[doc] 斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验设计

[doc] 斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验设计 斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验 设计 四川建筑科学研究 SichuanBuildingScience 第35卷第4期 2009年8月 斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验设计 刘兆丰,史方华,赵人达,杨永清,王晓阳 (1.西南交通大学土木工程学院,四川成都610031; 2.浙江省交通规范设计研究院,浙江杭州310006) 摘要:采用结构模型试验的相似理论,应用方程分析的方法,推导了相似指标.为了研究分幅联塔斜拉桥的联塔力学行为, 对甬江特大桥整个桥塔进行缩尺模型试验研究,介绍了模型试验的结构设计和加载方法设计,建立了求解索力的数学 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 模 型. 关键词:斜拉桥;模型试验;联塔;相似理论;模型设计 中图分类号:U448.27文献标识码:A文章编号:1008—1933(2009)04—040—05 Thesimilaritytheoriesanalysisanddesignofmodeltest forcabel-styedbridgepylon UUZhaofeng,SHIFanghua2, ZHAORenda,YANGYongqing,WANGXiaoyang2 (1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China; 2.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlaning,DesignandResearch,Hangzhou310006,China) Abstract:Thetheoriesofstructureexperimentationmodelal?epresentedbycombiningtheequationanalysis.Ratioofsimilitudeand similaritycriteriaarededuced.Inordertostudyonthemechanicbehaviourofthejoint—pylonofthecabel—styedbridgewithseparate twinprestressgirdersandaunitedtwin—pylon.AtestforthewholepylonofY ongjiangsuper—largebridgeismadewithascale-down mode1.Thestructuraldesignandloadingmethodsforthetestmodelarepresented.Themathematicalprogrammingmodelofcable tensionoptimizationisestablished. Keywords:eabel-styedbridge;modeltest;joint-pylon;similaritytheories;modeldesign 0引言 模型试验研究是获取复杂结构各种性能的一种 比较直观的科学研究方法,通过模型试验对结构的 工作性能进行试验研究,既可以达到验证计算分析 方法正确性的目的,还可以弥补理论计算不可避免 的模型简化所带来的偏差,进一步确保所研究结构 的受力安全.结构的相似包括物理量的相似和物理 过程的相似?J.物理量的相似是几何相似的延伸 和发展.与结构性能有关的一些主要物理量的相似 有:荷载相似,刚度相似,质量相似和时间相似.而 物理过程的相似,则要求模型和原型的各相应物理 量在对应地点和对应时刻成比例.模型设计的关键 是求出各物理量的相似指标. 国道主干线宁波绕城公路东段第二设计 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 段 (好思房一颜家桥)跨甬江 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用桥梁过江,经经 收稿日期:2007-l1-29 作者简介:刘兆丰(1982一),男,湖南邵阳人,博士研究生,主要从事 桥梁结构行为方面的研究. E—mail:lzfl126@163.com 济技术分析比较,设计方案之一采用联塔四索面分 幅预应力混凝土主梁斜拉桥,跨径组成为63+132 +468+132+63(In)(图1),共分两幅.索塔选用 钻石型,总高144.069In,其中,下横梁节点以上部 分高117.487In,索塔上塔柱在其顶部区域通过混 凝土板相联(塔柱结合部),两主塔在其横梁上下部 的一段区域内连接在一起(联塔位置),索塔上部横 截面如图2所示,塔柱标准横截面如图3所示,索塔 立面布置如图4所示.斜拉索采用平行钢丝斜拉 索,各索塔的中跨,边跨各设28对斜拉索,在索塔处 设0号索,全桥共456根斜拉索,拉索在主梁上的基 本索距为8m,属于现代密索体系斜拉桥. 468 图1甬江特大桥立面(m) Fig.1ElevationdrawingofYongjiangsuper?large bridge(In) 刘兆丰,等:斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验设计4l 图2上塔柱截面示意 Fig.2Schematicdrainingof sectionoftheupper pylon 图3塔柱标准截面示意 Fig.3Schematicdrawing oftypicalsection ofthepylon 图4桥塔立面(m) Fig.4Elevationdrawmgofthebridgepylon(m) 该桥联塔结合部结构的力学行为复杂,不仅与 联塔本身构造相关,也受到塔主体结构型式,塔上横 梁体系和其他结构构造的影响.由于没有现成的经 验和实例可供借鉴,结合部的工作状态如何,是设计 中的一大疑点和难点.为了消除该疑点,确保索塔 结构的安全可靠,必须针对联塔构造,进行塔部模型 试验研究,以明确联塔构造等塔结构的力学行为. 1模型试验的相似性推导 1.1相似转换过程 模型试验要求模型与原型之间遵循相似准则, 使得模型能再现原型的特性].基本过程可以表 述为:将原型的特征参数经过相似关系变化转化为 模型的特征参数,通过模型在特征参数状态下所进 行试验获得模型的响应参数,再由模型的相似关系 变换将模型的响应参数转化为原型的响应参数,从 而间接地获得原型结构的响应参数.上述过程可由 以下关系式表达: {}=[s.]{P0}(1) {}=,({})(2) {P,}=[.s]{}(3) 式中{P.},{眠{分别为原型,模型的特征参数 (几何尺寸,结构强度等已知状态参数);{P,}, {}分别为原型,模型的响应参数(极限强度,位移 等试验要求了解的未知状态参数);{S.},{s}为相 似转换矩阵,是由严格满足相似关系的相似常数组 成;F({})表示响应参数为特征参数的函数,可 以是明确的函数关系式,也可通过试验来给出关系. 可见,模型设计的关键是求出相似矩阵{S.}, {5,},即求出各物理量的相似指标. 1.2相似指标推导 根据相似理论,原型与模型相似的必要条件是: 描述原型与模型力学现象的两组数学方程应该相 同].下面,根据这一条件,推导静力模型试验的 相似指标. 在线弹性范围内,结构力学现象可用下面系列 弹性力学方程表征. 平衡微分方程: a/Ox+OTvI/Oy+a/Oz+X=0 a(7I/Oy+OT/Oz+ary/OX+Y=0 a/Oz+a丁/Ox+arvz/Oz+Z=0 几何方程: =OU/OX =?,OxOu/Oy 8y=Ov/Oy 7=Ow/Oy+Ov/Oz :Ow/Oz :Ou/Oz+Ow/Ox 应力一应变关系物理方程: = [一(+)]/E = [o-一(+)]/E = [一(+)]/E 7=2(1+)r/E y:2(1+)T=/E y=2(1+)Try/E 力边界条件: X=Z+丁in+zx Y丁HZ+vm+TzyIt ZrZ+Tyzm+t,l 位移边界条件: U=U = W=W 式中”“„表示已知的位移量. 设模型(m)与原型(P)相似,记几何相似常数 C=lm/l.,类似地,应力,应变,位移,弹模,泊松比, 体积力(容重),面力,线荷载,集中力,弯矩的相似 常数分别记为C,c,c,C,C,C,C又,C,CF,cM. 对于弹性力学中的平衡微分方程,原型和模型 分别有: a()p/Oxp+a(7-y)p/Oyp+a(7-)p/Ozp+Xp=0 (4) 一0.寸=一 一卜?甘卜一一一?蚺.一 42四川建筑科学研究第35卷 a(盯)?,/Oxn.+a(7-)/Oy+a()/Oz+ = 0(5) 将模型的平衡微分方程(5)中的各量用原型的 相应项与对应的相似常数的乘积代入,整理可得: (c/CI)[a()/Ox+a(“ryx)/Oyp+a()/ p]+CXp=0(6) 根据相似原理,式(4)和式(6)应该相同,对比 两方程可求得相似指标: C/CCl=1 按同样方法求其他相似指标式.由弹性力学几 何方程推得: C/C.Cl=1 由弹性力学物理方程推得: C=1 C/CEC=1 弹性力学边界条件方程可得: Cx/C:1 进一步可推得: Cq=CxCl=CCl CF=C.C1=cC CM=CFC】=cC 2模型设计 模型的基本设计原则为:采用相同 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的模型, 并采用等应力模拟,即桥塔模型的基本断面形式与 实际结构相同,主要构造尺寸按照几何相似的原则 进行模拟;模型中的普通钢筋根据原型桥塔的普 通钢筋和劲性骨架的布置方式按照含筋率进行等 效,并结合结构的构造要求进行布置;模型中拉索的 布置采用力的等效原则进行(在相应工况下,模型 中拉索导致的桥塔控制截面的内力应与实际桥塔的 控制截面的内力满足相似比的要求).模型试验 中,重点考察桥塔整体结构的实际受力特征,并考察 塔柱联结部分的应力大小及其分布状况. 在采用与原型结构相同材料的情况下,弹性模 量,泊松比的相似常数为1,模型几何尺寸按照相似 比3/40进行缩尺,鉴于模型试验只分析塔的受力, 故梁未按实际结构等效,只根据斜拉索下端张拉锚 固需要制作锚固梁(台座),试验模型如图5,6所 示.按照相似理论可推导出材料的容重相似常数为 40/3,即模型材料的容重应为原型材料的13.333 倍.根据容重的相似常数,在试验中进行恒载补偿, 尽可能地将12.333倍模型自重的附加荷载均匀施 加在整个桥塔上.在设计模型试验时,结合斜拉索 的位置和可操作的实际空间,将桥塔沿高度方向共 分为若干部分,在每个部分的每肢塔柱中点处施加 相当于该节段自重12.333倍的补偿恒载,每个节段 的配重分为两部分沿桥跨方向对称加载在塔壁上. 鉴于模型比例较小,补偿的配重较大,可操作的空间 很局限,配重采用杠杆加载(图7),这样,可以用小 重量的配重块达到补偿恒载的要求.通过杠杆臂长 度的变化,调节实际补偿恒载,使之满足各节段恒载 补偿的重量要求. 0525 t?//if,//,./,.\.\.\\\\\..- I—I—J—rJ—I—JJ,一I—I1rJ—If门0,?0?z??0?40?D?zz?zz??, /lI地蔹线地锚螺3..762槽道锚固台/座l 图5模型立面 Fig.5Elevationdrawingofmodel(m) 图6模型平面 Fig.6Planedrawingofmodel(m) 图7配重的加载 Fig.7Loadingofcounterbalance 模型中拉索的布置采用力的等效原则进行,即 在相应工况下,模型中拉索导致的桥塔控制截面的 内力应与实际桥塔的控制截面的内力满足相似常数 的要求.按比例缩小后的模型空间尺度相对较小, 没有足够的操作空间完全按实际桥塔的拉索来布 置,故在满足模型受力和实际结构在相应工况下等 效的条件下,结合实际桥塔拉索的布置形式和索力 大小,适当减少拉索的数量,将各索塔的中跨,边跨 各28对斜拉索先分别拟缩减为9对共72根斜拉索 (型号为q~sl5.24nllT1),然后,根据计算确定实际需 要张拉的斜拉索(小于或等于72根).斜拉索下端 锚固台座做成竹形梁的样式(图8),边塔柱的拉索 刘兆丰,等:斜拉桥桥塔模型试验相似理论分析及试验设计43 下端锚固于梁的翼缘底部,中塔柱的拉索下端锚固 于梁的内腔顶板底部,锚固端设置贯通全截面的梯 形横隔板,即同一截面处4根拉索锚固于同一横隔 板上.考虑结构受力要求和工作人员锚固并张拉斜 拉索所需的操作空间要求,锚固梁主要尺寸设置如 下:梁高2.ooom,上缘宽4.5m,顶板厚0.180m,腹 板厚0.180m,腹板中心距2.000m.台座通过竖向 钢绞线锚固在地上(穿过腹板中心设置1qbsl5.24 lnlTl的高强度低松弛钢绞线,钢绞线下端锚固在槽 道内,上端在顶板上缘锚固并张拉).拉索上端锚 固在塔壁外附加设置的钢构件上(图9—11).附加 设置钢构件的作用是锚固斜拉索,且保证该区域的 混凝土不被拉坏,避免局部破坏影响结构的整体受 力性能而达不到试验目的. … 錾图8锚固台座截面 Fig.8Schematicsectional drawingofanchor beam 图9塔上锚固构造侧立面 Fig.9Schematicsideelevation drawingofanchor structureonthepylon 图10塔上锚固构造纵 半皿 Fig.10Schematicvertical elevationdrawingof anchorstructure onthepylon 圈11塔上锚固构造 平面 Fig.11Schematicplane drawinganchorof anchorstructureon thepy]on 3加载工况 通过计算分析比较,以塔的应力出现峰值的部 位作为控制截面(上塔柱交接处,塔柱中部,下横梁 与塔柱交接处,联塔部位,塔脚等部位),根据各控 制截面在相应工况下的应力比较,选取了两个不利 工况,加上配重加载共3个工况.工况1:配重作 用;工况2:恒载+纵风组合作用;工况3:塔顶沿纵 桥向最大错位状态.后两种工况是在工况1的基础 上通过调张拉索力来模拟桥塔在相应工况下的受力 情况,对应的索力可通过求解式(1)的数学规划模 型求得: Mi 芳 其中T_C[,,,…,]共凡根斜拉索 S.0<Ti~<200kN 式(7)中,,:分别为弯矩,轴力的权重系数; (),?()为索力引起的各控制截面的弯矩向量, 轴力向量,可以利用影响矩阵法显示表达出关系式; 分别为模型塔各控制截面在相应工况下的弯 矩向量,轴力向量,可由原型塔相应截面的弯矩,轴 力通过相似常数转换得到;,分别为计算模型 塔中恒载(包括配重)引起的各控制截面的弯矩向 量,轴力向量.试验中,将200kN作为每根索的索 口施加优化索力后计算值?目标值 (7) 力限值. 利用计算机数值方法,可以求得上面二次规划 模型的最优数值解,即优化索力值.具体索力优化 迭代求解过程在这里不详细介绍,仅将优化索力 下相应控制截面的弯矩,轴力计算值和其目标值比 较结果列出,如图12,13所示.由图可见,各控制截 面内力计算值与目标值吻合得很好,索力计算方法 可行. . 1000 . 50o 0 口施加优化索力后计算值一目标值 备控制截面各控制截面 (a)弯矩比较(b)轴力比较 图12工况2下各控制截面内力计算值和目标值的比较 Fig?12Comparisonofinternalforcesbetweencalculationresultsandobjectr esultsatcontrollingsectionsundercase2 如?0?? 百.,鲁,静 四川建筑科学研究第35卷 咖 各控制截面各控制截面 (a)弯矩比较(b)轴力比较 图13工况3下各控制截面内力计算值和目标值的比较 F.13Com~rison0f.mteI11alforc~betweencalculationresIlltsando~ectresu Jtsatcontromngsec6oundercase3 4测试方法 在各控制截面处的主要受力钢筋上粘贴胶基应 变片测试钢筋应变;在试验截面表面粘贴混凝土应 变片测试混凝土应变;各斜拉索索力采用穿心式传 感器测量,并与千斤顶张拉力较核.试验测试中,通 过不同位置补偿点实现对环境温度等因素的补偿. 应变值采用数字应变仪自动采集存储.测试工况 下,进行应力测试前对所有应力测点清零,待该工况 完成后,进行应力测试,所得到的是这一测试工况下 各个断面上应力测点的应力增量,再与之前各个测 点的应力累计值进行叠加,就可得到各个测点的应 力总量. 5结论 分幅联塔结构为宁波绕城公路甬江特大桥的一 大特点,两索塔相联使得两幅桥的受力呈现出耦合 状态,单凭有限元程序进行计算分析不足以反映桥 塔的真实情况,辅以模型试验是必要的.求取各物 理量的相似指标是模型设计的必要环节,进行相似 指标推导时,对于难以用方程明确表示的量,通常在 进行相似指标的推导过程中引入量纲分析法;如果 结构的所求量可以用函数关系明确表示,可以采用 方程分析的方法来求相似指标,本文采用后者.试 验中利用索力加载的方法来模拟结构的相应不利工 况,便于操作,文中建立了索力优化的数学规划模 型,可方便求得索力.本模型试验规模较大,模型塔 上的配重构造和塔上斜拉索锚固构造均在操作空间 有限的情况下布置,模型及加载系统的设计,制作均 有极大难度,一些零部件的制作也及其繁琐,为今后 类似结构试验模型的研制提供了先例. 参考文献: [1]李德寅,王邦楣,林亚超.结构模型试验[M].北京:科学出版 社,l996. 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