力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教材-拱橋

1、力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教材-拱橋一、橋梁概述1、梁式橋是一種在豎向荷載作用下無(wú)水平反力的結(jié)構(gòu)。由于外力（恒載和活載）的作用方向與承重結(jié)構(gòu)的軸線接近垂直，故與同樣跨徑的其它結(jié)構(gòu)體系相比，梁內(nèi)產(chǎn)生的彎矩最大，通常需用抗彎能力強(qiáng)的材料（鋼、木、鋼筋混凝土等）來(lái)建造。梁式橋還可分為：簡(jiǎn)支梁橋、懸臂梁橋、連續(xù)梁橋和連續(xù)鋼構(gòu)橋等。 簡(jiǎn)支梁橋由一根兩端分別支撐在一個(gè)活動(dòng)支座和一個(gè)鉸支座上的梁作為主要承重結(jié)構(gòu)的梁橋。屬于靜定結(jié)構(gòu)。是梁式橋中應(yīng)用最早、使用最廣泛的一種橋形。其構(gòu)造簡(jiǎn)單，架設(shè)方便，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受地基變形，溫度改變的影響。 連續(xù)梁橋兩跨或兩跨以上連續(xù)的梁橋，屬于超靜定體系。連續(xù)梁在恒活載作用下，產(chǎn)生的支點(diǎn)負(fù)彎矩

2、對(duì)跨中正彎矩有卸載的作用，使內(nèi)力狀態(tài)比較均勻合理。它具有接縫少、剛度好、行車平順舒適等優(yōu)點(diǎn)，在30-120m跨度內(nèi)常是橋型方案比選的優(yōu)勝者。 剛構(gòu)連續(xù)梁和連續(xù)梁的最基本區(qū)別就是前者把支座去掉，轉(zhuǎn)而換成柔性薄壁墩與上部結(jié)構(gòu)剛結(jié)，二者一起協(xié)同變形。通過(guò)柔性墩的變形來(lái)吸收上部結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的能量。2、拱式橋拱式橋的主要承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋。這種結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，橋墩或橋臺(tái)將承受水平推力。同時(shí)，這種水平推力將顯著抵消荷載所引起在拱圈(或拱肋)內(nèi)的彎矩作用。因此，與同跨徑的梁相比，拱的彎矩和變形要小得多。鑒于拱橋的承重結(jié)構(gòu)以受壓為主，通常就可用抗壓能力強(qiáng)的圬工材料(如磚、石、混凝土)和鋼筋混

3、凝土等來(lái)建造。拱橋的跨越能力很大，外形也較美觀，在條件許可的情況下，修建拱橋往往是經(jīng)濟(jì)合理的。上承式拱橋拱橋種類繁多，常見的有：圬工拱橋、箱型拱橋、雙曲拱橋、鋼架拱橋、桁架拱橋、肋拱橋、桁式組合拱橋和斜腿鋼架拱橋等。根據(jù)拱橋的不同承載方式，還可分為：上承式橋梁、下承式橋梁、中承式橋梁。 上承式拱橋橋面系設(shè)置在拱圈之上的拱橋。優(yōu)點(diǎn)是橋面系構(gòu)造簡(jiǎn)單，拱圈與墩臺(tái)的寬度較小，橋上視野開闊，施工方便；缺點(diǎn)是橋梁的建筑高度大，縱坡大和引橋長(zhǎng)。一般用在跨度較大的橋梁。 中承式拱橋橋面系設(shè)置在拱肋中部的拱橋。建筑高度限時(shí)，可以采用中承式拱橋滿足橋下凈空，在不等跨的連續(xù)拱橋中為了平很左右墩的水平推力，將較大跨境

4、的一空矢跨比加大做成中承式拱橋可以減小大跨的水平推力。同時(shí)可以滿足景觀與美學(xué)要求。中承式拱橋缺縱梁，致使橫梁順橋向不斷扭轉(zhuǎn)，可致吊桿疲勞斷裂。施工中很難控制 下承式拱橋橋面系設(shè)置在拱圈之下的拱橋。優(yōu)點(diǎn)是橋梁建筑高度很小，縱坡小，可節(jié)省引道長(zhǎng)度；缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜，拱肋施工麻煩。一般用于地基差的橋位上。在豎向荷載作用下拱腳對(duì)墩臺(tái)無(wú)水平推力作用的拱橋。其推力由剛性梁或柔性桿件承受 。 3、懸索橋用懸掛在兩邊塔架上的強(qiáng)大纜索作為主要承重結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，通過(guò)吊桿使纜索承受很大的拉力，通常就需要在兩岸橋臺(tái)的后方修筑非常巨大的錨碇結(jié)構(gòu)。懸索橋也是具有水平反力(拉力)的結(jié)構(gòu)。懸索橋錨錠基礎(chǔ)矮寨大橋懸索橋

5、的優(yōu)點(diǎn)是自重輕，但結(jié)構(gòu)的剛度差，在車輛動(dòng)荷載和風(fēng)荷載作用下，橋有較大的變形和振動(dòng)。 現(xiàn)代的懸索橋上，廣泛采用高強(qiáng)度的鋼絲成股編制的鋼纜，以充分發(fā)揮其優(yōu)異的抗拉性能，因此結(jié)構(gòu)自重較輕，就能以較小的建筑高度跨越其它任何橋型無(wú)與倫比的特大跨度。懸索橋的另一特點(diǎn)是：成卷的鋼纜易于運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件輕，便于無(wú)支架懸吊拼裝。 4、斜拉橋由斜索、塔柱和主梁所組成。用高強(qiáng)鋼材制成的斜索將主粱多點(diǎn)吊起，并將主梁的恒載和車輛荷載傳至塔柱，再通過(guò)塔柱基礎(chǔ)傳至地基。這樣，跨度較大的主梁就象一根多點(diǎn)彈性支承(吊起)的連續(xù)梁一樣工作，從而可使主梁尺寸大大減小，結(jié)構(gòu)自重顯著減輕，既節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料，又大幅度地增大橋梁的跨越

6、能力。 與懸索橋相比，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度大，即在荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小得多，且其抵抗風(fēng)振的能力也比懸索橋好，這也是在斜拉橋可能達(dá)到大跨度情況下使懸索橋遜色的重要因素。5、組合梁橋根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，由幾種不同體系的結(jié)構(gòu)組合而成的橋梁稱為組合體系橋。 湘潭蓮城大橋二、橋梁模型試驗(yàn) 橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中所指的模型是仿照原型（真實(shí)結(jié)構(gòu)、按一定的比例如1/10、1/50、1/100復(fù)制而成代表物，它具有原型全部特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到與原型相似的工作情況，從而對(duì)原型結(jié)構(gòu)的工作性能和研究和了解。模型試驗(yàn)方法，在歷史很久以前就使用過(guò)。但系統(tǒng)的科學(xué)方法來(lái)制作模型和進(jìn)行模型試驗(yàn)是近幾年的事。特別是這樣的

7、方法日益廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)及其他各種工程研究，成為科學(xué)研究者和設(shè)計(jì)工作者對(duì)橋梁機(jī)構(gòu)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，同時(shí)模型試驗(yàn)已在近幾年來(lái)迅速發(fā)展，從介紹量級(jí)分析法以后開始的。測(cè)量級(jí)數(shù)以及適合模型的材料發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)模型試驗(yàn)起到迅速發(fā)展和積極促進(jìn)作用。 用于橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的模型，其幾何尺寸一般比原型小的很多，可以在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。因此來(lái)用模型試驗(yàn)可以節(jié)省勞力和時(shí)間，以便進(jìn)行測(cè)試，也能避免許多干擾（風(fēng)吹、雨淋、日曬、濕度變化等等），增加了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度。模型試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)1.代替大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)或作為大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)輔助試驗(yàn)。許多受力復(fù)雜體積龐大構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，有時(shí)難以進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又由于承受荷很大，作不到破壞試驗(yàn)，又加上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

8、的條件復(fù)雜，影響因素較多，不容易測(cè)得準(zhǔn)確結(jié)果，因此考慮用模型試驗(yàn)代替。 2.提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。當(dāng)受力復(fù)雜時(shí)，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能進(jìn)一步了解，核算設(shè)計(jì)計(jì)算方法，修改設(shè)計(jì)中局部弱點(diǎn)，比較設(shè)計(jì)方案，選用最合理的結(jié)構(gòu)型式。 3.通過(guò)系統(tǒng)的模型試驗(yàn)，可以為某一結(jié)構(gòu)計(jì)算理論提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。通過(guò)模型試驗(yàn)與原型試驗(yàn)可相互配合取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)確定新型復(fù)量結(jié)構(gòu)使之設(shè)計(jì)更為合理。另一方面也必須慎重，一般模型與原型應(yīng)相似。模型的制作 相似理論：研究自然界相似現(xiàn)象的性質(zhì)和鑒別相似現(xiàn)象的一門科學(xué)。具體到我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型之間，存在包括幾何尺寸、截面幾何特性、材料特性、荷載作用、截面內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移及支撐條件等相似關(guān)系

9、。概括起來(lái)，在進(jìn)行靜力模型設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足下列三方面的相似條件：幾何條件、物理?xiàng)l件和邊界條件相似。相似關(guān)系 相似指標(biāo)/相似判據(jù)：兩個(gè)相似現(xiàn)象，它們的各個(gè)相似常數(shù)之間必須滿足一定的相似關(guān)系。 相似原理相似第一定理：“彼此相似的現(xiàn)象，其同名相似準(zhǔn)則的數(shù)值相同?！?相似第一定理又可表述為：彼此相似的現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1。彼此相似的物理現(xiàn)象必須服從同樣的客觀規(guī)律，若該規(guī)律能用方程表示，則物理方程式必須完全相同，而且對(duì)應(yīng)的相似準(zhǔn)則必定數(shù)值相等。表述了相似現(xiàn)象的性質(zhì)。參與兩個(gè)現(xiàn)象中對(duì)應(yīng)同名物理量之間有固定比例常數(shù)。相似判據(jù)相等是相似的必要條件。相似第二定理：“現(xiàn)象的各物理量之間的關(guān)系，可以化為各相似準(zhǔn)則之間

10、的關(guān)系?！狈餐活愇锢憩F(xiàn)象，當(dāng)單值條件相似且由單值條件中的物理量組成的相似準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)相等時(shí)，則這些現(xiàn)象必定相似。相似判據(jù)的確定。相似原理相似第三定理：“如兩個(gè)現(xiàn)象的單值條件相似，而且由單值量組成的同名相似準(zhǔn)則數(shù)值相同，則這兩個(gè)現(xiàn)象相似?！毕嗨频谌ɡ砻鞔_了模型滿足什么條件、現(xiàn)象時(shí)才能相似，它是模型試驗(yàn)所必須遵循的法則?，F(xiàn)象相似，除了滿足幾何相似，有相同物理關(guān)系表達(dá)式及判據(jù)相等外，還要求能唯一確定這一現(xiàn)象（如邊界條件、初始條件）的條件也必須相似 單值條件相似+同名相似準(zhǔn)則相同現(xiàn)象相似模型與原型相似條件： （1） 模型材料的比重必須等于原型材料比重 （2） 彈性模量必相似， （3） 模型與原型應(yīng)力條

11、件相似而且材料必相同 模型材料的選擇： 首先正確了解材料的性質(zhì)及其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，是成功完成模型試驗(yàn)的先決條件，模型材料關(guān)系。正確選擇材料是模型試驗(yàn)基礎(chǔ)。 1. 選擇模型實(shí)驗(yàn)材料原則 a. 保證試驗(yàn)要求：必須滿足設(shè)計(jì)中的相似準(zhǔn)數(shù)。可以把模型的物理量換算成原型的物理量。 b. 保證測(cè)試要求：即能產(chǎn)生足夠的變形，使測(cè)量?jī)x表有足夠的讀數(shù)，因此模型材料的彈性模量要適當(dāng)?shù)托?c. 保證制作方便，易于加工，價(jià)格便宜。 2. 模型試驗(yàn)注意的問(wèn)題a. 模型尺寸：要求一般制作的誤差都以相對(duì)誤差來(lái)表示，由于模型尺寸較小所以相應(yīng)地要較嚴(yán)格的誤差限制。 b. 試驗(yàn)材料性能的測(cè)定如應(yīng)力、應(yīng)變、泊松比、抗阻強(qiáng)度等 c

12、. 實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如溫度、濕度要穩(wěn)定，變化不超1 d. 荷載選擇：事先比較詳細(xì)計(jì)算，用什么方法加，如千斤頂或砝碼、鐵塊等這些重物必須事先指定和認(rèn)真檢查重量。 e. 變形的測(cè)量：精度要求較高的點(diǎn)如用電測(cè)貼電阻片或千分表量測(cè)（精度必須足夠）實(shí)驗(yàn)的模型設(shè)計(jì)圖4 拱橋原型圖參數(shù)矢高跨度寬度原橋m24.912525模型m0.4982.50.5表1. 原形與模型的主要尺寸 圖6 主拱肋截面圖(a)厚度3mm(b)厚度2mm圖7 主拱橫撐截面圖(a)厚度1mm(b)厚度1mm（1）（2）相似常數(shù) （3）（4）（5）相同材料 （6）由(1)與（6）相比 （7）模型： 原型： 三、橋梁測(cè)試1、應(yīng)變測(cè)試電測(cè)法靜載試驗(yàn)

13、儀器設(shè)備單向應(yīng)變 應(yīng)變片（貼好片不易、測(cè)值受環(huán)境溫度和濕度影響大、補(bǔ)償問(wèn)題） 鋼弦式應(yīng)變計(jì)（不易安裝、零點(diǎn)變化大、二次儀表專用） 弓形應(yīng)變計(jì)（敏感部位易塑性變形，測(cè)值誤差大）平面應(yīng)變 應(yīng)變片振弦式應(yīng)變計(jì)振弦式應(yīng)變計(jì) 應(yīng)變測(cè)量傳感器 混凝土構(gòu)件應(yīng)變測(cè)量 變形測(cè)試簡(jiǎn)支梁試驗(yàn) 連續(xù)連試驗(yàn) 施工過(guò)程中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)圖5 有限元模型 有限元計(jì)算比對(duì)圖8 橋面縱梁截面圖圖9 橋面橫梁截面圖(a)厚度1mm(b)厚度5mm(a)厚度1mm(b)厚度2mm圖10 拱上立柱截面圖圖11 橋墩截面圖(a)厚度1mm(b)厚度1mm(a)厚度1cm(b)厚度1cm實(shí)驗(yàn)加載方案 1. 橋梁荷載分類 永久荷載（恒載） 可變

14、荷載 永久荷載（恒載）是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的荷載。作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載，主要是結(jié)構(gòu)物的重力及附屬設(shè)備等外加重力 可變荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)其值隨時(shí)間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。 按其對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度，又分為基本可變荷載（活載）和其它可變荷載。 偶然荷載 基本可變荷載（活載）：車輛荷載、人群荷載、 汽車的沖擊力等 其它可變荷載：包括自然和人為產(chǎn)生的各種變化力，如風(fēng)力（風(fēng)荷載），汽車制動(dòng)力 、流水、雨雪等 偶然荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大，且持續(xù)時(shí)間很短的荷載。 主要是指地震荷載和船只或漂流物

15、的撞擊力。 2. 實(shí)驗(yàn)加載方案 對(duì)于橋梁靜力試驗(yàn)，測(cè)試荷載為恒載和可變荷載，恒載主要在施工建設(shè)過(guò)程中進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在橋梁驗(yàn)收時(shí)的靜力試驗(yàn)中，常以車輛荷載和人群荷載為主要荷載。 根據(jù)相關(guān)橋梁計(jì)算分析結(jié)果（影響線）確定測(cè)試工況，根據(jù)相關(guān)橋梁規(guī)范，確定加載方案。影響線：當(dāng)結(jié)構(gòu)上作用有沿結(jié)構(gòu)跨度移動(dòng)的單位集中荷載（P=1）時(shí)，用以表示確定的截面或位置上某一特定的受力效果（內(nèi)力、位移或支座反力）的變化規(guī)律的函數(shù)圖形（曲線），稱為該結(jié)構(gòu)在荷載作用下某一截面特定受力效果的影響線，簡(jiǎn)稱影響線。 2. 實(shí)驗(yàn)加載方案 對(duì)于橋梁靜力試驗(yàn)，測(cè)試荷載為恒載和可變荷載，恒載主要在施工建設(shè)過(guò)程中進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在橋梁驗(yàn)收時(shí)的靜力試驗(yàn)中，常以車輛荷載和人群荷載為主要荷載。 根據(jù)相關(guān)橋梁計(jì)算分析結(jié)果（影響線）確定測(cè)試工況，根據(jù)相關(guān)橋梁規(guī)范，確定加載方案。測(cè)試斷面/測(cè)試點(diǎn)位置：對(duì)于新型橋梁，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)確定危險(xiǎn)位置，從而確定要測(cè)試的具體位置，對(duì)于一般拱橋，為拱腳、拱頂和1/4跨位置。傳統(tǒng)加載方式：根據(jù)拱腳、拱頂和1/4跨截面的彎矩影響線、軸力影響線、剪力影響線以及撓度影響線布置活載（根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定） 根據(jù)公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范（2004），由于該橋原型寬25米，按4車道計(jì)算，大于2車道時(shí)，需要考慮橫向折減系數(shù)。由公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范可以查