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高架桥拆除模型试验的原理与方法

futao 桥梁拆除 2019-05-23 872 0
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高架桥拆除模型试验的原理与方法

3.1.1物理模型试验的基本理论[口.2]

在结构模型试验研究中,只有模型和原型保持相似,才能由模型试验结果推算出原型结构的相应结果。如果原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例,则两个系统相似。

1)相似常数

相似常数(也称为相似比、相似系数等)是模型物理量同原型物理量之比。主要有几何相似比及应力、应变、位移、弹性模量、泊松比、边界应力、体积力、材料密度、容重相似比等。在这些相似常数中,长度、时间、力所对应的相似常数称为基本相似常数。

2)相似指标及相似判据

模型和原型中的相似常数之间的关系式称为相似指标,若两者相似,则相似指标为1。由相似指标导出的无量纲量群称为相似判据。

3)相似定理

相似定理有3个,分别称为相似第一定理、相似第二定理、相似第三定理,分别表述如下。

相似第一定理:彼此相似的两系统,单值条件相同,其相似判据的数值也相同。

相似第二定理:当一现象由n个物理量的函数关系来表示,且这些物理量中含有m种基本量纲时,则能得到n-m个相似判据。

相似第三定理:凡具有同一特性的现象,当单值条件(系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等)彼此相似,且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等时,则这些现象必定相似。

这3条定理构成了相似理论的核心内容。相似第三定理明确了模型满足什么条件、现象时才能相似。它是模型试验所必须遵循的法则。

4)量纲分析

当还不知道系统的物理量间的函数关系、但已知影响该系统的物理量时,可用量纲分析法模拟该系统。量纲分析法的最重要作用是用其确定相似判据。

量纲分析法的规律有以下几条。

(1)2个物理量相等,不仅要求其数值相同,也要求它们的量纲相同。

(2)2个同量纲参数的比值是无量纲参数。

(3)在1个物理过程中,若有n个物理参数,m个基本量纲,则可组成n一m个独立的无量纲参数组合。

(4)在1个物理方程式中,等式两边的量纲必须相同,这个物理方程的量纲均衡性是量纲分析的基础。

5)相似要求

模型和原型的相似要求主要有5个方面,分别是:

(1)几何相似。对于三向应力状态下的结构模型,各方向的几何尺寸应保持相似;而对于二向应力状态,则只需要求平面尺寸保持几何相似,厚度就不一定要求几何相似。

(2)边界条件相似。模型和原型的支承条件、支承位置等均应保持相同或相似。

(3)物理参数相似。模型与原型的荷载性质、大小等都应满足相应的相似

要求,而作用方向则应完全相同。

(4)时间相似。在动力模型试验中,随时间变化的过程,每一刻都对应着某些物理量,因此必须保持时间比例不变的关系。

(5)初始条件相似。在常温的静态应力试验时,只要求几何相似,边界条件和荷载相似;而在动应力和温度应力下的模型试验,则主要要求初始条件和时间的相似。

6)模型试验材料

在结构模型试验研究中,模型材料的选择非常重要。一般应根据模型的比例、材料特性以及所加荷载特点和试验研究的方向等确定。对于局部受力模型,一般需研究原型的破坏特点,且由于几何缩尺可做大一些,模型尺寸可相对较大,容易而且必须用实际高架桥材料制作。对于研究极限承载力或整体(局部)稳定性的模型而言,所选模型材料其本构关系则应尽量接近或同实际高架桥有一定程度相似性。

7)模型试验依据的条件

高架桥结构模型试验研究应依据的条件有3个,分别是:

(1)应变相等,即模型和实际高架桥保持应变相等。

(2)应力相等,即模型和实际高架桥保持应力相等。

(3)应变或应力保持一定的比例关系,即介于应变相等和应力相等之间。

3.1.2物理模型设计原则口.2]

1)静力结构模型设计

(1)线弹性模型设计。线弹性性能是工程结构的主要性能之一。不论采用何种结构类型,当结构的应力水平较低时,结构的性能都可以用线弹性理论描述。按照线弹性理论,结构所受荷载与结构产生的形变以及应力之间均为线性关系。对于由同一种材料组成的结构,影响应力大小的因素有荷载F、结构几何尺寸L和材料的泊松比v,于是,应力表达式可写为0=f(F,L,v)(3-1)通过量纲分析有

L20=0(0)(3-2)由上式可知,线弹性结构的相似条件为几何相似、荷载相似、边界条件相同,不要求胡克定律相似,但要求泊松比相似,即设计线弹性模型时,要求

S,=学(3-4)

(2)非线性结构模型设计。工程结构可能出现两类典型的非线性现象。一类是由材料的应力-应变关系为非线性关系所引起,称为材料非线性。例如,钢筋混凝土结构的强度模型一般具有材料非线性特征。另一类是由于结构产生较大的变形或转动使结构的平衡关系发生变化而引起,称为几何非线性。例如,大跨径悬索桥中悬索的受力特性具有几何非线性特征。两种非线性的共同之处是它们都使得结构荷载与结构变形之间为非线性关系。但对于几何非线性的结构,结构的应力和应变之间可以保持线性关系。对于这种情况,应力与荷载、结构尺寸、材料弹性模量以及泊松比有关,于是,应力表达式为0=f(F,E,L,v)(3-5)通过量纲分析,可将包括5个物理量的基本方程转化为包含3个无量纲乘积x1T2x。的关系式

与=0(告E,0)(3-6)或写成xm=9(2,Tm)(3-7)

这就是考虑几何非线性的弹性结构模型的相似判据方程。为了求得原型结构的应力,模型结构应与原型结构几何尺寸相似、荷载相似、边界条件相同。

模型与原型应满足下列相似关系

(e)=(距)。,w=(3-8)由以上分析可以知道,采用原型相同材料制作的模型,可以模拟原型结构线弹性阶段和几何非线性弹性阶段的受力性能。

2)钢筋混凝土强度模型设计

钢筋混凝土结构的承载能力很大程度上取决于混凝土和钢筋的力学性能。

当缩尺比例较大时,由于材料特性与其构成尺寸密切相关,钢筋混凝土强度模型很难做到完全相似的程度。而模型设计的成功与否主要取决于材料特性的相似设计。

对钢筋混凝土强度模型材料的选用有较严格的相似要求。理想的模型混凝土和模型钢筋应与原型结构的混凝土和钢筋之间满足下列相似要求。

(1)混凝土受拉和受压的应力-应变曲线几何相似;(2)在承载能力极限状态,有基本相似的变形能力;

(3)多轴应力状态下,有相同的破坏准则;

(4)钢筋和混凝土之间有相同的粘结滑移性能;

(5)相同的泊松比;

(6)钢筋混凝土结构强度模型的相似常数如表3-1所示。

表3-1钢筋混凝土强度模型的相似要求

表3-1钢筋混凝土强度模型的相似要求

3)砌体结构强度模型设计

与混凝土结构相似,砌体结构的性能也与构成尺寸有密切的关系。砌体结构的缩尺模型试验能否反映原型结构的主要性能,关键问题是模型砌体结构中的块体和灰缝如何模拟。在原型结构中,普通黏土砖的尺寸为53mm×115mm×

240mm,水平灰缝厚度为10mm。20世纪50年代,国外有人曾经研究采用最小到1/10比例的模型砖砌筑的砌体结构性能,但一般认为模型砌体结构的最大缩尺比例不宜超过4,也就是采用1/4比例的模型砖。模型砖的长度为60mm,大多采用原型砖经切割加工而成。

4)动力结构模型设计

与静力性能相比,结构动力性能的差别主要因结构本身的惯性作用所引起。因此,结构动力模型的设计应仔细考虑与时间相关的物理量的相似关系。动力模型的相似要求如表3-2所示。

表3-2动力模型的相似要求

表3-2动力模型的相似要求

3.1.3物理模型试验内容与试验方法高架桥以及其他建(构)筑物拆除爆破工程的模型试验是为爆破设计服务的,与其他领域物理模型试验相比,具有显著特殊性。结合城市高架桥爆破拆除的技术要求,模型试验的研究内容主要包括爆破参数选取、运动塌落过程分析、有害效应形成与传播规律研究和安全防护措施制定等方面。

3.1.3.1墩柱爆破参数试验

1)试验目的

高架桥的主要承重构件为桥墩结构,高架桥爆破拆除时必须通过破坏桥墩的承载能力,使其整体失稳塌落,因此桥墩的爆破效果是整个高架桥成功爆破的关键和核心。

但是,与常规的建筑物立柱相比,高架桥结构的墩柱无论是在荷载特征上,还是结构形式上,都更为复杂。例如,每跨桥体一般由2个或4个桥墩共同承载,其荷载达到几十吨至几百吨,比房屋建筑立柱承受荷载大得多。而桥墩结构形式则有实体墩、空心桥墩、柱式桥墩、框架墩等多种结构形式和断面形状,同时其体积大,含筋量高,与房屋建筑物立柱结构相比差异极大。不仅如此,每个桥墩都有其不可替代的作用,在房屋建筑中由于其荷载均匀的分散在若干根立柱中,其单根立柱的破坏往往不会导致建筑物的整体失稳,因此在房屋建筑爆破些拆除过程中,可通过对现场单根立社的试爆获取合理的爆破参数。但是,嘉解桥城柱一旦破坏失稳,就可导致桥聚的局部基至全部失稳,诱发重大安全事故。

富精所述人高架桥散柱提破会数的确定是整个爆破拆除工程成功与否的关黑熟果州大结的案杂多样,金发造取真用要成的经费公式,注往与合温氨数存在较大偏差,达不到预期爆破效果,存

重大安全隐患。因此,通过墩柱爆破

高器料留熟单陈极购定年药单耗、地孔参数、我药编构等爆破会数和安生婴票的防护形式十分必要。

2)试验模型

根据墩柱的结构特征,同时

儿何相似比进行模型制作”一被状态。因此,宜选取有代表性桥墩,以1:1的模型试验中,桥墩的钢筋、混凝土

力求与原型一致,而对结构承教为和表念就一志要组成部分的材料力学性能应等细部结构可简化处理。致刀利爆破效果影响较小的局部构造、附属结构独立墩柱模型上部没有原桥梁荷载,按相但是,上部荷载对墩柱的爆破破碎效果影食一理论,不符合荷载相似要求。墩柱进行模型试验得到的爆破参数是可靠的。小,因此采用上部无荷载的独立模型的制作应按原施工图设计进行,并进行标准养基本一致时方可进行试验。模型制作时可在活出然提意护,待强度与结构原型药,省去钻孔环节。一mIF期则在适当的部位预留炮孔,便于后期装3)试验方案

e公式和工租经检进行测感会成初法,就概型”经点能通度后进行试爆。

购醛不品签新利应时相园的雷管和炸动进行测感,以便同时检金的康破器材的性能和可靠度。

试验时还应同时对爆破飞石和冲击波防!

试验过程中应采用多种测试字以外地:”力措施的有效性进行验证。

测试,如超动态应变测试、爆破振动和噪高品那新过程和结构的动力响应进行

3.1.3.2单跨失稳塌落过程试验

1)试验目的

然市超大型高架桥规横大,影响范围广,安全或数值模拟等手段往往不能满足工程要求,只需恶求严。目前采用经验公式装求,很难确保工租的安全实地。证为了获得桥梁整体失稳和塌落运动特征,确定桥墩合理的爆破高度,预测触地冲击力和振动荷载并检验整体防护的可靠性,进行1:1单跨模型失稳塌落过程试验具有重要意义。

2)试验模型

在进行单跨结构的失稳塌落过程试验时,如有条件宜采用1:1的相似比进行试验,可更好的模拟实际的爆破状态。也可根据试验目的和要求对模型进行简化处理,如对上部荷载形式等内容进行简化处理。但当实验的目的主要是考察上部结构的动力响应和受力状态时则应严格按照1:1进行模型制作。模型制作时其材质和强度应尽可能与结构原型保持1:1的相似比。

模型的制作应按原施工图设计进行,桥墩制作完成后进行上部结构的制作加工,对于细部结构或附属结构等对试验结果影响较小的部分可进行简化处理,对结构荷载则可采用沙袋堆载等方法进行近似处理。

3)试验方案

在模型达到设计要求时,可根据爆破方案进行试验。由于1:1模型体积庞大,制作难度大,试验成本高,模型不可重复利用,应尽量减少试验次数,以降低试验成本。因此,爆破方案和参数的设计应根据独立墩柱的试验结果、工程经验、理论分析和数值模拟结果谨慎选取,最终确定合理的爆破方案和爆破参数。

试验过程中应采用高速摄影、振动监测、应变测试等多种测试方式,试验内容包括桥梁整体失稳和塌落运动特征的分析研究、桥墩合理爆破高度的确定、触地冲击力和振动荷载大小测试以及合理起爆时差的选取。

爆破时应采用与实际爆破时相同的雷管和炸药进行爆破,以便同时检验爆破器材的性能和可靠度。

试验时还应同时对整体防护体系的有效性进行验证。

3.1.3.3爆破有害效应试验

1)试验目的

高架桥拆除爆破影响范围大,持续时间长,产生的有害效应多,例如爆破振动、触地振动、爆破飞石、空气冲击波、噪声、有害气体和粉尘等,若这些常害效应得不到有效控制,就会给周边的居民、企事业单位和邻近建(构)筑物器放安全和环境上的危害。因此,爆破有害效应监测与防护是城市超大型高架桥爆破拆除的核心和难题。

吸全体破拆除有害效应的预测和防护主要依赖于经验公式和相关案例的定公式是由若干次爆破试验和实践总结出来的,表达各不相同,性分析,这些经验

焦整狐大:产数凝养体路破工程都有事故发生。随着观测技术和计算机技术的发展,以及人们对安全的关注程度增高和各国越来越严格的安全和环保法规的出台,爆破拆除有害效应的预测和控制应走出过分依赖经验的老路,事前的爆破试验则是预测和控制有害效应的最可靠方法。但由于拆除爆破工程的特殊性。东识频除对象上进行模型试验安全风险较大,模型试验则是解决这一问题的有效途径。

2)试验模型

鼻干提破有害效应类型较多,应根据不同的类型分别进行试验模型的选择和制作。

黑品晶萋高其编机品。新国根破通发的话动主要有烟破破管诱发的振动和塌落触地诱发的振动,两种振动形成的机和特征差异较大,因此进行模型

试验时应分别进行爆破振动和触地振动试验。

动试验模型与单个墩柱试

验模型一致,即在进行单墩柱的爆破试验的同时应进爆破振动的测试。

(2)触地冲击试验模型。触地冲击试验模型与1:1的试验模型一致,即在爆破试验的同时进行触地冲击在最房廉体失稳塌落过程载及地下建构筑物响应测试。

编:器高豆邮奇等油味盛:的产都?生本草城见,烟应石、空气补击波、噪声和粉尘试验可与单个墩柱爆破和1:1年跨整体失稳塌落过程试验同时进行。

3)试验方案

(1)爆破振动试验。爆破振动试验时,算,应尽量选取与工程原型地质条件接近的区品就基程原型的爆破振动进行估规律。试验时应在试验区以外各方向上布置多各批加振动试验,以分析其衰减测。爆破振动衰减规律监测采用专业的爆破据先测食》,进行爆破振动速度的然证仪器的精度。监测采用的振动速度检波器应采用。,并事先进行校准,保测点时应布置足够的监测点,以保证能获得爆破据们无动速度传感器。布置监测部位同一测点一般布置一台三向速度化是意到购”工级和振动衰减规律。平径向和水平切向的振动),用石膏固定在所需监测的部心时测量竖直向、水相连。爆破振动信号传递到测点时,自记仪自动记景代兴,然后将自记仪与其将自记仪与其

的爆破振动分析软件将自记仪采集到的振动信号输人民餐后利用专门编制处理如入电脑中,进行存储与分状

爆破后,应通过电脑和仪器读取振动数据和波形,诺而,峰值质点振动速度(PPV)和时间,进行频谱分析。一”读取各测点三个方向的爆破地震波衰减与爆源参数和场地条件有关,因此应进行振动衰减规律的分析,通过计算得到待定系数,而副下用萨道夫斯基公式处的振动速度。调测工程原型在备控制是

(2)触地冲击试验。对触地冲击荷载进行试验时,亦应尽量选取与工程原型地质条件接近的区域进行。试验时为获得触地冲击荷载应在土体中预先埋设动土压力传感器,并要求传感器有一定的埋设深度和量程,为保证能获得数据应在塌落方向上布置一条测线,每测线布置若干测点,各测点宜布置两个传感器,保证能获得数据。

分析触地冲击作用下地下建(构)筑物结构的动力响应问题时,应事先在塌落范围内埋设或建造地下建(构)筑物,并在建(构)筑物的应力集中或易损部位埋设相应的监测仪器,如土压力传感器、动应变传感器、变形监测测点等。

爆破后,应通过仪器和电脑读取仪器数据,分析各测点的压力、应力和应变、变形特征,并与其安全判据进行对比分析,获得服务于工程原型的数据。

(3)爆破飞石、空气冲击波、噪声和粉尘试验。爆破飞石、空气冲击波、噪声和粉尘试验可与单个墩柱爆破和1:1单跨整体失稳塌落过程的试验同时进行。可分别在距离爆源不同位置区域设置冲击波、噪声和粉尘监测仪器,获得各爆破有害效应的传播规律。

爆破有害效应一般都具有其客观规律,因此爆破试验的成功与否要根据其规律进行有害效应形成和传播规律的分析,在此基础上再根据《爆破安全规程

(GB6722-2003)的要求对其进行危害评价,并以此为依据对工程原型的有害效应及其防控措施进行研究。


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