CN117172046B - 一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 - Google Patents
一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117172046B CN117172046B CN202310881361.0A CN202310881361A CN117172046B CN 117172046 B CN117172046 B CN 117172046B CN 202310881361 A CN202310881361 A CN 202310881361A CN 117172046 B CN117172046 B CN 117172046B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bridge
- model
- local
- section
- finite element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 97
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 89
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 80
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 52
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000002411 adverse Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 90
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 90
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims description 86
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 60
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 23
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Bridges Or Land Bridges (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，涉及斜拉桥技术领域，解决了现有组合梁模型不能合理反应桥梁整个施工过程中的结构应力变化及桥梁施工阶段的最不利时刻的问题。本发明包括：建立桥整体有限元模型并从其中确定最不利受力截面；基于最不利受力截面建立局部梁段有限元模型并将其静力计算结果与主桥整体有限元模型比较；确定几何相似比，得到局部梁段缩尺试验模型的相似设计；基于相似设计建立局部梁段缩尺试验有限元模型并验证其与局部梁段有限元模型静力计算结果的等效性；通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工阶段。本发明采用受力等效建立模型，模拟全桥施工阶段，研究建造过程中各个阶段的传力机理。
Description
技术领域
本发明属于斜拉桥技术领域，具体涉及一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法。
背景技术
主梁采用混凝土桥面板+槽形钢箱梁组合的大跨度跨海铁梁斜拉桥，国内外未见工程应用先例。主梁新型结构形式应用的同时也面临着许多新问题。文献调研结果表明，现有理论研究、数值仿真分析及模型试验研究等主要集中在钢板组合梁方面，关于高速铁路斜拉桥中槽形钢箱梁-混凝土桥面板组合梁结构的研究非常缺乏。铁路斜拉桥中组合梁受力状态复杂，尤其是负弯矩区(如：主墩、辅助墩支座支承梁段)，组合梁结构在恒载、列车活载及荷载组合作用下不仅要承受巨大轴力、剪力，同时还要承受对结构非常不利负弯矩作用。在竖向剪力、轴向压力、负弯矩和交变荷载共同作用下，铁路槽形钢箱梁+混凝土桥面板组合梁空间应力分布规律、传力机理、抗弯承载力等尚未完全清楚。
传统研究桥梁传力机理实验组合模型设计是基于成桥状态下施加成桥状态下的各种荷载组合，并不能合理反应桥梁整个施工过程中的结构应力变化，很可能出现在某个施工过程中，桥梁某个部分的应力达到最大值而成桥之后应力反而减小的情况，传统的桥梁传力机理实验组合模型设计若是基于成桥状态的话，就无法模拟施工阶段中出现的最不利时刻，与此同时，不同的施工方式对桥梁成桥之后的受力情况也有影响。
发明内容
本发明公开了一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，拟解决现有组合梁模型不能合理反应桥梁整个施工过程中的结构应力变化，无法模拟施工阶段中出现的最不利时刻的技术问题，其目的在于，在竖向剪力、轴向压力、负弯矩和交变荷载共同作用下，理清钢箱梁+混凝土桥面板组合梁空间应力分布规律、传力机理、抗弯承载力等问题，考虑到建造过程的不同对最后的成桥状态内力的影响，旨在通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工各个阶段。
为解决上述存在的技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，包括如下步骤：
步骤1、建立桥整体含施工阶段应力计算有限元模型并从主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型中确定最不利受力截面；
步骤2、基于步骤1中确定的最不利受力截面建立最不利受力截面局部梁段有限元模型，并将最不利受力截面局部梁段有限元模型静力结果与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型计算结果比较并保证局部梁段有限元模型与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型的应力等效；
步骤3、确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计；
步骤4、基于步骤3的等效结果建立局部截面缩尺实验模型，并通过局部梁段模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计建立局部梁段缩尺试验有限元模型，并基于局部梁段缩尺试验有限元模型验证与最不利受力截面局部梁段有限元模型静力计算结果的等效性；
步骤5、通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工各个阶段。
本发明建立的主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型包括分块吊装梁段、边跨整体吊装梁段、中跨整体吊装梁段、塔区压重段、辅助墩压重段及端支点压重段，根据主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型结果而提出的局部截面缩尺实验模型，是按照应力最大的原则选取的，同时兼顾各个施工阶段以及成桥之后各个工况作用下的最不利截面，这种方式选出来的最不利截面具有普适性、代表性。本发明采用局部截面缩尺实验模型与原结构受力等效的方法，通过有限元方法对相同边界、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，准确反映过程建造到成桥整体结构力学形态，保证设计完成的局部梁段缩尺试验模型能够代表原结构的受力及受力变化特征。
优选的，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、基于主桥实际情况建立包括主梁、主塔、桥墩及斜拉索并考虑桥梁建造施工阶段的主桥整体有限元模型；
步骤1.2、对构建的有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，并结合桥梁的实际情况，施加建造过程到成桥运营阶段所有种荷载组合；
步骤1.3、对有限元模型的计算结果进行分析，考察主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型应力，以主要梁段的应力最大的区域作为最不利受力截面。
优选的，所述步骤1.2中施加的荷载包括钢梁施工阶段荷载和成桥运营阶段荷载，所述钢梁施工阶段荷载包括竖向剪力、钢梁底板压重荷载及混凝土桥面板荷载，所述成桥运营阶段荷载包括混凝土桥面板预应力、斜拉索索力、列车荷载、混凝土桥面板配重及二期恒载。
本发明提出在选取最不利截面时，查看从建造过程到成桥运营阶段荷载组合作用下的主梁受力情况，确定在后续试验模型设计过程中的最不利截面。因此，只需要对最不利截面单独进行模型试验研究即可以获得从建造过程到成桥运营阶段全桥整体的最不利受力状态，对此类试验模型设计具有重要指导意义。
优选的，所述步骤3具体包括：
步骤3.1、根据等效模拟构件制造加工难度及场地条件综合考虑确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比；
步骤3.2、考虑到模型加工制作过程中对钢材板件厚度的限制，拼接采用严格缩尺后的板件尺寸进行模型制作，对钢结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计；
步骤3.3、考虑到便于混凝土桥面板中预应力钢束的布置及张拉，对混凝土结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的混凝土结构相似设计；
步骤3.4、对剪力连接件进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计。
优选的，所述步骤3.4存在以下两种情况：
Ⅰ、剪力连接件缩放后的尺寸能使用现有尺寸的剪力连接件替换，等效处理后得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计；
Ⅱ、剪力连接件缩放后尺寸小于国标规定的最小尺寸，因此考虑在保证模型与实际结构剪力连接件整体的剪切刚度和承载力满足相似关系的前提下选用其它直径的剪力连接件，需对剪力连接件进行重新布置，以得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计。
本发明横向、纵向、竖向采用同一相似比建立全截面钢混组合梁缩尺试验模型，即等比缩放得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计，有效地减小了实验模型的长度宽度高度，不仅能够真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等，还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,很好的解决了局部梁段缩尺试验模型加工与加载的问题。
优选的，所述步骤5中模拟全桥施工阶段包括模拟钢梁施工阶段加载和模拟成桥运营阶段加载，所述钢梁施工阶段加载包括钢梁顶升、钢梁底板压重及混凝土桥面板浇筑，所述成桥运营阶段加载包括混凝土桥面板预应力加载、斜拉索索力加载、列车荷载加载、混凝土桥面板配重加载及二期恒载加载。
通过局部截面缩尺实验模型来模拟全桥施工各个阶段，可以把关键施工过程模拟出来，准确反映建造过程中各个板件承受和传递的内力大小，真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等，进而准确反映过程建造到成桥整体结构力学形态和受力变化特征。
一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型，包括局部截面缩尺实验模型及反力墙，所述局部截面缩尺实验模型的一端与反力墙连接，另一端连接有用于对所述局部截面缩尺实验模型施加竖向力和纵向力的模拟加载组件，所述局部截面缩尺实验模型的下方设有辅助墩和力传感器，所述力传感器位于局部截面缩尺实验模型与辅助墩之间。
通过受力等效的方法建立试验组合梁模型，采用模拟加载组件对局部截面缩尺实验模型进行加载，力传感器获取应力数据，通过有限元方法对相同边界、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。
优选的，所述局部截面缩尺实验模型包括钢箱梁、锚拉板及模拟配重，所述钢箱梁上设有混凝土桥面板和压重混凝土，所述钢箱梁的一端与反力墙连接，另一端与模拟加载组件连接，所述锚拉板设置在钢箱梁上部的两侧并通过斜拉索与反力墙连接，所述模拟配重包括二期恒载、列车荷载及混凝土桥面板配重，所述二期恒载、列车荷载及混凝土桥面板配重均位于混凝土桥面板上。
通过钢箱梁、锚拉板、混凝土桥面板、压重混凝土和模拟配重等构件对局部截面缩尺试验模型进行相似设计，确保局部梁段缩尺试验有限元模型与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型的应力等效。
优选的，所述钢箱梁的两端分别为箱梁固定端和分载梁端，所述箱梁固定端与反力墙连接，所述模拟加载组件包括竖向千斤顶和纵向千斤顶，所述竖向千斤顶和纵向千斤顶分别位于分载梁端的上下两侧，所述竖向千斤顶与分载梁端连接，所述竖向千斤顶连接有钢绞线，所述钢绞线通过钢绞线地锚锚具与纵向千斤顶连接，所述纵向千斤顶与反力墙连接。
采用竖向千斤顶，并结合分载梁端、钢绞线以及钢绞线地锚锚具来施加加载端竖向力，采用纵向千斤顶，并结合分载梁端、钢绞线与反力墙来施加加载端纵向轴力，使得箱梁固定端与反力墙固结，通过等效加载的方式，准确反映建造过程中各个板件承受和传递的内力大小，能够真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用局部截面缩尺实验模型与原结构受力等效的方法，通过有限元方法对相同边界、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，准确反映过程建造到成桥整体结构力学形态，保证设计完成的局部梁段缩尺试验模型能够代表原结构的受力及受力变化特征。
2、本发明能够准确反映建造过程中各个板件承受和传递的内力大小，能够真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等，通过把关键施工过程模拟出来，以反映大跨桥梁施工过程对结构成桥受力影响，试验模型更能反映过程建造到成桥整体结构力学形态，保证设计完成的局部梁段缩尺试验模型能够代表原结构的受力及受力变化特征。
3、本发明采用横向、纵向、竖向同一相似比建立全截面钢混组合梁缩尺试验模型，有效地减小了实验模型的长度宽度高度，能够准确反映各个板件承受和传递的内力大小，也能反映箱形截面的剪力滞效应等内容，同时能够真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等。在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，很好的解决了局部梁段缩尺试验模型加工与加载的问题。
4、本发明只需要对最不利截面单独进行模型试验研究即可以获得从建造过程到成桥运营阶段全桥整体的最不利受力状态，对此类试验模型设计具有重要指导意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明大桥整体的立面布置示意图；
图2是本发明实验模型加载的侧视图；
图3是本发明实验模型后续加载的正视图。
附图标记：1、箱梁固定端；2、竖向千斤顶；3、反力墙；4、纵向千斤顶；5、钢绞线地锚锚具；6、钢箱梁；7、斜拉索；8、混凝土配重块；9、混凝土桥面板；10、一期压重混凝土；11、辅助墩；12、分载梁端；13、钢绞线；14、力传感器；15、锚拉板；16、斜拉索着墙端锚固工装；18、分块吊装梁段；19、边跨整体吊装梁段；20、中跨整体吊装梁段；21、塔区压重段；22、辅助墩压重段；23、端支点压重段；24、二期恒载；25、列车荷载；26、混凝土桥面板配重。
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及附图，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标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。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1-图3对本发明作详细说明。
本实施例提供一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，包括如下步骤：
步骤1、建立桥整体含施工阶段应力计算有限元模型，从主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型中确定最不利受力截面，参阅图1，主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型包括分块吊装梁段18、边跨整体吊装梁段19、中跨整体吊装梁段20、塔区压重段21、辅助墩压重段22及端支点压重段23，具体包括：
步骤1.1、基于主桥实际情况建立包括主梁、主塔、桥墩及斜拉索7并考虑桥梁建造施工阶段的主桥整体有限元模型；
步骤1.2、对构建的有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，并结合桥梁的实际情况，施加建造过程到成桥运营阶段所有种荷载组合，其中，施加的荷载包括钢梁施工阶段荷载和成桥运营阶段荷载，钢梁施工阶段荷载包括竖向剪力、钢梁底板压重荷载及混凝土桥面板9荷载，成桥运营阶段荷载包括混凝土桥面板9预应力、斜拉索7索力、列车荷载25、混凝土桥面板配重26及二期恒载24；
步骤1.3、对有限元模型的计算结果进行分析，考察主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型应力，以主要梁段的应力最大的区域作为最不利受力截面。
本发明提出的局部梁段模型是根据主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型结果，按应力最大的原则选取的，同时兼顾各个施工阶段以及成桥之后各个工况作用下的最不利截面，这种方式选出来的最不利截面具有普适性、代表性，在选取最不利截面时，查看从建造过程到成桥运营阶段荷载组合作用下的主梁受力情况，确定在后续试验模型设计过程中，辅助墩11支点处为最不利截面。因此，只需要对最不利截面单独进行模型试验研究即可以获得从建造过程到成桥运营阶段全桥整体的最不利受力状态，对此类试验模型设计具有重要指导意义。
步骤2、基于步骤1中确定的最不利受力截面建立最不利受力截面局部梁段有限元模型，并将最不利受力截面局部梁段有限元模型静力结果与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型计算结果比较并保证局部梁段有限元模型与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型的应力等效。
本发明提出的最不利受力截面局部梁段有限元模型选取了全桥靠近最不利截面10个主梁节段、6个主梁节段、4个主梁节段建立最不利受力截面局部梁段有限元模型，全长分别为105m、63m、42m。3个模型计算结果都与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型对应区域误差在5％以内，后续局部梁段缩尺试验模型考虑到注重辅助墩11截面应力情况与实验室场地，加载便捷性等因素选择42m的模型。
步骤3、确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计，具体包括：
步骤3.1、根据等效模拟构件制造加工难度及场地条件综合考虑确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比；
步骤3.2、考虑到模型加工制作过程中对钢材板件厚度的限制，拼接采用严格缩尺后的板件尺寸进行模型制作，对钢结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计；
步骤3.3、考虑到便于混凝土桥面板9中预应力钢束的布置及张拉，对混凝土结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的混凝土结构相似设计；
步骤3.4、对剪力连接件进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计，具体存在以下两种情况：
Ⅰ、剪力连接件缩放后的尺寸能使用现有尺寸的剪力连接件替换，等效处理后得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计；
Ⅱ、剪力连接件缩放后尺寸小于国标规定的最小尺寸，因此考虑在保证模型与实际结构剪力连接件整体的剪切刚度和承载力满足相似关系的前提下选用其它直径的剪力连接件，需对剪力连接件进行重新布置，以得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计。
具体的，原桥双节段主梁混凝土桥面板9长21m、宽17.03m、厚度0.5m，试验模型严格按1:2.5的缩尺比例进行缩放后，混凝土桥面板9长度为8.4m，宽度为6.812m，厚度为0.2m。但是，结合试验条件，考虑到便于混凝土桥面板9中预应力钢束的布置及张拉，故将混凝土桥面板9长度修改为8m，在着墙端预留0.4m的空间，试验时，混凝土桥面板9采用现浇方式施工，宽度依然为6.812m，厚度为20cm；原桥剪力连接件采用圆柱头焊钉，顶板翼缘栓钉公称直径为22mm，拼接板上栓钉公称直径为16mm，底板栓钉公称直径为22mm。经1:2.5的比例缩尺后，三种栓钉直径分别为8.8mm、6.4mm、8.8mm。实际中，根据《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433-2005)标准，栓钉的最小公称直径为10mm。因此考虑在保证模型与实际结构剪力钉群整体的剪切刚度和承载力满足相似关系的前提下选用其它直径的剪力钉，需对其进行重新布置；原桥混凝土桥面板9内预应力束共计21束，缩尺后各钢束的间距较小，钢束面积亦较小，因此需要在保证预应力效应等效的前提下对原预应力重新布置；上述剪力钉及钢束的重新布置都遵循等效原则，旨在与原结构受力等效。
步骤4、基于步骤3的等效结果建立局部截面缩尺实验模型，并通过局部梁段模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计建立局部梁段缩尺试验有限元模型，并基于局部梁段缩尺试验有限元模型验证与最不利受力截面局部梁段有限元模型静力计算结果的等效性。
具体的，通过有限元方法对相同边界、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，保证了设计完成的局部梁段缩尺试验模型能够代表原结构的受力特征。
步骤5、通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工各个阶段，具体的，模拟全桥施工阶段包括模拟钢梁施工阶段加载和模拟成桥运营阶段加载，钢梁施工阶段加载包括钢梁顶升、钢梁底板压重及混凝土桥面板9浇筑，成桥运营阶段加载包括混凝土桥面板9预应力加载、斜拉索7索力加载、列车荷载25加载、混凝土桥面板配重26加载及二期恒载24加载。
具体的，如图2、图3所示，通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工各个阶段。在试验过程中，采用等效加载方式。施工阶段加载力主要包括加载端竖向剪力、压重荷载及混凝土桥面板9荷载。通过斜拉索7索力、加载端竖向力及纵向加载力等使主梁辅助墩11支点处对应控制截面的内力达到目标值。结合原桥钢-混组合梁结构受力特性以及混凝土桥面板9中预应力钢束的布置方式等，采用下列加载方法来实现试验模型边界力的模拟。具体加载方法如下：钢梁顶升仅通过加载端竖向千斤顶2在加载端施加竖向剪力，在辅助墩11支点处采用力传感器14获取应力数据以模拟钢梁顶升；钢梁底板压重需在钢梁顶升的基础上对加载端剪力进行适当调整，并在钢箱梁6内浇筑一期压重混凝土10，待混凝土养护7～10天后将混凝土配重悬挂于底板；混凝土桥面板9浇筑需在钢梁底板压重的基础上对加载端竖向剪力进行适当调整，然后浇筑混凝土桥面板9。施工阶段加载工况为连续加载工况且持续时间较长，加载过程中需使加载端竖向剪力保持相对稳定。钢梁与混凝土桥面板9形成组合作用后的成桥运营加载阶段包括：混凝土桥面板9预应力加载阶段、斜拉索7索力加载阶段、列车荷载25加载阶段、混凝土桥面板配重26加载阶段、二期恒载24加载阶段。在混凝土桥面板9浇筑完毕并养护7～10天后，即可开始预应力加载阶段，混凝土桥面板9纵向预加力通过纵向千斤顶4并配合钢绞线13来提供；斜拉索7索力加载阶段斜拉索7索力通过锚拉板15、斜拉索着墙端锚固工装16及反力墙3来施加；混凝土桥面板9养护至28天后，可进行后续阶段的加载，列车荷载25、混凝土桥面板配重26、二期恒载24等均依靠混凝土部件的自重提供。
基于上述设计方法，本实施例提供一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型，参阅图2和图3，包括局部截面缩尺实验模型及反力墙3，局部截面缩尺实验模型的一端与反力墙3连接，另一端连接有用于对局部截面缩尺实验模型施加竖向力和纵向力的模拟加载组件，局部截面缩尺实验模型的下方设有辅助墩11和力传感器14，力传感器14位于局部截面缩尺实验模型与辅助墩11之间。
在本实施例中，参阅图2和图3，局部截面缩尺实验模型包括钢箱梁6、锚拉板15及模拟配重，钢箱梁6上设有混凝土桥面板9和压重混凝土，混凝土桥面板9位于钢箱梁6顶面，压重混凝土包括一期压重混凝土10和混凝土配重块8，一期压重混凝土10位于钢箱梁6的内底壁上，混凝土配重块8通过，钢箱梁6的一端与反力墙3连接，另一端与模拟加载组件连接，反力墙3上设有斜拉索着墙端锚固工装16，锚拉板15设置在钢箱梁6上部的两侧并通过斜拉索7与反力墙3上的斜拉索着墙端锚固工装16连接，模拟配重包括二期恒载24、列车荷载25及混凝土桥面板配重26，二期恒载24、列车荷载25及混凝土桥面板配重26均位于混凝土桥面板9上。
在本实施例中，参阅图2和图3，钢箱梁6的两端分别为箱梁固定端1和分载梁端12，箱梁固定端1与反力墙3连接，模拟加载组件包括竖向千斤顶2和纵向千斤顶4，竖向千斤顶2和纵向千斤顶4分别位于分载梁端12的上下两侧，竖向千斤顶2与分载梁端12连接，竖向千斤顶2连接有钢绞线13，钢绞线13通过钢绞线地锚锚具5与纵向千斤顶4连接，纵向千斤顶4与反力墙3连接。
具体的，本发明对此类试验模型设计具有重要指导意义，运用受力等效的方法建立试验组合梁模型，通过有限元方法对相同边界、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，不仅减小了实验模型的长度宽度高度，在准确反映各个板件承受和传递的内力大小和反映箱形截面的剪力滞效应等内容的前提下，还能够真实全面地模拟原结构的应力分布、传力机理等，降低了模型加工难度，同时保证结构所需的加载值不会过大，即降低了加载难度，很好的解决了局部梁段缩尺试验模型加工与加载的问题。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型，其特征在于，包括局部截面缩尺实验模型及反力墙（3），所述局部截面缩尺实验模型的一端与反力墙（3）连接，另一端连接有用于对所述局部截面缩尺实验模型施加竖向力和纵向力的模拟加载组件，所述局部截面缩尺实验模型的下方设有辅助墩（11）和力传感器（14），所述力传感器（14）位于局部截面缩尺实验模型与辅助墩（11）之间；
所述局部截面缩尺实验模型包括钢箱梁（6）、锚拉板（15）及模拟配重，所述钢箱梁（6）上设有混凝土桥面板（9）和压重混凝土，所述钢箱梁（6）的一端与反力墙（3）连接，另一端与模拟加载组件连接，所述锚拉板（15）设置在钢箱梁（6）上部的两侧并通过斜拉索（7）与反力墙（3）连接，所述模拟配重包括二期恒载（24）、列车荷载（25）及混凝土桥面板配重（26），所述二期恒载（24）、列车荷载（25）及混凝土桥面板配重（26）均位于混凝土桥面板（9）上。
2.根据权要求1所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型，其特征在于，所述钢箱梁（6）的两端分别为箱梁固定端（1）和分载梁端（12），所述箱梁固定端（1）与反力墙（3）连接，所述模拟加载组件包括竖向千斤顶（2）和纵向千斤顶（4），所述竖向千斤顶（2）和纵向千斤顶（4）分别位于分载梁端（12）的上下两侧，所述竖向千斤顶（2）与分载梁端（12）连接，所述竖向千斤顶（2）连接有钢绞线（13），所述钢绞线（13）通过钢绞线地锚锚具（5）与纵向千斤顶（4）连接，所述纵向千斤顶（4）与反力墙（3）连接。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立桥整体含施工阶段应力计算有限元模型并从主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型中确定最不利受力截面；
步骤2、基于步骤1中确定的最不利受力截面建立最不利受力截面局部梁段有限元模型，并将最不利受力截面局部梁段有限元模型静力结果与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型计算结果比较并保证局部梁段有限元模型与主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型的应力等效；
步骤3、确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计；
步骤4、基于步骤3的等效结果建立局部截面缩尺实验模型，并通过局部梁段模型的钢结构相似设计、混凝土结构相似设计及剪力连接件的相似设计建立局部梁段缩尺试验有限元模型，并基于局部梁段缩尺试验有限元模型验证与最不利受力截面局部梁段有限元模型静力计算结果的等效性；
步骤5、通过局部截面缩尺实验模型过程建造来模拟全桥施工各个阶段。
4.根据权利要求3所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤 1.1、基于主桥实际情况建立包括主梁、主塔、桥墩及斜拉索（7）并考虑桥梁建造施工阶段的主桥整体有限元模型；
步骤1.2、对构建的有限元模型施加与实际桥梁对应的等效边界约束，并结合桥梁的实际情况，施加建造过程到成桥运营阶段所有种荷载组合；
步骤1.3、对有限元模型的计算结果进行分析，考察主桥整体含施工阶段应力计算有限元模型应力，以主要梁段的应力最大的区域作为最不利受力截面。
5.根据权要求4所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤1.2中施加的荷载包括钢梁施工阶段荷载和成桥运营阶段荷载，所述钢梁施工阶段荷载包括竖向剪力、钢梁底板压重荷载及混凝土桥面板（9）荷载，所述成桥运营阶段荷载包括混凝土桥面板（9）预应力、斜拉索（7）索力、列车荷载（25）、混凝土桥面板配重（26）及二期恒载（24）。
6.根据权要求3所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1、根据等效模拟构件制造加工难度及场地条件综合考虑确定局部梁段缩尺试验模型的几何相似比；
步骤3.2、考虑到模型加工制作过程中对钢材板件厚度的限制，拼接采用严格缩尺后的板件尺寸进行模型制作，对钢结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的钢结构相似设计；
步骤3.3、考虑到便于混凝土桥面板（9）中预应力钢束的布置及张拉，对混凝土结构进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的混凝土结构相似设计；
步骤3.4、对剪力连接件进行相应的等效处理，得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计。
7.根据权要求4所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤3.4存在以下两种情况：
Ⅰ、剪力连接件缩放后的尺寸能使用现有尺寸的剪力连接件替换，等效处理后得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计；
Ⅱ、剪力连接件缩放后尺寸小于国标规定的最小尺寸，因此考虑在保证模型与实际结构剪力连接件整体的剪切刚度和承载力满足相似关系的前提下选用其它直径的剪力连接件，需对剪力连接件进行重新布置，以得到局部梁段缩尺试验模型的剪力连接件相似设计。
8.根据权要求3所述的一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法，其特征在于，所述步骤5中模拟全桥施工阶段包括模拟钢梁施工阶段加载和模拟成桥运营阶段加载，所述钢梁施工阶段加载包括钢梁顶升、钢梁底板压重及混凝土桥面板（9）浇筑，所述成桥运营阶段加载包括混凝土桥面板（9）预应力加载、斜拉索（7）索力加载、列车荷载（25）加载、混凝土桥面板配重（26）加载及二期恒载（24）加载。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310881361.0A CN117172046B (zh) | 2023-07-18 | 2023-07-18 | 一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310881361.0A CN117172046B (zh) | 2023-07-18 | 2023-07-18 | 一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117172046A CN117172046A (zh) | 2023-12-05 |
| CN117172046B true CN117172046B (zh) | 2024-05-07 |
Family
ID=88928787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310881361.0A Active CN117172046B (zh) | 2023-07-18 | 2023-07-18 | 一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117172046B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180099587A (ko) * | 2018-08-16 | 2018-09-05 | 정현열 | 연속교량 내부지점부의 하이브리드 단면을 이용한 이중합성 하이브리드 거더의 제작 및 가설방법 |
| CN109238757A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-01-18 | 中南大学 | 一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法 |
| CN110032829A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-07-19 | 成都理工大学 | 钢-混凝土组合梁的应力计算方法 |
| CN113218687A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-06 | 西南交通大学 | 斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置及其试验方法 |
| CN114692284A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-07-01 | 西南交通大学 | 宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法 |
| WO2023016573A1 (zh) * | 2022-05-09 | 2023-02-16 | 中铁四局集团有限公司 | 一种斜拉桥钢混主梁的施工方法 |
-
2023
- 2023-07-18 CN CN202310881361.0A patent/CN117172046B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180099587A (ko) * | 2018-08-16 | 2018-09-05 | 정현열 | 연속교량 내부지점부의 하이브리드 단면을 이용한 이중합성 하이브리드 거더의 제작 및 가설방법 |
| CN109238757A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-01-18 | 中南大学 | 一种地震下高铁列车行车安全模型试验的分维相似设计方法 |
| CN110032829A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-07-19 | 成都理工大学 | 钢-混凝土组合梁的应力计算方法 |
| CN113218687A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-06 | 西南交通大学 | 斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置及其试验方法 |
| WO2023016573A1 (zh) * | 2022-05-09 | 2023-02-16 | 中铁四局集团有限公司 | 一种斜拉桥钢混主梁的施工方法 |
| CN114692284A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-07-01 | 西南交通大学 | 宽幅组合-混合梁斜拉桥结合段试验模型设计方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Mechanical behaviour of a novel floor system with horizontal K-shaped brace in Long-span High-speed railway steel truss Cable-stayed bridge;Zhou Shi, Wanqing Yu, Jiachang Gu, Jiaqi Li, Meiling Zhong;Engineering Structures;20211215;第249卷;全文 * |
| 大跨斜拉桥结构健康监测实验室模型试验平台;周林仁;欧进萍;杨鸥;肖仪清;李成涛;;实验力学;20121215(第06期);全文 * |
| 大跨曲线斜拉桥Π形主梁分析方法研究;张二华;单德山;周泳涛;;世界桥梁;20170928(第05期);全文 * |
| 混合梁悬索桥钢混结合段局部应力分析;周宗尧;唐细彪;;世界桥梁;20130528(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117172046A (zh) | 2023-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Han et al. | Flexural behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) chord to hollow tubular brace truss: experiments | |
| CN111914458B (zh) | 一种钢筋混凝土拱桥拱圈线形控制方法 | |
| Zhao et al. | Experimental study on seismic behaviour of composite frames with wide floor slabs considering the effect of floor loads | |
| CN2527608Y (zh) | 预应力大跨度实腹钢梁结构体系 | |
| Zhang et al. | The world's first extradosed bridge with corrugated steel webs: Japan's Ohmi–Odori Bridge | |
| CN117172046B (zh) | 一种基于过程建造的高铁组合梁斜拉桥试验模型设计方法 | |
| CN117569609A (zh) | 一种用于大跨度张弦梁整体吊装施工方法 | |
| CN110886217B (zh) | 斜拉索和桥塔锚固的预制预应力混凝土锚梁构造 | |
| Deligia et al. | Structural optimization of composite steel trussed-concrete beams | |
| CN220413980U (zh) | 一种顶推施工双用预应力下承式贝雷钢栈桥 | |
| CN218643163U (zh) | 采用贯入式与锚拉板式钢桁架组合桥钢混结合段连接结构 | |
| CN220704317U (zh) | 一种适用于斜拉桥边跨的钢骨架及一种斜拉桥 | |
| CN216948748U (zh) | 一种建筑用加强型钢结构承重横梁结构 | |
| Galaka | Optimization of prestressed roof structures' cross sections of industrial buildings | |
| Tran et al. | Structural behaviour of 2D post-tensioned precast beam-column sub-assemblages subjected to column loss scenario | |
| CN219825835U (zh) | 一种混凝土工字型组合梁结构 | |
| CN214531431U (zh) | 一种张弦梁与悬挑桁架组合屋架 | |
| CN220579805U (zh) | 一种预制先张预应力肋式桥面板结构 | |
| CN112554055B (zh) | 一种斜拉桥索塔结构体系快速施工方法 | |
| Guo et al. | Experimental and numerical investigation of the prefabricated steel–concrete open-web composite floor with embedded chords | |
| CN116802359A (zh) | 复合rcc桥面和预应力抛物线形底弦杆下悬式空腹钢梁桥梁上部结构 | |
| CN205604256U (zh) | 一种预应力鱼腹梁 | |
| Deng et al. | Experimental study on asynchronous construction for composite bridges with CSWs: Comparative study | |
| CN115821759A (zh) | 一种钢-混叠合梁斜拉桥的优化施工方法 | |
| Subcommittee 3 on Prestressed Steel of Joint American Society of Civil Engineers-AASHO Committee on Steel Flexural Members | Development and use of prestressed steel flexural members |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |