CN114692284B - 宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程技术领域，涉及宽幅组合‑混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，根据有限元计算结果，确定结合段范围内全截面上应力最大区域为局部截面模型；根据有限元计算结果以局部截面模型内单元节点力积分方法获得局部截面模型加载内力；考虑试验加载能力与减小模型加工难度的原则下选定模型的几何相似比；以钢结构与混凝土结构交界面的滑移量服从相似原理为原则确定剪力连接件的设计及布置；本发明采用原结构横向截取局部截面的方式设计试验模型，有效的减小了试验结构的宽度，并且不改变截面上不同部分间的刚度比，从而不改变截面上各部分承担的荷载比例，进而保证局部截面模型结构的受力特征和原结构一致。

Description

宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法。

背景技术

目前，大跨度混合梁斜拉桥的结合段传递的轴力通常在10000吨-20000吨之间，结构中较薄的钢顶板厚度常为12mm-16mm，在考虑模型试验中板件厚度至少应不小于5mm-6mm，因此若采用全截面大比例或等比例缩尺模型，则几何相似比应取1:3或1:2；即使采用较小的1:3，在采取应力等效的条件下需要施加的轴向力也至少需要1100吨，这对试验加载能力的要求较高；而且这种全截面模型占用场地大，对于桥宽达到40m的结合段，在采用1:3的几何相似比的条件下，试验模型截面宽度也将达到13.3m，在考虑圣维南原理的条件下，整个试验模型的长度将达到15m左右，故采用上述方法对试验场地的要求较高，且占地面积大；而采用全截面小比例尺等比缩尺模型时，会导致部分板件厚度过小，会引起过大的焊接残余应力和残余应变。

其次是，可以采用截面横向和其他方向不同的比例尺，但是采用该方式会改变横截面上顶板、底板、腹板以及上述各板件上加劲肋的相对面积，进而改变横截面上各板件及其加劲肋之间的刚度比例关系，从而影响各主要受力板件及其加劲肋传递的轴向荷载和弯矩荷载的比例关系，即得到错误的结合段受力特征和错误的荷载传递路径；例如：采用这种方式开展模型试验研究的舟山桃夭门大桥和厦门马新大桥的钢混结合段，前者(舟山桃夭门大桥)的试验模型高度及顺桥向采用1:2的几何相似比，宽度方向采用1:9的几何相似比；后者(厦门马新大桥)的高度及顺桥向采用1:2的几何相似比，而在横桥向采用1：10的几何相似比。采用这种方式改变了横截面上顶板、底板、腹板及各板件上加劲肋的数量及面积，从而改变了各部分的轴向刚度及抗弯刚度，这对于研究同一横截面上各部分传递的轴向力和弯矩的比例将产生不利的影响，从而可能导致得到错误的结论。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，拟解决采用现有技术所造成的模型占地面积大、成本高、以及可能存在错误结论的问题。

本发明采用的技术方案如下：

宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，包括以下步骤：

步骤1：从全截面模型中截取局部界面作为局部截面模型；

步骤2：计算步骤1中确定的局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力；

步骤3：确定局部截面缩尺试验模型的几何相似比；

步骤4：确定局部截面缩尺试验模型的剪力连接件的型号以及剪力连接件的布置方式；

步骤5：基于局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力、局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型，并基于局部截面缩尺试验模型验证与全截面模型的应力状态的等效性。

本发明提出的局部截面模型是根据全截面模型计算结果，按应力最大的原则选取的，这种方式适用于各种形式的截面，具有普适性，能够防止简单的根据结构构造随意截取截面的一部分作为研究对象时造成的错误。

优选的，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于圣维南原理的基础上，建立包含混凝土箱梁边界段、混凝土箱梁过渡段、结合段、组合梁过渡段及组合梁加载段在内的含钢-混凝土组合梁与混凝土主梁的三维空间有限元模型；

步骤1.2：对构建的三维空间有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，在组合梁加载段的端部截面形心施加所设计的内力；

步骤1.3：对三维空间有限元模型的计算结果进行分析，考察与结合段相连的组合梁过渡段主要受力构件的应力，以主要受力构件的应力最大的区域作为局部截面模型。

结合段的承压板与结合梁交界的横截面附近应力最大的区域——中腹板所在区域，是结构受力最大、荷载传递最为集中的部位，是结合段设计的关键部位，在宽幅截面的结合段区域，该区域是设计这最为关心的区域。因此，只需对该区域中应力最大的区域——中腹板所在区域开展试验研究，即可获得结构最不利的受力状态，对此类结构的设计具有最为重要的指导意义。

优选的，所述主要受力构件包括：组合梁的混凝土桥面板、钢顶板及其隔板、钢底板及其隔板、中腹板和边腹板。

优选的，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：基于局部截面模型的计算结果选取组合梁加载端至承压板且不包含承压板本身的范围内的单元及节点，以组合梁与承压板的交界面换算截面形心为积分点进行积分，获得局部截面模型的结合梁与承压板的交界面的内力；

步骤2.2：局部截面模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态，在局部截面模型上施加与全截面模型中对应的其余边界约束，以局部截面模型的结合梁与承压板的交界面形心处的内力等效为原则，计算局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力。所述其余边界约束包括在混凝土过渡段端部施加固结约束，在结合段区域与辅助墩对应位置施加竖向支撑约束。

本发明提出的局部截面模型的加载端内力计算方法能够准确的获得所截取的部分截面模型所承受的内力，解决了对局部截面模型与原结构受力等效有重要影响的加载值确定问题。

优选的，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：考虑加工难度及不产生过大残余变形及残余应力，钢板厚度最小不小于6mm；

步骤3.2：钢板间最小距离满足焊接所需要的尺寸要求；

步骤3.3：考虑试验加载能力。

本发明采用原结构横向截取局部截面的方式设计试验模型，有效的减小了试验结构的宽度，使得整个局部截面模型能够在横桥向、顺桥向及高度方向上采用同一几何相似比，不改变截面上不同部分间的刚度比，从而不改变截面上各部分承担的荷载比例，进而保证局部截面模型结构的受力特征和原结构一致；而且能够在采用较大的几何相似比降低模型加工难度的同时，保证结构所需的加载值不会过大，从而降低了加载难度，很好的解决了宽幅截面混合结构试验模型加工与加载的问题。

优选的，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：局部截面缩尺试验模型采用与结构相同型号的剪力连接件；

步骤4.2：按照剪切滑移符合位移相似比的原则确定剪力连接件布置的数量及间距。

本发明提出的剪力连接件型号及布置数量和间距的设计方法是：保证在局部截面模型上施加按照相似理论换算得到的剪力条件下，部分截面模型中钢结构与混凝土结构间的相对剪切滑移量与原结构中的滑移量满足变形相似比。已有研究大多采用剪力连接件的截面积相似原则进行剪力连接件的设置与布置，这种方式本质上仅做到了试验模型各部件在几何尺寸上的相似，但试验模型中钢结构与混凝土结构交界面间的剪切滑移量与原结构中对应滑移量的比例关系已不符合按相似理论计算的位移相似关系，这对于掌握结构在正常使用条件下的滑移特征、判断结构中带有剪力连接件的构件的受力及荷载传递路径都有一定的偏差。

优选的，所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：基于局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型的有限元模型；

步骤5.2：对局部截面缩尺试验模型的有限元模型施加与全截面模型对应的边界条件，局部截面缩尺试验模型的有限元模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态；

步骤5.3：在局部截面缩尺试验模型的有限元模型的加载端施加按相似理论换算的内力；

步骤5.4：根据有限元计算结果，对比局部截面缩尺试验模型与全截面模型中主要受力构件的应力状态，验证局部截面缩尺试验模型与全截面模型的应力状态的等效性。

本发明提出了一种验证局部截面缩尺试验模型与原结构受力等效的方法，通过有限元方法对试验边界、荷载条件下的试验模型进行计算，与原结构中对应的主要受力构件的应力状态进行对比，进而对两者的受力状态等效性做出评价。这保证了设计完成的局部截面缩尺试验模型能够代表原结构的受力特征。

本发明的有益效果包括：

1.本发明提出的局部截面模型是根据全截面模型计算结果，按应力最大的原则选取的，这种方式适用于各种形式的截面，具有普适性，能够防止简单的根据结构构造随意截取截面的一部分作为研究对象时造成的错误。

2.本发明结合段的承压板与结合梁交界的横截面附近应力最大的区域是结构受力最大、荷载传递最为集中的部位，是结合段设计的关键部位，在宽幅截面的结合段区域，该区域是设计这最为关心的区域。因此，只需对该区域中应力最大的区域开展试验研究，即可获得结构最不利的受力状态，对此类结构的设计具有最为重要的指导意义。

3.本发明提出的局部截面模型的加载端内力计算方法能够准确的获得所截取的部分截面模型所承受的内力，解决了对局部截面模型与原结构受力等效有重要影响的加载值确定问题。

4.本发明采用原结构横向截取局部截面的方式设计试验模型，有效的减小了结构的宽度，使得整个局部截面模型能够在横桥向、顺桥向及高度方向上采用同一几何相似比，不改变截面上不同部分间的刚度比，从而不改变截面上各部分承担的荷载比例，进而保证局部截面模型结构的受力特征和原结构一致；而且能够在采用较大的几何相似比降低模型加工难度的同时，保证结构所需的加载值不会过大，从而降低了加载难度，很好的解决了宽幅截面混合结构试验模型加工与加载的问题。

5.本发明提出的剪力连接件型号及布置数量和间距的设计方法是：保证在局部截面模型上施加按照相似理论换算得到的剪力条件下，部分截面模型中钢结构与混凝土结构间的相对剪切滑移量与原结构中的滑移量满足变形相似比。

6.本发明提出了一种验证局部截面缩尺试验模型与原结构受力等效的方法，通过有限元方法对试验边界、荷载条件下的试验模型进行计算，与原结构中对应的主要受力构件的应力状态进行对比，进而对两者的受力状态等效性做出评价。这保证了设计完成的局部截面缩尺试验模型能够代表原结构的受力特征。

附图说明

图1为组合梁横截面布置图。

图2为混凝土箱梁横截面布置图。

图3为组合梁-混凝土箱梁结合段中腹板位置剖面图。

图4为局部截面缩尺模型立面布置图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图1到附图4对本发明作进一步的详细说明：

宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，包括以下步骤：

步骤1：从全截面模型中截取局部界面作为局部截面模型；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于圣维南原理的基础上，建立包含混凝土箱梁边界段、混凝土箱梁过渡段、结合段、组合梁过渡段及组合梁加载段在内的含钢-混凝土组合梁与混凝土主梁的三维空间有限元模型；所述主要受力构建包括：组合梁的混凝土桥面板、钢顶板及其隔板、钢底板及其隔板、中腹板和边腹板。

步骤1.2：对构建的三维空间有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，在组合梁加载段的端部截面形心施加所设计的内力；

步骤1.3：对三维空间有限元模型的计算结果进行分析，考察与结合段相连的组合梁过渡段主要受力构件的应力，以主要受力构件的应力最大的区域作为局部截面模型。

结合段的承压板与结合梁交界的横截面附近应力最大的区域——中腹板所在区域，是结构受力最大、荷载传递最为集中的部位，是结合段设计的关键部位，在宽幅截面的结合段区域，该区域是设计这最为关心的区域。因此，只只需对该区域中应力最大的区域——中腹板所在区域开展试验研究，即可获得结构最不利的受力状态，对此类结构的设计具有最为重要的指导意义。

步骤2：计算步骤1中确定的局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：基于局部截面模型选取组合梁加载端至承压板且不包含承压板本身的范围内的单元及节点，以组合梁与承压板的交界面换算截面形心为积分点进行积分，获得局部截面模型的结合梁与承压板的交界面的内力；

步骤2.2：局部截面模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态，在局部截面模型上施加与全截面模型中对应的其余边界约束，以局部截面模型的结合梁与承压板的交界面形心处的内力等效为原则，计算局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力。

本发明提出的局部截面模型的加载端内力计算方法能够准确的获得所截取的部分截面模型所承受的内力，解决了对局部截面模型与原结构受力等效有重要影响的加载值确定问题。

步骤3：确定局部截面缩尺试验模型的几何相似比；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：考虑加工难度及不产生过大残余变形及残余应力，钢板厚度最小不小于6mm；

步骤3.2：钢板间最小距离满足焊接所需要的尺寸要求；

步骤3.3：考虑试验加载能力。

根据最小钢板厚度不小于6mm，即可确定几何相似比的最小值；根据试验加载能力即可确定几何相似比的最大值。

本发明采用原结构横向截取局部截面的方式设计试验模型，有效的减小了结构的宽度，使得整个局部截面模型能够在横桥向、顺桥向及高度方向上采用同一几何相似比，不改变截面上不同部分间的刚度比，从而不改变截面上各部分承担的荷载比例，进而保证局部截面模型结构的受力特征和原结构一致；而且能够在采用较大的几何相似比降低模型加工难度的同时，保证结构所需的加载值不会过大，从而降低了加载难度，很好的解决了宽幅截面混合结构试验模型加工与加载的问题。

步骤4：确定局部截面缩尺试验模型的剪力连接件的型号以及剪力连接件的布置方式；

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：局部截面缩尺试验模型采用与结构相同型号的剪力连接件；

步骤4.2：按照剪切滑移符合位移相似比的原则确定剪力连接件布置的数量及间距。

本发明提出的剪力连接件型号及布置数量和间距的设计方法是：保证在局部截面模型上施加按照相似理论换算得到的剪力条件下，部分截面模型中钢结构与混凝土结构间的相对剪切滑移量与原结构中的滑移量满足变形相似比。已有研究大多采用剪力连接件的截面积相似原则进行剪力连接件的设置与布置，这种方式本质上仅做到了试验模型各部件在几何尺寸上的相似，但试验模型中钢结构与混凝土结构交界面间的剪切滑移量与原结构中对应滑移量的比例关系已不符合按相似理论计算的位移相似关系，这对于掌握结构在正常使用条件下的滑移特征、判断结构中带有剪力连接件的构件的受力及荷载传递路径都有一定的偏差。

步骤5：基于局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力、局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型，并基于局部截面缩尺试验模型计算与全截面模型的应力状态的等效性。

本发明提出的局部截面模型是根据全截面模型计算结果，按应力最大的原则选取的，这种方式适用于各种形式的截面，具有普适性，能够防止简单的根据结构构造随意截取截面的一部分作为研究对象时造成的错误。

所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：基于局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型的有限元模型；

步骤5.2：对局部截面缩尺试验模型的有限元模型施加与全截面模型对应的边界条件，局部截面缩尺试验模型的有限元模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态；

步骤5.3：在局部截面缩尺试验模型的有限元模型的加载端施加按相似理论换算的内力；

步骤5.4：根据有限元计算结果，对比局部截面缩尺试验模型与全截面模型中主要受力构件的应力状态，验证局部截面缩尺试验模型与全截面模型的应力状态的等效性。

本发明提出了一种验证局部截面缩尺试验模型与原结构受力等效的方法，通过有限元方法对试验边界、荷载条件下的试验模型进行计算，与原结构中对应的主要受力构件的应力状态进行对比，进而对两者的受理状态等效性做出评价。这保证了设计完成的局部截面缩尺试验模型能够代表原结构的受力特征。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：从全截面模型中截取局部界面作为局部截面模型；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于圣维南原理的基础上，建立包含混凝土箱梁边界段、混凝土箱梁过渡段、结合段、组合梁过渡段及组合梁加载段在内的含钢-混凝土组合梁与混凝土主梁的三维空间有限元模型；

步骤1.2：对构建的三维空间有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，在组合梁加载段的端部截面形心施加设计内力；

步骤1.3：对三维空间有限元模型的计算结果进行分析，考察与结合段相连的组合梁过渡段主要受力构件的应力，以主要受力构件的应力最大的区域作为局部截面模型；

步骤2：计算步骤1中确定的局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力；

步骤3：确定局部截面缩尺试验模型的几何相似比；

步骤4：确定局部截面缩尺试验模型的剪力连接件的型号以及剪力连接件的布置方式；

步骤5：基于局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力、局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型，并基于局部截面缩尺试验模型验证与全截面模型的应力状态的等效性。

2.根据权利要求1所述的宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，所述主要受力构建包括：组合梁的混凝土桥面板、钢顶板及其隔板、钢底板及其隔板、中腹板和边腹板。

3.根据权利要求1所述的宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：基于局部截面模型的计算结果选取组合梁加载端至承压板且不包含承压板本身的范围内的单元及节点，以组合梁与承压板的交界面换算截面形心为积分点进行积分，获得局部截面模型的结合梁与承压板的交界面的内力；

步骤2.2：局部截面模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态，在局部截面模型上施加与全截面模型中对应的其余边界约束，以局部截面模型的结合梁与承压板的交界面形心处的内力等效为原则，计算局部截面模型的加载端截面形心应施加的内力。

4.根据权利要求1所述的宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：考虑加工难度及不产生过大残余变形及残余应力，钢板厚度最小不小于6mm；

步骤3.2：钢板间最小距离满足焊接所需要的尺寸要求；

步骤3.3：考虑试验加载能力。

5.根据权利要求1所述的宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：局部截面缩尺试验模型采用与结构相同型号的剪力连接件；

步骤4.2：按照剪切滑移符合位移相似比的原则确定剪力连接件布置的数量及间距。

6.根据权利要求1所述的宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：基于局部截面缩尺试验模型的几何相似比、剪力连接件的型号以及布置方式建立局部截面缩尺试验模型的有限元模型；

步骤5.2：对局部截面缩尺试验模型的有限元模型施加与全截面模型对应的边界条件，局部截面缩尺试验模型的有限元模型的横桥向的两个边界截面处于自由状态；

步骤5.3：在局部截面缩尺试验模型的有限元模型的加载端施加按相似理论换算的内力；

步骤5.4：根据有限元计算结果，对比局部截面缩尺试验模型与全截面模型中主要受力构件的应力状态，验证局部截面缩尺试验模型与全截面模型的应力状态的等效性。

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