CN110362891A - 一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法，包括以下步骤：步骤1：计算施工棚架的质量m ₁ ，测试棚架不同位置在相同荷载m _c g作用下的位移d _i ，其中i为测试点标号；步骤2：根据步骤1测试结果计算测试点刚度K _i ；步骤3：确定现场可能掉落的最大物体质量m ₀ ；步骤4：计算棚架可能受到的最大冲击力F _max ；本发明解决了施工棚架使用过程中冲击力无法确定、施工安全性无法保障的难题，使得施工棚架可以基于冲击力进行设计，使棚架结构更为科学合理。

Description

一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程，具体涉及一种桥梁施工棚架掉块冲击力的预测方法。

背景技术

大量的钢筋混凝土桥面板在长期服役后，由于车辆荷载、老化等原因，需要对桥面板进行修复或更换，以使桥梁继续使用。例如，由于混凝土桥面板的破坏，日本67％的钢桥需要更换其桥面板。在桥梁施工过程中，往往需要架设施工棚架，施工棚架是为工人施工、设备安放提供了工作平台。同时由于其防止重物直接掉落至桥下而保障了桥下交通运输的安全。由此可见，施工棚架对于桥梁维护起到了至关重要的作用。然而在工程中关于施工棚架的损伤及破坏屡见不鲜。根据相关文献，在棚架失效的案例中，有35％的棚架失效是由于冲击荷载引起的。冲击荷载产生于掉落的混凝土块、施工设备等重物。

其荷载大小将影响棚架的使用，棚架的失效，可能由于支撑构件，如梁、柱等的屈服，也可能由于面层的破坏。而施工棚架失效带来的后果是严重的。例如：施工人员的伤亡、施工设备的损坏，桥下车辆的阻滞，社会对基建的质疑等；因此对冲击荷载的预估是安全使用施工棚架的一个重要前提。

我国现行的《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)中并未对施工棚架冲击力提出计算公式；在《公路桥涵设计通用规范》(JTG/T D60-2015)中仅对汽车荷载产生的平面冲击力提出了计算公式，与施工棚架受到的竖向冲击力不同。欧洲规范中(BS EN 1991-1-7)给出了冲击力的计算公式：F＝v_r×(km)^0.5，其中v_r是冲击中物体的速率，k是物体的等效弹性刚度，m是碰撞物体的质量；但是该公式并未考虑施工棚架自身结构的差异，因此该公式得出的冲击力并不准确。材料力学中对冲击荷载的计算，假定了重物与被冲击构件一起运动，假定了冲击过程中没有能量损失，忽略了被冲击构件的质量，在这些假定下冲击力的计算过于理想化，与实际情况不符，因而其计算的冲击力不准确。

发明内容

本发明提供一种冲击力确定更加准确，施工安全性更高，考虑被冲击物质量及冲击过程共同振动的桥梁施工棚架掉块冲击力的预测方法。

本发明采用的技术方案是：一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法，包括以下步骤：

步骤1：计算施工棚架的质量m₁，建立有限元模型，得出棚架不同位置的柔度δ_i，其中i为测试点标号；

步骤2：根据步骤1的有限元分析结果计算测试点刚度K_i；

步骤3：确定现场可能掉落的最大物体质量m₀；

步骤4：计算棚架可能受到的最大冲击力F_max；

式中：ζ₁为无量纲常数，v₀为重物冲击棚架前的速度。

进一步的，所述K_i计算方法如下：

进一步的，所述ζ₁根据最小二乘法和冲击点测试结果确定。

本发明的有益效果是：

(1)本发明计算冲击力方法更加准确，解决了施工棚架使用过程中冲击力无法确定、施工安全性无法保障的问题；

(2)本发明使得施工棚架可以基于冲击力进行设计，使得施工棚架结构更为合理。

附图说明

图1为施工棚架位置示意图。

图2为施工棚架的平面结构示意图。

图3为本发明实施例中验证试验的冲击点布置图。

图4为本发明实施例中验证试验的最小二乘法分析图。

图5为本发明实施例中量化评价图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1为常见施工棚架所处的位置(其中表示位置即为施工棚架位置)，施工棚架包括横梁、纵梁及面层等，具体的结构如图2所示；传统计算方法中，通常根据动量定理，冲击力可由下式表示：

式中：m₀是力锤质量，t_d是冲击过程的时间，v₀和v₁分别为力锤撞击棚架前后的速度，由于当重物掉落时对施工棚架产生一个冲击力，在冲击过程中，重物与棚架共同振动；因此，t_d和v₁难以用理论方法得出，动量定理在预测冲击力的方法上有很大的局限性。

因此本发明中保留m₀v₀，同时v₁和t_d可以用棚架质量m₁、冲击点刚度K_i、重物质量m₀和冲击前的速度表示。

利用量纲分析法，m₁和m₀统一为m，因此在量纲分析法中上式中等式右边考虑四个参数：m、v、K和无量纲常数ζ₁，其中m、v、K单位分别为kg、m/s和N/m，等式左边考虑冲击力F，其单位为N。分析过程如下：

F＝ζ₁m^av^bK^c

根据等式左右相等得到，a＝0.5，b＝1，c＝0.5，因此冲击力公式如下：

如前所述，保留m₀v₀，且冲击力与棚架质量m₁有关，因此冲击力公式如下：

根据施工棚架所处的位置与施工桥面的距离，量取可能出现掉落重物的最大高度h；根据自由落体公式可以得出图2即为施工棚架的横纵梁结构，根据工程量表计算施工棚架的质量m₁，通过有限元分析计算棚架不同位置的柔度δ_i，本实施例中选取点的位置如图3所示。可以得出该位置的刚度为根据现场可能掉落的最大物体质量可以得出m₀；通过最小二乘法，根据实测结果可以得出无量纲常数ζ₁，从而根据上式计算棚架可能受到的最大的冲击力。

在南京长江大桥维护施工过程中，采用该方法对其施工棚架进行了最大冲击力的预测；如图3所示，对施工棚架按照横纵四等分布置冲击点，由于现场条件限制，对个别冲击点进行了移动。试验过程中采用质量为8.78kg的力锤，分别在高度为20cm、50cm、100cm的位置自由落体，在每个冲击点的同一高度至少3次冲击，记录其冲击力。如图4所示，根据测试结果，采用最小二乘法得出无量纲常数为7.40。对现场试验的冲击力与本发明预测的冲击力的比值，λ₁＝F_max,e/F_max进行分析，如图5所示。其概率分布服从均值为0.94，变异系数为0.11的正态随机变量，说明本发明的预测效果良好。

本发明方法验证了南京长江大桥维护施工棚架使用过程中的可承受的最大冲击力，使该棚架在使用过程中安全可靠；目前该棚架已经使用完成，并进行了拆除；说明本发明方法切实可行。

本发明以桥梁施工棚架的安全性为切入点，结合棚架自身结构特点，采用量纲分析方法，提出一种适用于桥梁施工棚架掉块冲击力的预测方法。填补了我国《公路桥涵施工技术规范》、《公路桥涵设计通用规范》的空白，相比于欧洲规范更为准确，解决了施工棚架使用过程中冲击力无法确定、施工安全性无法保障的难题，使得施工棚架可以基于冲击力进行设计，使棚架结构更为科学合理。

Claims (3)

1.一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算施工棚架的质量m₁，建立有限元模型，得出棚架不同位置的柔度δ_i，其中i为测试点标号；；

步骤2：根据步骤1中的有限元分析结果计算测试点刚度K_i；

步骤3：确定现场可能掉落的最大物体质量m₀；

步骤4：计算棚架可能受到的最大冲击力F_max；

式中：ζ₁为无量纲常数，v₀为重物冲击棚架前的速度。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法，其特征在于，所述K_i计算方法如下：

3.根据权利要求1所述的一种桥梁施工棚架掉块冲击力预测方法，其特征在于，所述ζ₁根据最小二乘法和冲击点测试结果确定。