公路橋梁的超載建模論文

1、<p><b>　　公路橋梁的超載</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的增長，交通量和車載軸載的增加以及橋梁抗力的衰減，橋梁超載的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。</p><p>　　超載不但使得公路橋梁的使用壽命大大降低, 而且在其使用年限內(nèi)的安全性也大大降低,超載車輛由于其車軸重的成

2、倍增加, 對橋梁行車道板的損害非常大, 最后會影響車輛順利通行. 這種情況下, 如何正確評價(jià)現(xiàn)有橋梁的實(shí)際承載能力與安全度, 如何及早檢查發(fā)現(xiàn)橋梁產(chǎn)生損傷及異?，F(xiàn)象,如何減低超載的風(fēng)險(xiǎn)， 正確地評估結(jié)構(gòu)的損壞程度， 就成為人們需要研究的問題.</p><p>　　基于此列出了兩個(gè)模型：超載對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷和橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率。其中模型一我們從三個(gè)方面進(jìn)行分析。1.超載引起橋面板構(gòu)件的損傷分析2.超載引起鋼筋砼構(gòu)件損

3、傷分析3.超載引起預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的損傷分析。</p><p>　　最后，為橋梁的施工單位和質(zhì)監(jiān)局的高層管理者寫一份報(bào)告，闡述超載的迫切性，并提出一些建議和方法，使其被采用。</p><p>　　關(guān)鍵字： 公路橋梁 超載 風(fēng)險(xiǎn)概率 結(jié)構(gòu)損傷</p><p><b>　　問題重述</b></p><p>　　2012年8

4、月24日清晨，通車不到一年的哈爾濱陽明灘大橋引橋發(fā)生斷裂，4輛大貨車墜落，車上共有八人，目前已造成3人死亡5人受傷。專家初步分析是超載所致</p><p>　　嚴(yán)重超限超載車輛猶如一顆顆定時(shí)炸彈，隨時(shí)引爆重特大交通事故。同時(shí)，大量惡性超限超載運(yùn)輸車輛已經(jīng)直接威脅著我區(qū)公路和橋梁的安全，存在嚴(yán)重的安全事故隱患?！笔聦?shí)上，嚴(yán)重的超限超載，已在全國各地引發(fā)重特大交通事故。2011年以來，江蘇、福建、浙江、北京等地先后發(fā)

5、生的重特大交通事故，惡性超限運(yùn)輸車輛壓垮公路橋梁事故頻頻見諸報(bào)端。　　貨運(yùn)車輛超限超載運(yùn)輸已成為公路橋梁的主要“殺手”，公路橋梁的安全也受到了嚴(yán)重威脅，限制超載已經(jīng)刻不容緩。根據(jù)所學(xué)知識就如何正確評價(jià)現(xiàn)有橋梁的實(shí)際承載能力與安全度, 如何及早檢查發(fā)現(xiàn)橋梁產(chǎn)生損傷及異?，F(xiàn)象,如何減低超載的風(fēng)險(xiǎn)， 正確地評估結(jié)構(gòu)的損壞程度做出合理的模型，并對相關(guān)部門提出合理的建議。</p><p><b>　　問題分析

6、</b></p><p>　　本題主要解決的是正確評估超載對橋梁的損害程度以及降級超載，對于正確評估橋梁結(jié)構(gòu)的損害程度，從超載對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷、超載引起鋼筋砼構(gòu)件損傷分析以及超載引起預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的損傷分析，根據(jù)有關(guān)的物理知識，分別找出超載分別對橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁的鋼筋砼、預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的損傷程度函數(shù)，以此為憑據(jù)評估超載對橋梁的損害程度。對于降低超載的風(fēng)險(xiǎn)，從概率的角度預(yù)測超載所帶來的橋梁風(fēng)險(xiǎn)損失的可能性，從

7、這兩個(gè)方面可以預(yù)防由于超載而引起的重大的交通事故，降低事故發(fā)生率。</p><p><b>　　模型的建立與求解</b></p><p>　　模型一：超載對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷</p><p>　　一、超載引起橋面板構(gòu)件的損傷分析</p><p>　　1.1多跨連續(xù)單向板</p><p><b&g

8、t;　　符號說明</b></p><p><b>　?。簡蜗虬蹇缰袕澗?lt;/b></p><p><b>　?。褐c(diǎn)彎矩</b></p><p>　　：單向板寬簡支板條的跨中活荷載</p><p>　?。簡蜗虬鍖捄喼О鍡l的跨中恒載</p><p><b>

9、　?。撼d率</b></p><p>　?。簡蜗虬宄d前的最大彎矩</p><p>　?。簡蜗虬宄d后的最大彎矩</p><p>　　常見的橋面板實(shí)質(zhì)上是一個(gè)支承在一系列彈性支承上的多跨連續(xù)板，其實(shí)際的受力情況相當(dāng)復(fù)雜，目前采用較簡單的近似方法進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　跨中彎矩</b></

10、p><p><b>　　支點(diǎn)彎矩 </b></p><p><b>　　其中，，則超載后</b></p><p>　　那么超載前后最大彎矩的比值為：</p><p>　　由上式可知：超載率和活載恒載的比值對橋面板受力有比較明顯的影響。</p><p><b>　　1.2

11、 懸臂板</b></p><p><b>　　符號說明</b></p><p>　?。簯冶郯迕棵装鍖挼闹c(diǎn)最大負(fù)彎矩</p><p>　　：懸臂板每米寬簡支板條的跨中活荷載</p><p>　?。簯冶郯迕棵讓捄喼О鍡l的跨中恒載</p><p>　?。簯冶郯宄d后的最大負(fù)彎矩</p

12、><p>　　懸臂板每米板寬的支點(diǎn)最大負(fù)彎矩為：</p><p>　　同理可知超載前后最大負(fù)彎矩的比值為</p><p>　　由上式可知：超載率和活載恒載的比值對橋面板受力有比較明顯的影響。另外如果橋面板跨徑較小，活載效應(yīng)與恒載效應(yīng)比值較大的話，超載作用下彎矩增大的效應(yīng)也會更明顯。</p><p>　　二、超載引起鋼筋砼構(gòu)件損傷分析</p&

13、gt;<p>　　在鋼筋砼構(gòu)件中，橋面直接承受作用在橋面鋪裝上面的荷載，并且直接或通過主梁等將力傳遞到下部結(jié)構(gòu)上去，其安全性是非常重要的。鋼筋砼構(gòu)件在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，是考慮使構(gòu)件帶有一定的裂縫工作的。但在超載情況下，構(gòu)件長期處于高應(yīng)力工作狀態(tài)，裂縫展開，并繼續(xù)擴(kuò)張，而對鋼筋的保護(hù)作用減弱，鋼筋容易受到腐蝕，引起所謂耐久性風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJD62-2004）中關(guān)于鋼筋砼受彎構(gòu)件最大裂縫

14、寬度（mm）的計(jì)算公式：</p><p>　　其中和荷載有關(guān)的參數(shù)有：</p><p>　?。嚎紤]荷載作用系數(shù)，長期荷載作用時(shí)，其中為長期荷載下的內(nèi)力；</p><p>　?。喝渴褂煤奢d下的內(nèi)力；</p><p>　?。菏芾摻钤谑褂煤奢d下的應(yīng)力；；</p><p><b>　?。汉爿d；</b>

15、</p><p><b>　　：活載； </b></p><p>　　：使用荷載；；即認(rèn)為使用荷載由由恒載和活載組成，考慮簡支梁結(jié)構(gòu)（如系桿拱的橋面板結(jié)構(gòu)），當(dāng)超載率為時(shí)，可近似認(rèn)為活載彎矩和活載等級有線性關(guān)系，則，可得超載前后，最大裂縫的比值為：</p><p>　　由上面的計(jì)算公式可以看出:最大裂縫寬度與活載和恒載的比例有關(guān)，超載率和活載的

16、比值對最大裂縫寬度都有比較明顯的影響。</p><p>　　當(dāng)裂縫繼續(xù)發(fā)展，使某一斷面包裹鋼筋的砼完全分離時(shí)，原先鋼筋和砼共同受力的狀態(tài)將突變?yōu)殇摻顔为?dú)受力，將發(fā)生應(yīng)力重分布，引發(fā)受力安全風(fēng)險(xiǎn)問題。同時(shí)，當(dāng)在某一斷面只有鋼筋受力時(shí)，鋼筋的疲勞問題將變的十分突出，而疲勞問題也是耐久性風(fēng)險(xiǎn)的一種體現(xiàn)。</p><p>　　三、超載引起預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的損傷分析</p><p&g

17、t;　　超載對預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的影響主要體現(xiàn)在耐久性和安全性問題上，預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件可分為全預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件、類部分預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件和類部分預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件，不同的構(gòu)件其裂縫和應(yīng)力要求都各不相同。</p><p>　　規(guī)范中部分預(yù)應(yīng)力砼類構(gòu)件的裂縫寬度可用構(gòu)件受拉砼的名義拉應(yīng)力控制。開裂截面砼的名義拉應(yīng)力按假設(shè)截面不開裂的彈性理論公式計(jì)算：</p><p>　　式中與荷載有關(guān)的數(shù)據(jù)有=使用荷載產(chǎn)生的彎矩。&l

18、t;/p><p>　　超載會對式中、產(chǎn)生直接影響。先假設(shè)N變化不大，認(rèn)為，即使用荷載由恒載和活載組成，超載率設(shè)為，這超載時(shí)，于是可以得出超載后名義拉應(yīng)力的大小發(fā)生了明顯改變。當(dāng)時(shí)，超載所造成的橋梁結(jié)構(gòu)損傷將是致命的。</p><p>　　模型二：橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率</p><p><b>　　符號說明</b></p><p>

19、<b>　?。籂顟B(tài)方程函數(shù)</b></p><p>　　：超載風(fēng)險(xiǎn)事態(tài)作用下的效應(yīng)</p><p><b>　?。簶蛄嚎沽?lt;/b></p><p><b>　?。簱p失發(fā)生地概率</b></p><p>　　：、聯(lián)合概率密度函數(shù)</p><p><b

20、>　?。航Y(jié)構(gòu)可靠度</b></p><p>　　橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率模型的定義為由于超載所帶來的橋梁風(fēng)險(xiǎn)損失現(xiàn)實(shí)發(fā)生可能性的數(shù)學(xué)描述。設(shè)在超載風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的作用下，引起損失的極限狀態(tài)可以用狀態(tài)方程表示，則損失發(fā)生地概率可表示為：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　用表示、聯(lián)合概率密度函數(shù)，則橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概

21、率為：</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　當(dāng)、均為正態(tài)分布隨機(jī)變量且相互獨(dú)立。由,則為正態(tài)分布，其均值，</p><p><b>　　方差。</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　將的正態(tài)

22、分布轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,令</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　令結(jié)構(gòu)可靠度：</b></p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　則橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率為：</p><p><b>　?。?

23、）</b></p><p>　　橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算</p><p>　　由于交通量以及車輛軸載的影響，使橋梁荷載效應(yīng)增大。基于概率極限狀態(tài)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，暫不考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗力的退化，且假設(shè)在荷載效應(yīng)的概率分布方差值不變，超載引起的荷載效應(yīng)分布均值為，其中定義為超載系數(shù)，為原設(shè)計(jì)的荷載效應(yīng)值，則可以粗略的估計(jì)超載引起的橋梁結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)概率。觀察風(fēng)險(xiǎn)概率的變化。按照現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)可

24、靠度，其失效的風(fēng)險(xiǎn)概率為，則超載情況出現(xiàn)后的結(jié)構(gòu)可靠度為：</p><p>　　式中為中心安全系數(shù)。按照，下表列出了不同超載水平下橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)以及相應(yīng)的失效風(fēng)險(xiǎn)。</p><p>　　根據(jù)英國聯(lián)合結(jié)構(gòu)安全委員會對橋梁風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn),對橋梁超載風(fēng)險(xiǎn),基于ALARP原則劃分成為不可容忍區(qū)，可容忍區(qū)，可忽略區(qū)。</p><p><b>　　如圖所示<

25、/b></p><p>　　當(dāng)橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)使風(fēng)險(xiǎn)概率增加到了，此種風(fēng)險(xiǎn)是不能接受的。必須加大控制風(fēng)險(xiǎn)的力度，比如在橋頭設(shè)置軸重檢測儀器，對于超標(biāo)的車輛不允許通過，或者控制橋上通行車輛的數(shù)量，降低超載風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)，使橋梁風(fēng)險(xiǎn)概率降低在不可容忍線之下。</p><p>　　當(dāng)橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率處在可忽略線以下，則落入可忽略區(qū)。此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的，無需增加改進(jìn)橋梁超載安全措施。</

26、p><p>　　當(dāng)橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率在不可容忍線以下和可忽略線以上，則落入了可容忍區(qū)。如果橋梁承載風(fēng)險(xiǎn)改進(jìn)措施在不影響交通通行能力可以采取一定的措施來降低風(fēng)險(xiǎn)概率；如果影響了交通通行能力，則無需采取措施，此時(shí)橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)可以接受。</p><p><b>　　五、模型的改進(jìn)</b></p><p>　　本文分析了公路橋梁的超載問題并從兩個(gè)模型進(jìn)行了分

27、析，對超載進(jìn)行了具體的分析，并針對超載提出了有效的措施。在風(fēng)險(xiǎn)概率和對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷兩方面的考慮下，對超載現(xiàn)象有了有效的認(rèn)知及有效的控制。為了全面我們又對模型進(jìn)行了改進(jìn)做出了其診斷方法的研究。</p><p>　　受超載影響的橋梁, 首先需要判斷該橋梁是局部損傷還是整體破壞, 如果是局部損傷, 只需要對橋梁進(jìn)行局部加固即可, 如果是整體破壞, 則需要對其損傷程度進(jìn)行判別, 并比較重建和維修加固的經(jīng)濟(jì)效益, 最終決

28、定受損橋梁的處理方法.要正確判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體情況, 了解橋梁結(jié)構(gòu)的損傷狀況. 首先須確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載力,在承載力確定的情況下, 對橋梁結(jié)構(gòu)的各種損傷, 進(jìn)行評估, 作為最后維修加固的依據(jù).現(xiàn)有橋梁承載力的檢定, 通常采用分析計(jì)算法,它是運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算, 從而評定出橋梁的安全承載力. 下面介紹一下橋梁安全承載力的理論計(jì)算法.應(yīng)用鋼筋砼結(jié)構(gòu)計(jì)算理論, 可以估算鋼筋砼主梁單塊構(gòu)件可承受的荷載. 對于構(gòu)

29、件截面為T 型梁橋, 一般采用低筋設(shè)計(jì)方法, 且為偏于安全控制, 控制截面上砼受壓邊緣應(yīng)力留有部分作為儲備, 即砼受壓邊緣應(yīng)力可用容許應(yīng)力的0􀀁7 ~ 0􀀁85.計(jì)算截面中性軸至砼受壓區(qū)邊緣的距離x 可由下面公式求出:</p><p>　　其中：：型梁翼緣計(jì)算寬度</p><p><b>　?。盒土阂砭売?jì)算厚度</b></p&

30、gt;<p>　　：構(gòu)件所能承受的最大安全彎矩</p><p><b>　?。航孛鎸挾?lt;/b></p><p><b>　　：截面有效高度，</b></p><p><b>　?。航孛嫒?lt;/b></p><p>　　：鋼筋中心線到下緣的距離</p>

31、<p><b>　?。喉诺娜菰S應(yīng)力</b></p><p><b>　?。轰摻畹娜菰S應(yīng)力</b></p><p>　?。轰摻钆c砼的彈性模量之比</p><p>　　運(yùn)用橋梁安全承載力理論計(jì)算法, 我們可以求出實(shí)際情況下( 包括汽車超載及結(jié)構(gòu)老化) , 橋梁結(jié)構(gòu)橋梁安全承載力的極限值, 評估橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)營狀況

32、, 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固提出指導(dǎo)性意見。</p><p><b>　　六、報(bào)告</b></p><p>　　尊敬的質(zhì)檢局、交通局及政府的領(lǐng)導(dǎo)：</p><p>　　本文以公路橋梁為研究對象，運(yùn)用結(jié)構(gòu)可靠度理論，從超載對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷和橋梁超載風(fēng)險(xiǎn)概率兩個(gè)方面探討了公路橋梁的限載標(biāo)準(zhǔn)。之所以從這兩方面出發(fā)考慮問題，是因?yàn)檫@樣能夠很準(zhǔn)確的表達(dá)和呈現(xiàn)出

33、我們的想法----使橋梁更安全可靠而并非是從一直在變化的車輛方面考慮。具體的，模型一中介紹了橋梁的三個(gè)構(gòu)件的損傷，分別是橋面板構(gòu)件、鋼筋砼構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件；模型二是一種預(yù)測，以概率承載內(nèi)容，通過數(shù)學(xué)方法得出結(jié)果，使結(jié)果更有說服力。此兩種模型既是橋梁保養(yǎng)中各種因素的典型也是將來作為橋梁改進(jìn)的一種方向指導(dǎo)，與實(shí)際結(jié)合緊密，價(jià)值可觀。本文的研究方法與研究結(jié)果對完善我國現(xiàn)行公路橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義，也為公路橋梁限載取值與超重車輛通行審

34、核提供了科學(xué)依據(jù)。</p><p>　　超過承載能力運(yùn)營的橋梁會因病害的出現(xiàn), 而使承載能力降低, 而在重載作用下, 承載能力降低會進(jìn)一步加重橋梁結(jié)構(gòu)的破壞. 因此, 對超載車輛經(jīng)常通過的橋梁應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行檢測, 發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)加固處理或采取限載措施, 防患于未然, 以免造成較大損失.為了盡量避免超載所引起的種種危害, 提出以下建議：</p><p>　　1.須加強(qiáng)管理, 嚴(yán)格限制超載車輛上橋

35、, 對于必須上橋的, 須經(jīng)有關(guān)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行驗(yàn)算</p><p>　　2.設(shè)計(jì)單位應(yīng)該深化設(shè)計(jì)并提高結(jié)構(gòu)的承載能力, 以降低超載對結(jié)構(gòu)的影響。</p><p>　　3. 對于已經(jīng)出現(xiàn)超載破壞損傷的橋梁結(jié)構(gòu), 應(yīng)該及時(shí)維護(hù)加固, 以適應(yīng)公路運(yùn)輸日益加重的通車要求.</p><p>　　4.在必要的區(qū)域設(shè)立警示牌及橋梁超載限行裝置。</p><p>

36、;　　5.采取措施提高人們對超載危害的認(rèn)知，增強(qiáng)人們的法律觀念。</p><p><b>　　此致</b></p><p><b>　　敬禮</b></p><p>　　*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ^!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&

37、;UE9aQ@Gn8xp$R#&#849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu##KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwc^vR9CpbK!zn%Mz849Gx^Gjqv^$UE9wEwZ#Qc@UE%&qYp@Eh5pDx2zVkum&gTX

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