 承 台 底 面 起 为 88m 袁 施 工 采 用 钢 管 桩 钻 孔 平 台 施 工 钻 孔 桩 袁 双 壁 钢 套 箱 围 堰 施 工 大 型 水 中 承 台 遥 钢 套 箱 为 哑 铃 型 结 构 袁 高 为 17.5m 袁 总 重 1767t 遥 由 工 厂 整 体 预 制 拼 装, 浮 运 至 施 工 现 场 吊 装 就 位 后 浇 筑 封 底 混 凝 土 和 承 台 混 凝 土 遥 5 结 语 九 江 长 江 公 路 大 桥 斜 拉 桥 主 跨 818m 袁 是 江 西 为 主 建 设 的 第 一 座 跨 长 江 特 大 桥 袁 国 内 最 大 的 整 体 式 混 凝 土 箱 型 断 面 混 合 梁 斜 拉 桥 袁 也 是 第 一 座 在 长 江 大 堤 迎 水 坡 面 上 建 设 大 型 桥 梁 基 础 的 桥 梁 尧 国 内 首 次 采 用 大 型 楼 梯 结 构 H 形 混 凝 土 主 塔 斜 拉 桥 袁 大 桥 设 计 和 施 工 中 面 临 多 项 关 键 技 术 和 挑 战 遥 经 过 全 体 建 设 者 的 共 同 努 力 袁 截 至 2012 年 2 月 袁 斜 拉 桥 南 北 主 塔 已 经 基 本 完 成 曰 经 历 了 2010 年 和 2011 年 长 江 洪 水 季 节 考 验 袁 南 主 塔 基 础 和 永 安 大 堤 稳 固 曰 主 桥 钢 箱 梁 制 作 和 混 凝 土 箱 梁 浇 筑 质 量 良 好 袁 工 程 总 体 进 展 顺 利 遥 参 考 文 献 [1] 江 西 省 交 通 设 计 院, 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院. 福 银 高 速 公 路 九 江 长 江 公 路 大 桥 工 程 可 行 性 研 究 报 告 [R]. 南 昌 院 江 西 省 交 通 设 计 院, 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院.2007 年. [2] 江 西 省 交 通 设 计 院 袁 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院. 福 银 高 速 公 路 九 江 长 江 公 路 大 桥 初 步 设 计 文 件 [R]. 南 昌 院 江 西 省 交 通 设 计 院, 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院.2008 年. [3] 江 西 省 交 通 设 计 院 袁 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院. 福 银 高 速 公 路 九 江 长 江 公 路 大 桥 施 工 图 设 计 文 件 [R]. 南 昌 院 江 西 省 交 通 设 计 院, 湖 北 省 交 通 规 划 设 计 院.2009 年. 窑 24窑

25 附 加 荷 载 动 态 法 确 定 RC 桥 梁 校 验 系 数 值 研 究 章 渊 新 余 市 分 宜 交 通 运 输 局 公 路 站 袁 江 西 新 余 冤 乐 摘 要 院 文 章 以 动 态 评 价 法 为 主 要 手 段 袁 引 入 附 加 荷 载 作 用 下 RC 桥 梁 完 好 状 态 与 损 伤 状 态 基 频 比 值 平 方 的 概 念 袁 并 用 这 一 指 标 衡 量 RC 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 遥 利 用 ANSYS 软 件 对 桥 梁 结 构 进 行 仿 真 建 模 数 值 分 析 袁 提 出 用 动 态 数 据 推 导 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 的 计 算 模 型 遥 同 时 对 实 验 室 简 支 模 型 梁 进 行 动 静 荷 载 试 验 对 比 分 析 袁 实 测 结 果 验 证 了 计 算 模 型 的 有 效 性 尧 可 行 性 遥 关 键 词 院 桥 梁 工 程 曰 桥 梁 结 构 曰 附 加 荷 载 曰 动 静 力 学 分 析 曰 校 验 系 数 0 前 言 传 统 的 桥 梁 静 力 检 测 方 法 工 作 面 大 袁 加 载 时 间 长 袁 通 常 需 要 中 断 交 通 遥 随 着 RC 桥 梁 破 损 程 度 的 增 加 袁 其 振 动 频 率 将 逐 渐 降 低 袁 因 此 频 率 的 变 化 可 以 作 为 评 价 钢 筋 混 凝 土 梁 损 伤 程 度 的 指 标 遥 文 章 提 出 以 动 测 静 的 理 念 袁 采 用 仿 真 计 算 及 实 验 测 试 的 手 段 袁 分 析 桥 梁 动 静 荷 载 参 数 关 系 袁 建 立 用 振 动 频 率 推 导 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 的 计 算 模 型 袁 为 桥 梁 结 构 健 康 状 况 的 快 速 动 态 测 试 理 论 提 供 技 术 支 持 遥 1 简 支 梁 桥 计 算 理 论 模 型 1.1 挠 度 校 验 系 数 分 析 钢 筋 混 凝 土 梁 桥 挠 度 校 验 系 数 是 跨 中 挠 度 实 测 值 与 理 论 值 的 比 值 袁 袁 校 验 系 数 是 评 定 桥 梁 结 构 工 作 状 态 袁 确 定 桥 梁 承 载 力 的 重 要 指 标 遥 根 据 平 截 面 假 定 袁 均 质 纯 弯 完 好 梁 跨 中 挠 度 理 论 计 算 公 式 院 y si = Mi 渊 3l 24EI -4a 2 冤 si 渊 1 冤 根 据 平 截 面 假 定 袁 应 用 纯 弯 梁 跨 中 挠 度 的 计 算 公 式 袁 来 综 合 考 虑 纯 弯 段 梁 体 在 一 定 损 伤 程 度 下 抵 抗 变 形 的 能 力 遥 y ei = Mi 渊 3l 2-4a 2 冤 24EI ei 渊 2 冤 将 式 渊 2 冤 除 以 式 渊 1 冤 袁 得 到 梁 第 i 级 荷 载 下 挠 度 校 验 系 数 如 下 院 浊 i=y ei y si =EL si EI ei 渊 3 冤 琢 一 加 载 点 距 离 支 座 的 距 离 曰 作 者 简 介 院 章 乐 渊 冤 袁 男 袁 江 西 新 余 人 袁 助 理 工 程 师 袁 硕 士 学 位 袁 从 事 交 通 运 输 与 公 路 管 理 工 作 遥 窑 25窑

26 EL si 一 完 好 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 的 等 效 静 刚 度 值 渊 晕 窑 m 2 冤 曰 EL ei 一 破 损 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 的 等 效 静 刚 度 值 渊 晕 窑 m 2 冤 曰 1.2 完 好 基 频 与 破 损 基 频 比 值 平 方 计 算 桥 梁 检 测 中 袁 一 阶 自 振 频 率 与 相 应 的 振 型 是 确 定 桥 梁 结 构 的 最 常 用 的 动 力 特 性 参 数 袁 而 且 结 构 的 自 振 频 率 ( 或 周 期 ) 和 初 始 条 件 无 关 袁 只 取 决 于 结 构 的 质 量 分 布 和 柔 度 系 数 ( 或 刚 度 系 数 ) 袁 因 此 它 们 决 定 了 结 构 本 身 周 期 的 固 有 动 力 特 性 咱 猿 暂 遥 然 而 袁 在 相 对 静 力 加 载 等 级 下 袁 钢 筋 混 凝 土 主 梁 的 固 有 振 动 基 频 和 模 态 动 刚 度 EId 也 表 现 出 非 线 性 的 特 征 遥 由 振 动 力 学 可 知 袁 附 加 荷 载 吟 m 作 用 下 袁 两 端 铰 接 完 好 简 支 梁 桥 基 频 计 算 公 式 为 院 f isi 越 也 仔 页 圆 l 2 姨 耘 l dsi m+ 吟 m 实 际 中 裂 缝 逐 步 开 展 袁 桥 梁 的 等 效 动 刚 度 逐 步 下 降 袁 附 加 荷 载 吟 m 作 用 下 袁 破 损 桥 梁 基 频 的 表 达 式 为 院 f iei 越 也 仔 页 圆 l 2 姨 耘 l dei m+ 吟 m 将 式 渊 4 冤 除 以 式 渊 5 冤 再 平 方 袁 得 到 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 完 好 桥 梁 基 频 f lsi 与 破 损 桥 梁 基 频 比 值 f lei 的 平 方 K 2 1FI 如 下 院 圆 运 员 fi 越 渊 f lsi /f lei 冤 2 越 耘 陨 dsi /EI dei 式 中 院 El dsi 一 完 好 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 的 等 效 动 刚 度 值 渊 晕 窑 m 2 冤 曰 f lsi 一 完 好 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 桥 梁 的 基 频 渊 匀 z 冤 曰 耘 l dei 一 破 损 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 的 等 效 动 刚 度 值 渊 晕 窑 m 2 冤 曰 f lei 一 破 损 桥 梁 第 i 级 荷 载 下 的 基 频 渊 匀 z 冤 ; 1.3 挠 度 校 验 系 数 与 基 频 比 值 平 方 的 关 系 由 式 渊 3 冤 浊 i=y ei /y si =EI si /EI ei 可 知 袁 挠 度 校 验 系 数 取 决 于 第 i 级 荷 载 下 的 桥 梁 完 好 状 态 等 效 静 刚 度 值 与 破 损 状 态 下 等 效 静 刚 度 值 的 比 值 遥 圆 由 式 渊 6 冤 运 员 fi= 渊 flsi 冤 2 EI dsi /El dei 可 知 袁 基 频 比 值 平 方 取 决 于 第 i 级 荷 载 下 的 桥 梁 完 好 状 态 等 效 动 刚 度 值 与 破 损 状 态 下 等 效 动 刚 度 值 的 比 值 遥 由 于 第 i 级 荷 载 下 桥 梁 对 应 等 效 刚 度 是 定 值 袁 只 是 因 测 试 方 法 不 同 而 称 为 等 效 静 刚 度 和 等 效 动 刚 度 袁 因 此 由 式 渊 3 冤 尧 式 渊 6 冤 可 知 院 圆 浊 i = 运 员 fi 2 桥 梁 结 构 附 加 荷 载 仿 真 建 模 数 值 分 析 以 13m T 型 简 支 桥 梁 为 例 建 立 空 间 有 限 元 模 型 袁 桥 梁 混 凝 土 采 用 SOLID65 单 元 袁 钢 筋 采 用 LINK8 单 元 袁 附 加 荷 载 采 用 MASS21 单 元 袁 采 用 钢 筋 混 凝 土 整 体 式 与 分 离 式 相 结 合 的 模 型 袁 其 中 主 要 受 力 钢 筋 采 用 分 离 式 建 模 袁 钢 筋 单 元 与 混 凝 土 单 元 进 行 节 点 耦 合 曰 箍 筋 及 分 布 钢 筋 采 用 整 体 建 模 遥 采 用 C30 号 混 凝 土 袁 其 弹 性 模 量 取 值 3.0E+10Pa 袁 泊 松 比 取 值 0.2 袁 混 凝 土 密 度 取 2500kg/m 3 遥 采 用 HRB400 级 钢 筋 袁 其 弹 性 模 量 取 值 2.0E+11Pa 袁 泊 松 比 取 值 0.30 袁 密 度 取 值 7800kg/m 3 袁 采 用 了 双 线 性 随 动 强 化 定 义 钢 筋 的 屈 服 准 窑 26窑 渊 4 冤 渊 5 冤 渊 6 冤 渊 7 冤

27 则 遥 在 进 行 有 限 元 网 格 划 分 时 袁 使 跨 中 部 分 网 格 细 划 袁 采 用 杀 死 跨 中 截 面 细 化 单 元 的 形 式 模 拟 桥 梁 结 构 的 裂 缝 损 伤 程 度 遥 图 1 T 型 梁 桥 有 限 元 模 型 图 对 桥 梁 结 构 考 虑 完 好 状 态 和 六 种 不 同 程 度 裂 缝 损 伤 状 态 袁 选 定 六 种 附 载 荷 载 等 级 袁 在 桥 梁 跨 中 截 面 进 行 双 对 称 加 载 袁 对 静 尧 动 计 算 结 果 进 行 对 比 分 析 袁 探 讨 挠 度 校 验 系 数 浊 i=y ei /y si 与 桥 梁 完 好 基 频 f lsi 与 圆 损 伤 基 频 f lei 比 值 平 方 运 = 圆 2 员 fi 渊 f lsi / f lei 冤 的 关 系 袁 研 究 用 运 = 2 员 fi 渊 f lsi / f lei 冤 代 替 浊 i = 浊 i=y ei /y si 对 桥 梁 进 行 综 合 评 价 的 可 行 性 遥 表 1 桥 梁 非 线 性 静 力 分 析 结 果 附 加 荷 载 渊 t 冤 附 加 荷 载 质 量 渊 t 冤 跨 中 挠 度 渊 mm 冤 裂 缝 相 对 长 度 0% 挠 度 y si 裂 缝 相 对 长 度 10% 挠 度 y ei 裂 缝 相 对 长 度 20% 挠 度 y ei 裂 缝 相 对 长 度 30% 挠 度 y ei 裂 缝 相 对 长 度 40% 挠 度 y ei 裂 缝 相 对 长 度 50% 挠 度 y ei 裂 缝 相 对 长 度 60% 挠 度 y ei 表 2 桥 梁 一 阶 频 率 分 析 结 果 跨 中 挠 度 渊 mm 冤 裂 缝 相 对 长 度 0% 基 频 f 1si 裂 缝 相 对 长 度 10% 基 频 f 1ei 裂 缝 相 对 长 度 20% 基 频 f 1ei 裂 缝 相 对 长 度 50% 基 频 f 1ei 裂 缝 相 对 长 度 60% 基 频 f 1ei 附 加 荷 载 渊 t 冤 附 加 荷 载 质 量 渊 t 冤 裂 缝 相 对 长 度 30% 基 频 f 1ei 裂 缝 相 对 长 度 40% 基 频 f 1ei 窑 27窑

28 表 3 桥 梁 动 静 对 比 分 析 结 果 浊 i 及 K 2 1si 对 比 裂 缝 相 对 长 度 0% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 0% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 附 加 荷 载 渊 t 冤 附 加 荷 载 质 量 渊 t 冤 裂 缝 相 对 长 度 10% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 10% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 裂 缝 相 对 长 度 20% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 20% 时 K 2 1si 裂 缝 相 对 长 度 30% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 30% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 裂 缝 相 对 长 度 40% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 40% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 裂 缝 相 对 长 度 50% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 50% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 裂 缝 相 对 长 度 60% 时 浊 i 裂 缝 相 对 长 度 60% 时 K 2 1si 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 % 1.774% 1.625% 1.179% 0.384% 1.482% 图 2 桥 梁 一 阶 频 率 - 附 加 荷 载 曲 线 图 3 桥 梁 基 频 比 值 平 方 - 裂 缝 相 对 长 度 曲 线 窑 28窑

29 图 4 桥 梁 校 验 系 数 浊 i 曲 线 与 基 频 比 值 平 方 K 2 1fi 曲 线 对 比 图 由 图 2 可 以 看 出 袁 一 阶 频 率 随 附 加 荷 载 增 大 而 减 小 袁 同 一 附 加 荷 载 作 用 下 裂 缝 相 对 长 度 越 长 袁 一 阶 频 率 越 小 曰 损 伤 桥 梁 基 频 与 完 好 桥 梁 基 频 差 随 裂 缝 相 对 长 度 增 大 而 增 大 遥 因 此 用 附 加 荷 载 动 态 检 测 法 袁 可 以 获 取 不 同 荷 载 作 用 下 桥 梁 结 构 振 动 频 率 袁 同 时 更 能 反 映 出 桥 梁 结 构 在 实 际 荷 载 工 况 下 的 工 作 性 能 尧 损 伤 状 况 遥 由 图 3 可 以 看 出 袁 基 频 比 值 平 方 随 裂 缝 相 对 长 度 的 增 大 而 表 现 出 非 线 性 增 大 的 趋 势 曰 裂 缝 相 对 长 度 一 定 时 袁 附 加 荷 载 越 大 袁 基 频 比 值 平 方 值 越 大 遥 由 图 4 对 比 附 加 荷 载 动 静 态 分 析 结 果 袁 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 浊 i 与 频 率 比 值 平 方 K 2 1fi 随 裂 缝 相 对 长 度 的 增 大 表 现 出 相 同 的 增 大 趋 势 曰 裂 缝 相 对 长 度 一 定 袁 附 加 荷 载 相 同 时 袁 两 者 的 结 果 极 为 一 致 袁 浊 i 与 K 2 1si 相 差 百 分 数 均 在 3% 之 内 遥 3 模 型 梁 动 静 试 验 对 比 分 析 按 照 前 面 所 述 的 理 论 和 方 法 袁 为 了 验 证 用 代 替 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 评 定 桥 梁 结 构 受 载 能 力 尧 工 作 状 态 的 正 确 性 袁 现 设 计 并 制 作 了 单 跨 钢 筋 混 凝 土 简 支 矩 形 梁 袁 同 时 进 行 动 静 试 验 对 比 研 究 遥 试 验 采 用 静 态 法 与 动 态 法 交 替 进 行 的 方 案 袁 对 模 型 梁 逐 级 加 载 袁 直 到 模 型 梁 破 坏 袁 分 别 记 录 各 级 荷 载 作 用 下 的 挠 度 袁 以 及 对 应 各 级 荷 载 作 用 下 的 动 力 响 应 遥 各 计 算 参 数 分 别 为 院 横 断 面 24cm*8cm 袁 计 算 跨 径 为 285cm 袁 实 际 构 件 长 度 为 300cm 袁 受 拉 区 配 4 椎 8 二 级 钢 筋 作 为 受 力 钢 筋 袁 纵 向 采 用 椎 6 的 一 级 钢 筋 作 为 分 布 筋 袁 间 距 为 15cm 袁 混 凝 土 采 用 C20 普 通 硅 酸 盐 混 凝 土 遥 混 凝 土 的 配 合 比 ( 每 立 方 米 ) 水 泥 : 砂 子 : 石 子 : 水 =343: 621: 1261: 175( 单 位 :kg), 材 料 密 度 为 25kN/m 3, 弹 性 模 量 为 25.5kN/mm 2 遥 试 验 梁 模 型 及 仪 器 布 置 见 图 5 尧 图 6 和 图 7 遥 图 5 试 验 梁 模 型 图 6 试 验 现 场 布 置 简 图 窑 29窑

30 图 7 传 感 器 和 百 分 表 布 置 简 图 表 4 附 加 荷 载 作 用 下 完 好 理 论 频 率 与 破 损 实 测 频 率 比 值 平 方 数 据 表 附 加 荷 载 质 量 渊 kg 冤 破 损 基 频 f 1ei 渊 Hz 冤 完 好 基 频 f 1si 渊 Hz 冤 K 1fi =f 1si /f 1ei K 1fi2 =(f 1si /f 1ei ) 注 院 由 于 试 验 梁 实 际 尺 寸 偏 差 尧 砼 实 际 强 度 偏 大 等 原 因 袁 致 使 附 加 荷 载 为 0 时 袁 破 损 实 测 基 频 大 于 完 好 理 论 基 频 遥 表 5 不 同 损 伤 程 度 实 验 梁 在 附 加 荷 载 作 用 下 校 验 系 数 表 附 加 荷 载 质 量 渊 kg 冤 破 损 实 测 挠 度 渊 mm 冤 完 好 理 论 挠 度 渊 mm 冤 实 验 梁 校 验 系 数 浊 i 表 6 校 验 系 数 浊 i 与 频 率 比 值 平 方 K 1fi2 数 据 表 附 加 荷 载 质 量 渊 kg 冤 实 验 梁 校 验 系 数 浊 i 2= K 1fi (f 1si /f 1ei ) 2 浊 i 与 K 2 1si 误 差 渊 % 冤 % 0.18% 0.981% 1.67% 2.34% 1.61% 1.03% 0.34% 0.44% 图 8 试 验 梁 一 阶 频 率 - 附 加 荷 载 曲 线 图 9 试 验 梁 浊 i 曲 线 与 K 1fi 2 曲 线 对 比 图 窑 30窑

31 由 图 8 可 以 看 出 袁 随 着 附 加 荷 载 和 损 伤 程 度 的 增 加 袁 试 验 梁 破 损 实 测 基 频 与 完 好 理 论 基 频 差 呈 不 断 增 大 的 趋 势 遥 说 明 附 加 荷 载 动 态 检 测 法 袁 扩 大 了 频 率 变 化 范 围 袁 提 高 振 动 频 率 对 试 验 梁 刚 度 的 灵 敏 性 袁 同 时 更 能 反 映 出 试 验 梁 在 实 际 荷 载 下 的 振 动 状 态 遥 由 图 9 可 以 看 出 袁 在 进 行 模 型 梁 破 损 动 静 力 试 验 时 袁 随 附 加 荷 载 的 增 大 袁 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 和 完 好 梁 基 频 与 破 损 梁 基 频 比 值 的 平 方 曲 线 走 势 基 本 相 同 袁 都 是 先 呈 直 线 段 平 稳 变 化 袁 随 荷 载 增 加 进 入 弹 塑 性 阶 段 后 逐 级 增 大 袁 在 荷 载 达 到 约 250kg 左 右 时 出 现 急 剧 上 升 的 拐 点 袁 说 明 这 时 梁 进 入 破 坏 阶 段 袁 两 者 具 有 很 好 的 一 致 性 袁 两 者 数 值 误 差 均 3% 之 内 遥 5 结 语 文 章 提 出 用 附 加 荷 载 动 态 法 确 定 RC 桥 梁 校 验 系 数 值 的 计 算 模 型 袁 由 前 述 理 论 模 型 推 导 尧 数 值 仿 真 计 算 尧 模 型 梁 试 验 分 析 可 以 得 出 以 下 结 论 院 淤 随 着 附 加 荷 载 和 损 伤 程 度 的 增 加 袁 损 伤 桥 梁 基 频 与 完 好 桥 梁 基 频 差 是 不 断 增 大 的 遥 说 明 附 加 荷 载 动 态 检 测 法 袁 扩 大 了 频 率 变 化 范 围 袁 提 高 振 动 频 率 对 桥 梁 刚 度 的 灵 敏 性 袁 同 时 更 能 反 映 出 桥 梁 结 构 在 实 际 荷 载 工 况 下 的 振 动 状 态 遥 于 挠 度 校 验 系 数 尧 基 频 比 值 平 方 都 随 裂 缝 相 对 长 度 的 增 大 而 表 现 出 非 线 性 增 大 的 趋 势 曰 裂 缝 相 对 长 度 一 定 时 袁 附 加 荷 载 越 大 袁 挠 度 校 验 系 数 尧 基 频 比 值 平 方 值 越 大 遥 盂 理 论 和 实 验 表 明 院 桥 梁 挠 度 校 验 系 数 浊 i 与 频 率 比 值 平 方 K 2 1fi 随 裂 缝 相 对 长 度 的 变 化 尧 附 加 荷 载 的 变 化 具 有 很 好 的 一 致 性 袁 两 者 误 差 均 在 3% 之 内 遥 因 此 桥 梁 检 测 过 程 中 用 附 加 荷 载 作 用 下 K 2 1fi=(f lsi /f lei ) 2 代 替 浊 i=y ei /y si 评 定 桥 梁 结 构 受 载 能 力 尧 工 作 状 态 是 可 靠 的 袁 此 方 法 以 动 测 静 袁 可 真 正 实 现 桥 梁 不 断 交 尧 不 搭 架 检 测 袁 具 有 实 际 应 用 价 值 遥 参 考 文 献 [l] 张 启 伟 袁 袁 力 诚 袁 范 立 础. 大 型 桥 梁 结 构 安 全 监 测 的 研 究 现 状 与 发 展 [J]. 同 济 大 学 学 报 袁 1997, 25 (S): [2] 高 伟 伟 袁 唐 雅 如 袁 余 华. 基 于 移 动 荷 载 过 桥 的 轨 适 交 通 桥 梁 振 动 研 究 [6]. 中 国 铁 道 科 学 2005, 26 渊 2 冤 : [3] 单 德 山 袁 李 乔. 基 于 车 致 振 动 的 桥 梁 损 伤 识 别 [J]. 西 南 交 通 大 学 学 报 袁 2009 袁 44(1):6l 一 65. [4] 秦 权. 桥 梁 结 构 的 健 康 监 测 IJ]. 中 国 公 路 学 报 袁 2000 袁 13(2): [5] Pandey A K.Damage detection from changes of curvature mode shapes.sound and Vibration, 1991,145(2): [6] H.M.Kim,T.J.Bartkowicz.A two -step structural damage detection approach with limited instrumentation.journal of Vibration and Accoustics.1997,119(2): [7] H.M.Kim,T.J.Bartkowicz.A two -step structural damage detection approach with limited instrumentation.journal of Vibration and Accoustics.1997,119(2): [8] Stubbs N,Kim J T,Farrar C R.Field Verification of a Nondestructive Damage Localizationand SeverityEstimation Algorithm.Proc.of the 13th International Modal Analysis.1995, 窑 31窑

32 公 路 运 营 隧 道 在 溶 岩 发 育 地 区 地 质 灾 害 处 理 技 术 探 讨 廖 炜 袁 谌 杰 袁 熊 诗 雯 袁 彭 爱 红 渊 1 尧 江 西 省 公 路 桥 梁 工 程 局 袁 江 西 南 昌 冤 渊 2 尧 华 东 交 通 大 学 经 管 学 院 袁 江 西 南 昌 冤 渊 2 尧 江 西 省 南 昌 市 人 民 政 府 袁 江 西 南 昌 冤 摘 要 院 地 处 溶 岩 发 育 地 区 隧 道 在 运 营 过 程 中 也 会 遇 到 地 质 灾 害 袁 对 隧 道 造 成 影 响 甚 至 破 坏 遥 文 章 就 地 处 溶 岩 发 育 地 区 某 高 速 公 路 运 营 隧 道 遇 到 的 涌 水 尧 路 面 起 拱 尧 二 衬 开 裂 等 地 质 灾 害 进 行 成 因 分 析 和 灾 害 处 理 进 行 了 技 术 探 讨 袁 为 隧 道 运 营 和 相 关 地 质 灾 害 处 理 提 供 参 考 遥 关 键 词 院 隧 道 工 程 曰 溶 岩 地 区 曰 运 营 曰 地 质 灾 害 曰 处 理 技 术 0 前 言 隧 道 穿 越 溶 洞 地 区 在 施 工 中 会 遇 到 许 多 问 题 袁 一 旦 溶 洞 发 育 且 规 模 大 就 可 能 造 成 地 质 灾 害 袁 给 隧 道 施 工 带 来 一 系 列 的 问 题 和 麻 烦 遥 目 前 对 溶 岩 地 区 隧 道 施 工 有 比 较 成 熟 的 技 术 方 法 袁 但 由 于 溶 岩 地 区 溶 洞 类 型 尧 规 模 大 小 不 一 袁 溶 洞 有 时 独 立 成 洞 袁 有 时 串 联 成 洞 曰 同 时 袁 富 含 丰 富 的 地 下 水 袁 溶 洞 内 有 时 填 充 大 量 的 泥 砂 曰 这 都 对 隧 道 的 施 工 时 处 理 留 下 貌 似 处 理 好 了 袁 实 际 可 能 还 存 在 无 法 预 知 袁 无 法 根 治 的 情 况 曰 尤 其 袁 溶 洞 随 着 时 间 的 推 移 尧 雨 水 的 侵 蚀 袁 会 变 得 越 来 越 大 袁 或 者 原 来 独 洞 会 变 成 串 联 洞 曰 如 果 遇 到 大 雨 或 地 表 的 扰 动 都 可 能 给 正 在 运 营 的 隧 道 带 来 预 想 不 到 的 地 质 灾 害 遥 文 章 主 要 根 据 某 高 速 公 路 运 营 隧 道 通 过 溶 岩 发 育 地 区 袁 自 通 车 至 两 年 半 左 右 时 间 袁 遇 大 雨 和 地 质 环 境 的 变 化 袁 导 致 地 质 灾 害 的 原 因 分 析 和 灾 害 处 理 方 案 介 绍 遥 1 工 程 背 景 简 介 某 高 速 公 路 隧 道 位 于 南 港 水 库 与 洞 村 乡 苍 上 村 之 间 袁 设 计 为 分 离 式 隧 道 袁 里 程 桩 号 ZK 耀 ZK 渊 YK 耀 YK 冤 袁 全 长 924m 渊 右 幅 964m 冤 袁 最 大 埋 深 约 110m 遥 该 隧 道 穿 越 的 是 地 区 为 溶 岩 发 育 地 区 袁 也 是 选 线 上 无 法 避 开 的 区 域 遥 路 经 的 洞 村 乡 就 是 因 为 溶 岩 地 区 尧 溶 洞 多 而 得 名 遥 在 隧 道 YK 右 上 方 200m 处 有 一 梅 岭 水 库 面 积 约 5000m 2 遥 该 隧 道 2006 年 8 月 开 工 袁 2007 年 10 月 贯 通 袁 2008 年 1 月 通 车 遥 在 施 工 过 程 中 也 遇 到 多 个 大 小 不 一 溶 洞 和 治 理 过 突 水 袁 并 引 起 了 业 主 尧 设 计 尧 施 工 的 高 度 重 视 袁 隧 道 贯 通 后 对 已 完 隧 道 进 行 了 全 面 的 地 质 雷 达 扫 描 袁 没 有 发 现 异 常 遥 2010 年 5 月 12 日 上 午 10 时 起 正 在 运 营 的 该 隧 道 突 然 发 现 隧 道 左 右 洞 发 生 涌 水 尧 突 泥 尧 路 面 拱 起 尧 二 衬 开 裂 灾 害 现 象 袁 首 先 发 现 问 题 的 是 隧 道 养 护 人 员 袁 迅 速 报 告 高 速 公 路 管 理 中 心 后 袁 立 即 启 动 了 应 急 预 案 遥 经 地 作 者 简 介 院 廖 炜 渊 1983 要 冤 袁 男 袁 江 西 奉 新 人 袁 湖 南 大 学 毕 业 袁 助 理 工 程 师 袁 从 事 公 路 桥 梁 施 工 与 管 理 工 作 遥 窑 32窑