橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究

橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究

橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究是橋梁專業(yè)人員在確定和探索復(fù)雜橋梁的結(jié)構(gòu)壓力時(shí)的重要手段。早在1755年,德國工程師格萊伯曼為了在萊茵河上修造木橋,首先使用模型試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。1829年,法國科學(xué)家柯西用模型試驗(yàn)研究了梁和板的振動(dòng)問題;1846年,英國羅伯特·斯坦福森等為設(shè)計(jì)不列顛橋進(jìn)行了1∶6的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)。我國于20世紀(jì)50年代至60年代間,逐漸開始了橋梁結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)研究。對(duì)于復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu),則是由大橋局橋科院率先開始進(jìn)行試驗(yàn)研究,并于70年代初期對(duì)我國首座最大跨度的簡支鋼桁梁橋進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的目的是為結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)和結(jié)論的主要手段,也是檢驗(yàn)數(shù)值理論和解析理論正確性的主要依據(jù)。試驗(yàn)所采用的模型,是仿照實(shí)際結(jié)構(gòu)按一定的相似關(guān)系復(fù)制而成,它具有實(shí)際結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。只要設(shè)計(jì)的模型滿足相似條件,則通過模型試驗(yàn)所獲得的結(jié)果可以直接推算到相似的原型結(jié)構(gòu)上去。1模型相似常化因素相似定理有3個(gè),分別稱為相似第一定理、相似第二定理和相似第三定理。分別表述如下:(1)凡彼此相似的現(xiàn)象,必定具有數(shù)值相同的相似準(zhǔn)則。(2)凡具有同一特性的現(xiàn)象,當(dāng)單值條件彼此相似,且由單值條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)則在數(shù)值上相等,則這些現(xiàn)象必定相似。(3)當(dāng)一現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來表示,且這些物理量中含有m個(gè)基本量綱時(shí),則能得到(n-m)個(gè)相似準(zhǔn)則。描述這一現(xiàn)象的函數(shù)關(guān)系式,可表示成(n-m)個(gè)相似準(zhǔn)則間的函數(shù)關(guān)系式。模型設(shè)計(jì)是模型試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。模型的設(shè)計(jì)不僅僅是確定模型的相似比,而應(yīng)綜合考慮各種因素,如模型的類型、材料、制作條件以及試驗(yàn)條件,確定出適當(dāng)?shù)奈锢砹康南嗨瞥?shù)。所包含的物理量有:(1)結(jié)構(gòu)幾何尺寸l;(2)結(jié)構(gòu)上靜荷載,包括集中力P和均布荷載q;(3)結(jié)構(gòu)反應(yīng),包括撓度δ、應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)?(4)材料性能,包括彈性模量E和泊松比ν。結(jié)構(gòu)靜力狀態(tài)用一般的函數(shù)形式表示為:f(l,P,q,δ,σ,ε,E,ν)=0(1)采用量綱分析法,則π函數(shù)的一般形式為:π=laPbqcδdσeεfEgνh(2)根據(jù)各個(gè)物理量的量綱,列出量綱矩陣:物理量個(gè)數(shù)n=8,基本量綱個(gè)數(shù)k=2,此按π定理列出π矩陣:進(jìn)而得出相似準(zhǔn)數(shù):π1=ΡEL2?π2=qEL?π3=δL?π4=σE?π5=ε?π6=νπ1=PEL2?π2=qEL?π3=δL?π4=σE?π5=ε?π6=ν(5)將(5)式寫成相似準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)方程,則為:?(ΡEL2?qEL?δL?σE?ε?ν)=0(6)根據(jù)相似第三定理,由單值條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)數(shù)相等,故模型中的現(xiàn)象必然與原型中的現(xiàn)象相似。對(duì)于該靜力學(xué)相似現(xiàn)象,在模型設(shè)計(jì)中若能滿足下列相似條件:qmEmlm=qpEplp?ΡmEml2m=ΡpEpl2p?νm=νp(7)則必然有如下試驗(yàn)結(jié)果相似條件成立:δmlm=δplp?σmEm=σpEp?εm=εp(8)根據(jù)相似理論和實(shí)際情況確定合理的相似比,對(duì)于研究極限承載力或整體(局部)穩(wěn)定性的模型而言,所選模型材料其本構(gòu)關(guān)系應(yīng)盡量接近或與實(shí)橋有一定程度相似的材料。2有限元分析的應(yīng)用采用橋梁分析專用軟件對(duì)原型橋進(jìn)行靜力分析,根據(jù)程序計(jì)算所得的內(nèi)力及位移包絡(luò)圖,按模型橋相似原理確定模型橋控制截面位置及加載工況。建立用于分析計(jì)算的有限元數(shù)學(xué)模型,是全橋結(jié)構(gòu)分析的重要步驟。通常采用通用有限元程序或者專業(yè)橋梁軟件建立有限元模型。對(duì)于不同的構(gòu)件受力特性及構(gòu)件厚度的不同,需采用不同類型的單元來模擬橋梁結(jié)構(gòu),包括桿單元、板殼單元、三維實(shí)體單元等。按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆虻目臻g位置、尺寸、材料特性、連接形式、荷載作用形式,進(jìn)行全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)計(jì)算與分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。然后依據(jù)此模型,在試驗(yàn)過程中對(duì)關(guān)鍵部位的受力情況進(jìn)行對(duì)比,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常情況。3模型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3.1模型類型、幾何相似常數(shù)及幾何尺寸模型設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下程序:(1)根據(jù)委托方的要求及研究目的,選擇模型類型;(2)根據(jù)原型規(guī)模及加載能力和經(jīng)濟(jì)等各種因素,確定幾何相似常數(shù)CL,定出模型的幾何尺寸;(3)根據(jù)相似條件定出各相似常數(shù);(4)繪模型加工、測點(diǎn)布置及載荷布置圖。3.2型與實(shí)型面積成比例原則在模型設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意的是,對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu),尤其是鋼結(jié)構(gòu)的有些構(gòu)件,由于其壁厚很小,若按比例減小則更薄,甚至薄到無法加工。因此,如果這類桿件主要是受拉、壓作用(如主桁腹桿等),可考慮用模型與實(shí)型面積成比例的原則來設(shè)計(jì),這樣就可以自由選擇模型板厚,使之滿足加工要求。如果是受彎桿件,則桿件應(yīng)力僅與截面慣性矩有關(guān)。因此,只要保持桿件的模型與原型各部分的慣性矩相似就可以。這兩種情況的換算公式如下:(1)面積相似:應(yīng)力:σΡ=ΡΡΡΜ?FΜF(xiàn)Ρ?σΜ(9)應(yīng)變:σΡ=ΡΡΡΜ?EΜ?FΜEΡ?FΡ?σΜ(10)位移:ΔΡ=ΡΡΡΜ?EΜ?FΜEΡ?FΡ?lΡlΜ?ΔΜ(11)(2)慣性矩相似:應(yīng)力:σΡ=ΜΡΜΜ?JΜJΡ?lΡlΜ?σΜ(12)應(yīng)變:σΡ=ΜΡΜΜ?EΜ?JΜEΡ?JΡ?lΡlΜ?σΜ(13)位移:ΔΡ=ΡΡΡΜ?EΜ?JΜEΡ?JΡ?l3Ρl3Μ?ΔΜ(14)3.3混凝土梁的制作模型制作是一個(gè)復(fù)雜的過程,一般在具有加載條件、齊全設(shè)備的試驗(yàn)室進(jìn)行。在制作模型時(shí),要求確保連接的可靠、細(xì)部尺寸的滿足、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的正確放置、與設(shè)計(jì)圖紙較為吻合的施工,以保證每個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量。以普通鋼筋混凝土梁為例,其制作流程一般為:(1)準(zhǔn)備工作,購買制作模型用材料。(2)搭設(shè)支架,制作底板模板。(3)綁扎底板鋼筋。(4)制作模型梁內(nèi)模。(5)綁扎橫隔板鋼筋,定位內(nèi)模。(6)澆注底板和橫隔板混凝土。(7)制作頂板模型、定位,綁扎頂板鋼筋,澆注頂板混凝土。(8)按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù),待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,拆除內(nèi)模。在混凝土澆注之前,注意要將需粘貼或者綁扎的應(yīng)變片和應(yīng)變計(jì)埋入,并做好標(biāo)記。4靜載試驗(yàn)結(jié)果和加載根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行模型試驗(yàn),確定不同工況的具體試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)前,可將人員分成幾個(gè)小組,各小組負(fù)責(zé)不同的任務(wù),如加載、測量、記錄等,以保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。正式加載前,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行兩次預(yù)壓,靜載試驗(yàn)中將開裂荷載上限值的20%作為預(yù)加荷載,以消除加載系統(tǒng)各部分的間隙,檢驗(yàn)加載系統(tǒng)及觀測儀表工作是否正常等。預(yù)壓加載分兩級(jí)加完,然后分兩級(jí)卸載至零,每加(卸)一級(jí)停10min。試驗(yàn)開始后,按照加載工況分別加載,詳細(xì)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中,要密切觀測模型各關(guān)鍵部位的狀態(tài)變化,并根據(jù)試驗(yàn)要求和目的,記錄每個(gè)工況每級(jí)荷載的測點(diǎn)數(shù)據(jù)。加載程序見圖1。5計(jì)算模型的修改。根據(jù)測定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算為了確定有限元模型與目前結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)間的差別,先計(jì)算出有限元模型在各個(gè)工況下的靜力反應(yīng)和動(dòng)力特性,將其與實(shí)測結(jié)果相比較,找出差別并分析原因,然后修改模型,計(jì)算修改后的模型,再與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。這樣重復(fù)數(shù)次,直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近為止。計(jì)算模型既作為與實(shí)際狀態(tài)比較的標(biāo)準(zhǔn),又是對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修改時(shí)循環(huán)計(jì)算的初值。按照不同工況對(duì)理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,一般情況通過表格或曲線對(duì)比,得到規(guī)律性或判斷性的結(jié)論。6橋梁模型試