CN111175068A - 一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法 - Google Patents

一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法 Download PDF

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CN111175068A CN202010112130.XA CN202010112130A CN111175068A CN 111175068 A CN111175068 A CN 111175068A CN 202010112130 A CN202010112130 A CN 202010112130A CN 111175068 A CN111175068 A CN 111175068A
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马亚飞
彭安银
张建仁
王磊
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Changsha University of Science and Technology
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Changsha University of Science and Technology
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    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01D11/00Suspension or cable-stayed bridges
    • E01D11/04Cable-stayed bridges

Abstract

本发明公开了一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法,其中用于斜拉桥典型损伤模拟的装置包括主梁系统、拉索系统、墩塔系统、荷载系统、测量系统五个子系统,主梁系统:用于模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;拉索系统:用于模拟斜拉索典型断索损伤工况;墩塔系统:用于固定主梁系统和拉索系统;荷载系统:用于提供不同的静力荷载工况;测量系统:用于测量拉索系统的索力、主梁系统中主梁的内力、主梁系统中主梁的刚度。本发明能有效获取典型损伤下斜拉桥的性能退化规律,且构造简单、操作灵活、受力明确,可适用范围广。

Description

一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法
技术领域
本发明属于桥梁试验装置技术领域,特别涉及一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法。
背景技术
斜拉桥是由主梁、索塔以及斜拉索等组成的超静定结构,在不利环境及外界荷载等因素影响下,一些构件会出现不同程度的损伤病害,如拉索腐蚀、主梁开裂等,结构性能退化机理和模型较一般桥型更为复杂。我国已建成了一大批斜拉桥,这些斜拉桥在使用过程中已积累了较多损伤,结构性能已有较大变化,一旦这些结构失效,将造成巨大损失。现有桥梁性能退化模型的研究多集中在材料和构件层次,损伤因素考虑较少。因此,如何考虑结构体系要求,基于全桥或节段模型试验,构建典型损伤下的斜拉桥性能退化模型具体重要意义。
在复杂桥型结构研究中,模型试验是一种成熟且有效的方法。模型试验通过相似理论原理建立目标结构的缩尺或等比实体模型,在模型上进行试验获取数据,以此反应实际结构的力学性能。目前,国内外的一些学者已经进行了桥梁模型的静力和动力试验研究,以检验正常施工或运营下全桥或关键节段的力学特性,对设计理论参数和计算进行验证。然而,现有模型对桥梁结构存在的典型损伤考虑较少,损伤工况的形式和位置较为单一,缺乏对实际桥梁结构中不同程度、不同位置处多种损伤工况的系统研究。
基于此,提出一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法,通过相似原理设计的模型可反映出原型结构的受力性能,通过模型试验反推原型结构的性能;该装置的主梁系统模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;拉索系统模拟斜拉索典型损伤工况;通过荷载系统提供不同的静力荷载,通过测量系统对索力变化等实现准确测量,以此获取在典型损伤下斜拉桥的性能退化规律。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述现有技术的不足,提供一种构造简单、操作灵活、受力明确、适用范围广的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置和方法。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特点是包括主梁系统、拉索系统、墩塔系统、荷载系统、测量系统五个子系统,其中:
主梁系统:用于模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;
拉索系统:用于模拟斜拉索典型断索损伤工况;
墩塔系统:用于固定主梁系统和拉索系统;
荷载系统:用于提供不同的静力荷载工况;
测量系统:用于测量拉索系统的索力、主梁系统中主梁的内力、主梁系统中主梁的刚度。
作为一种优选方式,所述主梁系统包括多段主梁,相邻的主梁之间通过连接钢板可拆卸相连,所述主梁底面设有若干与主梁横向平行的损伤钢板,主梁顶面设有与损伤钢板两端相对的补强钢板,损伤钢板端部、主梁、补强钢板通过螺栓可拆卸相连;
所述拉索系统包括钢丝绳,钢丝绳中段可拆卸装有花篮螺丝和不锈钢薄片,钢丝绳的底端与主梁相连;
所述墩塔系统包括反力架、竖直固定在反力架上的桥塔钢板、一对混凝土墩座、固设于混凝土墩座上的角钢;
所述主梁系统的一端搭设于一混凝土墩座的角钢上,所述主梁系统的另一端与另一混凝土墩座的角钢锚固连接;
钢丝绳的顶端与桥塔钢板的外侧面可拆卸相连;
所述荷载系统包括置于主梁表面的若干砝码;
所述测量系统包括若干百分表、若干拉索应变片和若干主梁应变片,其中,百分表和主梁应变片设于主梁下表面,各不锈钢薄片上各设有一拉索应变片。
进一步地,所述主梁由钢板焊接而成,所述主梁上还设有横肋和纵肋,所述横肋沿主梁纵向等间距设置,所述纵肋沿主梁横向中心布置。
作为一种优选方式,所述拉索系统还包括铝套和单型夹头,花篮螺丝和不锈钢薄片通过铝套和单型夹头与钢丝绳连接。
作为一种优选方式,所述墩塔系统还包括若干耳板,各耳板按照设计位置焊接在所述桥塔钢板上,钢丝绳的顶端通过耳板与桥塔钢板的外侧面可拆卸相连。
作为一种优选方式,所述拉索系统还包括若干锚碇块,钢丝绳的底端通过锚碇块锚固于主梁上。
进一步地,该用于斜拉桥典型损伤模拟的装置与斜拉桥原型结构之间满足多相材质模型试验的静力相似关系。
基于同一个发明构思,本发明还提供了一种用于斜拉桥典型损伤模拟的方法,其特点是,首先搭建用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,然后:
用主梁系统模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;
用拉索系统模拟斜拉索典型断索损伤工况;
用墩塔系统固定主梁系统和拉索系统;
用荷载系统提供不同的静力荷载工况;
用测量系统测量不同工况下拉索系统的索力、主梁系统中主梁的内力、主梁系统中主梁的刚度。
作为一种优选方式,用于斜拉桥典型损伤模拟的装置的搭建过程包括以下步骤:
S1:确定模型试验的几何相似比λ,确定主梁设计材料,确定所述主梁的横截面几何尺寸;
S2:根据几何相似比λ,进行主梁构造设计、桥墩塔构造设计、斜拉索构造设计、索力设计、配重设计和桥塔锚固点设计,并对原型桥模型和缩尺桥模型在荷载作用下的位移w、轴力N、剪力Q、弯矩M、应变ε和索力F进行有限元计算对比分析,确保多相材质模型试验的静力相似关系严格满足;
S3:根据几何相似比λ和试验条件,综合确定所述主梁的总长度,并结合原型斜拉桥的施工阶段,对所述主梁进行分段;
S4:对所述主梁进行加工制作,将横肋沿主梁纵向按一定间距焊接在所述主梁上,将纵肋沿主梁纵向在横截面中心点位置焊接布置一道;
S5:焊接角钢以形成钢桥墩,在浇筑混凝土墩座前,将钢桥墩置于混凝土中,保持两个混凝土墩座及对应的钢桥墩在同一设计高度位置;
S6:将主梁节段用连接钢板和螺栓拼装连接,并按设计位置放置于钢桥墩上,将所述主梁一端搭设在所述角钢上以模拟辅助墩,采用螺栓和角钢将所述主梁的另一端和钢桥墩锚固连接以模拟斜拉桥在桥塔处的固结体系;
S7:在桥塔钢板上,按相似比理论确定耳板的相对位置,并将耳板焊接在所述桥塔钢板上,将钢丝绳一端用铝套和单型夹头锚固设定于所述耳板上;根据所述主梁的位置,按相似比理论确定所述桥塔钢板在所述反力架上的高度,并用螺杆将桥塔钢板固定在所述反力架上;
S8:将花篮螺丝用铝套和单型夹头设置在所述钢丝绳上,将不锈钢薄片用铝套和单型夹头设置在所述钢丝绳上,所述花篮螺丝位于所述不锈钢薄片的下方且靠近所述主梁以方便调整索力,将所述钢丝绳的另一端穿过所述主梁中的边箱梁孔道,用锚碇块将所述钢丝绳的末端锚固在所述主梁上;
S9:在所述主梁上对应设置补强钢板和损伤钢板,并用螺栓进行连接,在所述主梁上布置百分表和主梁应变片,在不锈钢薄片上布置拉索应变片;
S10:通过转动所述花篮螺丝调整所述钢丝绳的索力以达到设计状态,并用所述拉索应变片进行实时监测;
S11:记录并调整好所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的初始值,在所述主梁上分批布置若干砝码,进行无模拟损伤的正常工况下静力分级加载,以获取对比参考数据。
作为一种优选方式,还包括以下步骤:
S12:调整好所述钢丝绳的设计索力,然后分批拆卸若干所述损伤钢板和所述补强钢板,以模拟斜拉桥主梁损伤工况,在所述主梁上分批布置若干砝码,在每次拆卸完成后进行分级加载,记录所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同主梁损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码;
S13:将拆卸的所述损伤钢板和所述补强钢板重新装回到所述主梁的原位置,调整好所述钢丝绳的设计索力,记录调整好所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的初始值,将所述钢丝绳上的花篮螺丝分批拧松若干,以模拟斜拉桥拉索断索损伤工况,在每次拧松花篮螺丝后,在所述主梁上分批布置若干所述砝码,记录所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同拉索断索损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码;
S14:将拆卸的所述损伤钢板、所述补强钢板重新装回到原位置,拧紧花篮螺丝调整好所述钢丝绳的设计索力,记录调整好所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的初始值,将所述损伤钢板、所述补强钢板和所述花篮螺丝分批同时拆卸或拧松若干,以模拟斜拉桥同时发生主梁损伤和拉索断索损伤的工况,在每次拆卸所述损伤钢板、所述补强钢板和所述花篮螺丝后,在所述主梁上分批布置若干所述砝码,记录所述百分表、所述主梁应变片和所述拉索应变片的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同典型损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码;
S15:对比不同工况下的试验数据,可得出斜拉桥在典型损伤工况下的性能退化规律;
S16:通过调整所述砝码的数量和位置,拆卸或拧松所述损伤钢板、所述补强钢板和所述花篮螺丝,模拟在不同的车辆超载情况下,损伤模拟装置在不同典型损伤工况下的性能退化规律。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
通过“刚度相似原理”的相似比理论推导,可以实现斜拉桥节段缩尺模型对原型桥梁的真实力学反馈,缩尺模型数据可根据相似比理论进行换算成原型桥梁的实际数据,试验结果真实有效,可显著减少试验规模和试验经费。通过拆装所述损伤钢板和所述补强钢板,可以模拟斜拉桥主梁不同程度的损伤;通过所述花篮螺丝可以实现对索力进行实时精确调整,通过所述不锈钢薄铁片和所述拉索应变片解决了斜拉索索力测量问题,减少了昂贵传感器的使用;通过调整花篮螺丝松紧状态,可以模拟斜拉索不同程度的断索损伤,通过调整所述砝码的数量和位置,使得荷载试验数据丰富,更有说服力。所述损伤钢板和所述补强钢板的拆装、所述花篮螺丝的松紧状态、所述砝码的数量和位置布置,能够进行随机组合,模拟更多的荷载工况和损伤工况,有效获取典型损伤下斜拉桥的性能退化规律。本发明能够做到索力实时测量、数据真实有效、现场操作简便、测试内容多样、试验成本可控。
附图说明
图1为本发明实施例的总体布置图;
图2为本发明实施例的三维效果图;
图3为本发明实施例的斜拉索构造图;
图4为本发明实施例的主梁构造图;
图5为本发明实施例的墩塔构造图;
图6为本发明实施例的主梁损伤设置细部构造图;
图7为本发明实施例的钢丝绳细部连接构造图。
图中:1、主梁,2、连接钢板,3、螺栓,4、横肋,5、纵肋,6、补强钢板,7、损伤钢板,8、钢丝绳,9、花篮螺丝,10、铝套,11、单型夹头,12、不锈钢薄片,13、锚碇块,14、桥塔钢板,15、耳板,16、反力架,17、混凝土墩座,18、角钢,19、砝码,20、百分表,21、主梁应变片,22、拉索应变片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1至图7所示,本发明用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其包括主梁系统、拉索系统、墩塔系统、荷载系统、测量系统五个子系统,其中:
主梁系统:用于模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;
拉索系统:用于模拟斜拉索典型断索损伤工况;
墩塔系统:用于固定主梁系统和拉索系统;
荷载系统:用于提供不同的静力荷载工况;
测量系统:用于测量拉索系统的索力、主梁系统中主梁1的内力、主梁系统中主梁1的刚度。
所述主梁系统包括多段主梁1,相邻的主梁1之间通过连接钢板2可拆卸相连,所述主梁1底面设有若干与主梁1横向平行的损伤钢板7,主梁1顶面设有与损伤钢板7两端相对的补强钢板6,损伤钢板7端部、主梁1、补强钢板6通过螺栓3可拆卸相连;所述损伤钢板7能模拟斜拉桥主梁损伤工况,所述补强钢板6能增强螺栓3锚固点的强度,避免局部屈曲。所述补强钢板6和所述损伤钢板7配套使用,通过改变所述补强钢板6和所述损伤钢板7的宽度、厚度以及在所述主梁1上的位置,即可模拟不同程度的斜拉桥主梁损伤。
所述拉索系统包括钢丝绳8,钢丝绳8中段可拆卸装有花篮螺丝9和不锈钢薄片12,钢丝绳8的底端与主梁1相连;用所述钢丝绳8模拟斜拉索,所述钢丝绳8的材料可以为钢绞线和平行钢丝等,所述不锈钢薄片12可以视情况改变厚度。
花篮螺丝9用铝套10和单型夹头11与所述钢丝绳8连接,不锈钢薄片12用铝套10和单型夹头11与所述钢丝绳8连接。所述花篮螺丝9与所述铝套10和所述单型夹头11配套使用,通过转动所述花篮螺丝9可以调整钢丝绳的松紧状态,从而达到模拟索力调整的效果,将若干所述钢丝绳8上的花篮螺丝9分批拧松即可模拟不同程度的斜拉桥拉索断索损伤;所述钢丝绳与所述花篮螺丝和所述不锈钢薄片的连接采用所述铝套和所述单型夹头进行末端固定。
所述墩塔系统包括反力架16、竖直固定在反力架16上的桥塔钢板14、一对混凝土墩座17、固设于混凝土墩座17上的角钢18;所述混凝土墩座17放置于地面上,在所述混凝土墩座17上设置钢桥墩,钢桥墩由所述角钢18焊接而成。
所述主梁系统的一端搭设于一混凝土墩座17的角钢18上,所述主梁系统的另一端与另一混凝土墩座17的角钢18锚固连接;即,所述角钢18焊接而成的钢桥墩与主梁1的一端搭接,以此模拟辅助墩,在主梁1的另一端,用螺栓3将角钢18与主梁1锚固连接,以此模拟斜拉桥在桥塔处的固结体系。
钢丝绳8的顶端与桥塔钢板14的外侧面可拆卸相连;
所述荷载系统包括置于主梁1表面的若干砝码19,以模拟不同的荷载工况;
所述测量系统包括若干百分表20、若干拉索应变片22和若干主梁应变片21,其中,百分表20和主梁应变片21设于主梁1下表面,各不锈钢薄片12上各设有一拉索应变片22。所述主梁应变片21能反映在不同典型损伤工况下所述钢主梁1的内力传递模式,所述拉索应变片22能反映在不同典型损伤工况下所述钢丝绳8的索力变化特征,所述百分表20能反映在不同典型损伤工况下所述钢主梁1的刚度退化规律。
所述主梁1上还设有横肋4和纵肋5,所述横肋4沿主梁1纵向等间距设置,所述纵肋5沿主梁1横向中心布置。在所述主梁1上设置所述横肋4和所述纵肋5以提高节段模型的纵横向稳定性。
所述主梁1由钢板焊接而成。所述钢制主梁1分节段制作,利用连接钢板2和螺栓3将所述钢主梁1节段拼装连接。
在所述钢主梁1中的边箱梁四周沿主梁1纵向用钻孔机开设若干孔洞,以供所述钢丝绳8和所述螺栓3穿过。
所述主梁1的材料还可以为混凝土、铝合金或有机玻璃等。
所述墩塔系统还包括若干耳板15,各耳板15按照设计位置焊接在所述桥塔钢板14上,所述桥塔钢板14用螺栓3按设计位置锚固于反力架16上,以模拟斜拉桥主塔。钢丝绳8的顶端通过耳板15与桥塔钢板14的外侧面可拆卸相连。所述拉索系统还包括铝套10和单型夹头11,钢丝绳的顶端穿过所述耳板15,并用铝套10和单型夹头11进行末端固定。
所述耳板15可模拟斜拉索在主塔的锚固位置,桥塔钢板14和反力架16可简化桥塔的模拟形式。
所述拉索系统还包括若干锚碇块13,钢丝绳8的底端通过锚碇块13锚固于主梁1上。
该用于斜拉桥典型损伤模拟的装置与斜拉桥原型结构之间满足如下的多相材质模型试验的静力相似关系:
长度L:Lm=Lp·λ;
集中荷载P:Pm=Pp·λEA
弯矩M:Mm=Mp·λEI·1/λ;
应变ε:εm=εp
应力σ:σm=σp·λE
密度ρ:ρm=ρp·(λE/λ);
刚度:(EA)m=(EA)p·λ2,(EI)m=(EI)p·λ4,(EW)m=(EW)p·λ3
式中,下标m表示模型结构,下标p表示原型结构,λ为几何相似比,λE、λEA、λEI为按“刚度相似原理”推求的一系列相似准数,E为弹性模量,A为面积,I为截面惯性矩,W为截面抵抗矩。
在本实施例中,所述钢主梁1为3段,所述连接钢板2为4对,所述螺栓3若干,所述横肋4若干,所述纵肋5为1道,所述补强钢板6为6对,所述损伤钢板7为6块,所述钢丝绳8为若干束且呈8对布置,所述花篮螺丝9为16组,所述铝套10为40对,所述单型夹头11为40对,所述不锈钢薄片12为16片,所述锚碇块13为16组,所述桥塔钢板14为1块,所述耳板15为16组,所述反力墙/架16为1座,所述混凝土墩座17为2座,所述角钢18为若干,所述砝码19为若干,所述百分表20为若干组,所述主梁应变片21为若干组,所述拉索应变片22为16片。
本发明所述用于斜拉桥典型损伤模拟的方法,首先搭建所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,然后:用主梁系统模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;用拉索系统模拟斜拉索典型断索损伤工况;用墩塔系统固定主梁系统和拉索系统;用荷载系统提供不同的静力荷载工况;用测量系统测量不同工况下的拉索系统的索力、主梁系统中主梁1的内力、主梁系统中主梁1的刚度。
本实施例中用于斜拉桥典型损伤模拟的方法包括以下步骤:
S1:确定模型试验的几何相似比λ,确定主梁1设计材料,确定所述主梁1的横截面几何尺寸;
本实施例中,根据试验目的、经费预算和场地规模,确定模型试验的几何相似比λ,桥梁结构弹性模型试验的几何相似比λ一般为1/50~1/20。确定主梁1的设计材料,根据“刚度相似原理”求得理论的Im和Am,从而确定所述主梁1的横截面几何尺寸,其具体计算原理为:
横向抗弯刚度EIx需满足:
纵向抗弯刚度EIy需满足:
抗扭GI刚度需满足:Gm×ImGp×Ip=(λ)4
轴向刚度EA需满足:Em×AmEp×Ap=(λ)2
式中,Ep、GpIp和Ap分别为原型斜拉桥主梁的材料弹性模量、剪切模量、横向惯性矩、纵向惯性矩、截面惯性矩和截面面积,均为已知量;Em、Gm分别为本发明装置中所述主梁1的材料弹性模量、剪切模量,均为已知量, Im和Am为待求量,分别为横向惯性矩、纵向惯性矩、截面惯性矩和截面面积,通过上式即可求得。其中,本试验所述主梁1选用钢材,原型斜拉桥主梁材料为混凝土。
S2:根据几何相似比λ,进行主梁1构造设计、桥墩塔构造设计、斜拉索构造设计、索力设计、配重设计和桥塔锚固点设计,并对原型桥模型和缩尺桥模型在荷载作用下的位移w、轴力N、剪力Q、弯矩M、应变ε和索力F进行有限元计算对比分析,确保多相材质模型试验的静力相似关系严格满足,确保模型试验设计的有效性和准确性。
S3:根据几何相似比λ和试验条件,综合确定所述主梁1的总长度,并结合原型斜拉桥的施工阶段,对所述主梁1进行分段,从而可模拟关键施工阶段结构的力学性能;本实施例中,所述钢主梁1分为3段,分别模拟斜拉桥主梁施工的3个重要阶段。
S4:对所述主梁1进行加工制作,将横肋4沿主梁1纵向按一定间距焊接在所述主梁1上,将纵肋5沿主梁1纵向在横截面中心点位置焊接布置一道。
S5:焊接角钢8以形成钢桥墩,在浇筑混凝土墩座17前,将钢桥墩置于混凝土中,保持两个混凝土墩座17及对应的钢桥墩在同一设计高度位置。
S6:将主梁1的3个节段用连接钢板2和螺栓3拼装连接,并按设计位置放置于钢桥墩上,将所述主梁1一端搭设在所述角钢18上以模拟辅助墩,采用螺栓3和角钢18将所述主梁1的另一端和钢桥墩锚固连接以模拟斜拉桥固结体系。
S7:在桥塔钢板14上,按相似比理论确定耳板15的相对位置,并将耳板15焊接在所述桥塔钢板14上,将钢丝绳8一端用铝套10和单型夹头11锚固设定于所述耳板15上;根据所述主梁1的位置,按相似比理论确定所述桥塔钢板14在所述反力架16上的高度,调整完毕后并用螺杆3将桥塔钢板14固定在所述反力架16上。
S8:将花篮螺丝9用铝套10和单型夹头11设置在所述钢丝绳8上,将不锈钢薄片12用铝套10和单型夹头11设置在所述钢丝绳8上,所述花篮螺丝9位于所述不锈钢薄片12的下方且靠近所述主梁1以方便调整索力,将所述钢丝绳8的另一端穿过所述主梁1中的边箱梁孔道,用锚碇块13将所述钢丝绳8的末端锚固在所述主梁1上。
S9:在所述主梁1上设置补强钢板6和损伤钢板7,并用螺栓3进行连接,在所述主梁1下方布置百分表20和主梁应变片21,在不锈钢薄片12上布置拉索应变片22。
S10:通过转动所述花篮螺丝9调整所述钢丝绳8的索力以达到设计状态,并用所述拉索应变片22进行实时监测。
S11:记录并调整好所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的初始值,在所述主梁1上分批布置若干砝码19,进行无模拟损伤的正常工况下静力分级加载,以获取对比参考数据。
S12:调整好所述钢丝绳8的设计索力,然后分批拆卸若干所述损伤钢板7和所述补强钢板6,以模拟斜拉桥主梁损伤工况,在所述主梁1上分批布置若干砝码19,在每次拆卸完成后进行分级加载,记录所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同主梁损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码19。
S13:将拆卸的所述损伤钢板7和所述补强钢板6重新装回到所述主梁1的原位置,调整好所述钢丝绳8的设计索力,记录调整好所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的初始值,将所述钢丝绳8上的花篮螺丝9分批拧松若干,以模拟斜拉桥拉索断索损伤工况,在每次拧松花篮螺丝9后,在所述主梁1上分批布置若干所述砝码19,记录所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同拉索断索损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码19。
S14:将拆卸的所述损伤钢板7、所述补强钢板6重新装回到原位置,拧紧花篮螺丝9调整好所述钢丝绳8的设计索力,记录调整好所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的初始值,将所述损伤钢板7、所述补强钢板6和所述花篮螺丝9分批同时拆卸或拧松若干,以模拟斜拉桥同时发生主梁损伤和拉索断索损伤的工况,在每次拆卸或拧松所述损伤钢板7、所述补强钢板6和所述花篮螺丝9后,在所述主梁1上分批布置若干所述砝码19,记录所述百分表20、所述主梁应变片21和所述拉索应变片22的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同典型损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码19。
S15:对比不同工况下的试验数据,可得出斜拉桥在典型损伤工况下的性能退化规律。
S16:通过调整所述砝码19的数量和位置,拆卸或拧松所述损伤钢板7、所述补强钢板6和所述花篮螺丝9,模拟在不同的车辆超载情况下,斜拉桥在不同典型损伤工况下的性能退化规律。
本发明中,所述损伤钢板7和所述补强钢板6的拆装、所述钢丝绳8的拆装、所述砝码19的数量和位置布置,均可随机组合,模拟更多的荷载工况和损伤工况。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是局限性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,包括主梁系统、拉索系统、墩塔系统、荷载系统、测量系统五个子系统,其中:
主梁系统:用于模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;
拉索系统:用于模拟斜拉索典型断索损伤工况;
墩塔系统:用于固定主梁系统和拉索系统;
荷载系统:用于提供不同的静力荷载工况;
测量系统:用于测量拉索系统的索力、主梁系统中主梁(1)的内力、主梁系统中主梁(1)的刚度。
2.如权利要求1所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,
所述主梁系统包括多段主梁(1),相邻的主梁(1)之间通过连接钢板(2)可拆卸相连,所述主梁(1)底面设有若干与主梁(1)横向平行的损伤钢板(7),主梁(1)顶面设有与损伤钢板(7)两端相对的补强钢板(6),损伤钢板(7)端部、主梁(1)、补强钢板(6)通过螺栓(3)可拆卸相连;
所述拉索系统包括钢丝绳(8),钢丝绳(8)中段可拆卸装有花篮螺丝(9)和不锈钢薄片(12),钢丝绳(8)的底端与主梁(1)相连;
所述墩塔系统包括反力架(16)、竖直固定在反力架(16)上的桥塔钢板(14)、一对混凝土墩座(17)、固设于混凝土墩座(17)上的角钢(18);
所述主梁系统的一端搭设于一混凝土墩座(17)的角钢(18)上,所述主梁系统的另一端与另一混凝土墩座(17)的角钢(18)锚固连接;
钢丝绳(8)的顶端与桥塔钢板(14)的外侧面可拆卸相连;
所述荷载系统包括置于主梁(1)表面的若干砝码(19);
所述测量系统包括若干百分表(20)、若干拉索应变片(22)和若干主梁应变片(21),其中,百分表(20)和主梁应变片(21)设于主梁(1)下表面,各不锈钢薄片(12)上各设有一拉索应变片(22)。
3.如权利要求2所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,所述主梁(1)由钢板焊接而成,所述主梁(1)上还设有横肋(4)和纵肋(5),所述横肋(4)沿主梁(1)纵向等间距设置,所述纵肋(5)沿主梁(1)横向中心布置。
4.如权利要求2所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,所述拉索系统还包括铝套(10)和单型夹头(1),花篮螺丝(9)和不锈钢薄片(12)通过铝套(10)和单型夹头(11)与钢丝绳(8)连接。
5.如权利要求2所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,所述墩塔系统还包括若干耳板(15),各耳板(15)按照设计位置焊接在所述桥塔钢板(14)上,钢丝绳(8)的顶端通过耳板(15)与桥塔钢板(14)的外侧面可拆卸相连。
6.如权利要求4所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,所述拉索系统还包括若干锚碇块(13),钢丝绳(8)的底端通过锚碇块(13)锚固于主梁(1)上。
7.如权利要求1至6任一项所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,其特征在于,该用于斜拉桥典型损伤模拟的装置与斜拉桥原型结构之间满足多相材质模型试验的静力相似关系。
8.一种用于斜拉桥典型损伤模拟的方法,其特征在于,首先搭建如权利要求1至7任一项所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的装置,然后:
用主梁系统模拟斜拉桥主梁典型损伤工况;
用拉索系统模拟斜拉索典型断索损伤工况;
用墩塔系统固定主梁系统和拉索系统;
用荷载系统提供不同的静力荷载工况;
用测量系统测量不同工况下拉索系统的索力、主梁系统中主梁(1)的内力、主梁系统中主梁(1)的刚度。
9.如权利要求8所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的方法,其特征在于,用于斜拉桥典型损伤模拟的装置的搭建过程包括以下步骤:
S1:确定模型试验的几何相似比λ,确定主梁(1)的设计材料,确定所述主梁(1)的横截面几何尺寸;
S2:根据几何相似比λ,进行主梁(1)构造设计、桥墩塔构造设计、斜拉索构造设计、索力设计、配重设计和桥塔锚固点设计,并对原型桥模型和缩尺桥模型在荷载作用下的位移w、轴力N、剪力Q、弯矩M、应变ε和索力F进行有限元计算对比分析,确保多相材质模型试验的静力相似关系严格满足;
S3:根据几何相似比λ和试验条件,综合确定所述主梁(1)的总长度,并结合原型斜拉桥的施工阶段,对所述主梁(1)进行分段;
S4:对所述主梁(1)进行加工制作,将横肋(4)沿主梁(1)纵向按一定间距焊接在所述主梁(1)上,将纵肋(5)沿主梁(1)纵向在横截面中心点位置焊接布置一道;
S5:焊接角钢(8)以形成钢桥墩,在浇筑混凝土墩座(17)前,将钢桥墩置于混凝土中,保持两个混凝土墩座(17)及对应的钢桥墩在同一设计高度位置;
S6:将主梁(1)节段用连接钢板(2)和螺栓(3)拼装连接,并按设计位置放置于钢桥墩上,将所述主梁(1)一端搭设在所述角钢(18)上以模拟辅助墩,采用螺栓(3)和角钢(18)将所述主梁(1)的另一端和钢桥墩锚固连接以模拟斜拉桥在桥塔处的固结体系;
S7:在桥塔钢板(14)上,按相似比理论确定耳板(15)的相对位置,并将耳板(15)焊接在所述桥塔钢板(14)上,将钢丝绳(8)一端用铝套(10)和单型夹头(11)锚固设定于所述耳板(15)上;根据所述主梁(1)的位置,按相似比理论确定所述桥塔钢板(14)在所述反力架(16)上的高度,并用螺杆(3)将桥塔钢板(14)固定在所述反力架(16)上;
S8:将花篮螺丝(9)用铝套(10)和单型夹头(11)设置在所述钢丝绳(8)上,将不锈钢薄片(12)用铝套(10)和单型夹头(11)设置在所述钢丝绳(8)上,所述花篮螺丝(9)位于所述不锈钢薄片(12)的下方且靠近所述主梁(1)以方便调整索力,将所述钢丝绳(8)的另一端穿过所述主梁(1)中的边箱梁孔道,用锚碇块(13)将所述钢丝绳(8)的末端锚固在所述主梁(1)上;
S9:在所述主梁(1)上对应设置补强钢板(6)和损伤钢板(7),并用螺栓(3)进行连接,在所述主梁(1)上布置百分表(20)和主梁应变片(21),在不锈钢薄片(12)上布置拉索应变片(22);
S10:通过转动所述花篮螺丝(9)调整所述钢丝绳(8)的索力以达到设计状态,并用所述拉索应变片(22)进行实时监测;
S11:记录并调整好所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的初始值,在所述主梁(1)上分批布置若干砝码(19),进行无模拟损伤的正常工况下静力分级加载,以获取对比参考数据。
10.如权利要求9所述的用于斜拉桥典型损伤模拟的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
S12:调整好所述钢丝绳(8)的设计索力,然后分批拆卸若干所述损伤钢板(7)和所述补强钢板(6),以模拟斜拉桥主梁损伤工况,在所述主梁(1)上分批布置若干砝码(19),在每次拆卸完成后进行分级加载,记录所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同主梁损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码(19);
S13:将拆卸的所述损伤钢板(7)和所述补强钢板(6)重新装回到所述主梁(1)的原位置,调整好所述钢丝绳(8)的设计索力,记录调整好所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的初始值,将所述钢丝绳(8)上的花篮螺丝(9)分批拧松若干,以模拟斜拉桥拉索断索损伤工况,在每次拧松花篮螺丝(9)后,在所述主梁(1)上分批布置若干所述砝码(19),记录所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同拉索断索损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码(19);
S14:将拆卸的所述损伤钢板(7)、所述补强钢板(6)重新装回到原位置,拧紧花篮螺丝(9)调整好所述钢丝绳(8)的设计索力,记录调整好所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的初始值,将所述损伤钢板(7)、所述补强钢板(6)和所述花篮螺丝(9)分批同时拆卸或拧松若干,以模拟斜拉桥同时发生主梁损伤和拉索断索损伤的工况,在每次拆卸或拧松所述损伤钢板(7)、所述补强钢板(6)和所述花篮螺丝(9)后,在所述主梁(1)上分批布置若干所述砝码(19),记录所述百分表(20)、所述主梁应变片(21)和所述拉索应变片(22)的数据变化,从而可以获取斜拉桥模型在不同典型损伤工况下的试验数据,最后卸下所述砝码(19);
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