（固体力学专业论文）武广客运专线140m钢箱系杆拱桥拱脚模型试验研究.pdf

摘要 汀泗桥是武广客运专线跨越京珠高速公路的一座下承式钢箱系 杆拱桥，跨度为1 4 0 m 。在该桥建成之前，国内还没有建成通车的同 类型高速铁路桥梁。该桥跨度大，而拱脚又是系杆拱桥的关键部位， 因此，本文在分析计算的基础上，对拱脚做了大比例模型试验，主要 完成了以下工作： 1 、根据圣维南原理，确定了拱脚模型试验、局部分析的范围。 由全桥的空间有限元分析，确定了拱脚分析计算和模型试验的三个最 不利工况：a 、模拟拱肋轴力最不利工况；b 、模拟拱肋面内弯矩( 竖 向) 最不利工况；c 、模拟拱肋面外弯矩( 横向) 最不利工况。 2 、对拱脚模型的三个最不利工况做了局部有限元分析，计算结 果与实桥拱脚的有限元计算结果较吻合。 3 、按照相似理论设计、制作了1 ：4 的大比例缩尺模型并且对模 型的锚固和加载方案进行了研究和设计。 4 、完成了三个最不利工况下的模型试验，结果表明：拱脚的有 限元分析结果与模型试验吻合较好；拱肋和系梁如采用直角连接时， 应力集中现象明显，改成圆弧曲线连接时，很好的缓解了应力集中现 象；拱脚总体应力水平不高，拱脚受力安全，设计合理。 本文的研究成果为1 4 0 m 下承式钢箱系杆拱桥拱脚设计提供了依 据，对其它类似结构也有参考价值。 关键词：下承式钢箱系杆拱桥，拱脚，局部模型，试验研究 a bs t r a c t w i t has p a no f14 0m e t e r s ，t h et i n g s ib r i d g ei sas t e e lb o xt h r o u g h f l e d - a r c hb r i d g eo fw u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，w h i c h o v e r p a s s e st h eb e i j i n g z h u h a ih i g h w a y b e f o r et h ec o m p l e t i o no ft h i s b r i d g e ，n os u c hh i g h - s p e e dr a i l w a yb r i d g eh a db e e nb u i l t t h es p a no ft h e b r i d g ei sl a r g ew h i l et h ea r c hs p r i n g e ri st h ec r u c i a lp a r to ft h et i e da r c h b r i d g e t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , l a r g e s c a l em o d e lt e s t so ft h i sb r i d g ew a s m a d eo nt h eb a s i so fa n a l y s i s t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es c o p eo fa r c hs p r i n g e rm o d e lt e s t sa n dl o c a la n a l y s e sw e r e d e f i n e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fs a i n t v e n a n t m e a n w h i l e ，b a s e do n t h et h r e e d i m e n t i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ew h o l eb r i d g e ，t h r e e m o s tu n f a v o r a b l el o a dc a s e so ft h ea n a l y s i sa n dm o d e lt e s t sw e r e d e t e r m i n e d ，t h a ti s ，砧t h el o a dc a s eo fm a i na r c ht os u b j e c tt ou n f a v o r a b l e a x i a lf o r c e ；b ，t h el o a dc a s eo fm a i na r c ht os u b j e c tt ou n f a v o r a b l e i n - p l a n eb e n d i n gm o m e n t ( v e r t i c a l ) ；c ，t h el o a dc a s eo fm a i na r c ht o s u b j e c tt ou n f a v o r a b l eo u t o f - p l a n eb e n d i n gm o m e n t ( c r o s sd i r e c t i o n ) 2 l o c a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su n d e rt h et h r e em o s tu n f a v o r a b l e l o a dc a s e so ft h ea r c hs p r i n g e rm o d e lw a sc o n d u c t e d t h er e s u l t sp r o v e d t ob ei n o s c u l a t ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n so ft h ea r c hs p r i n g e r o ft h et r u eb r i d g e 3 ar e d u c e d s c a l em o d e lo f1 ：4w a sm a d ea c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f s i m i l a r i t y , m o r e o v e r , t h ea n c h o r a g ea n dl o a d i n gp r o p o s a l so ft h em o d e l w e r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d 4 a f t e rt h em o d e lt e s t su n d e rt h et h r e em o s tu n f a v o r a b l ec a s e s ，t h e r e s u l t ss h o w ：t h eo u t c o m e so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e so ft h ea r c h s p r i n g e rt a l l yw e l lw i t ht h o s eo f t h em o d e lt e s t s i ft h em a i na r c ha n dt h e t i eb e a ma r ei np e r p e n d i c u l a rc o n n e c t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s sw i l l b eo b v i o u s ，w h i l ei nc i r c u l a rc u r v ec o n n e c t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s s c a nb er e l i e v e d t h es t r e s sl e v e lo ft h ea r c hs p r i n g e ri sl o wi ng e n e r a l ；t h e a r c hs p r i n g e ri ss t r e s s i n gs a f e t ya n dr e a s o n a b l ed e s i g n e d t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc a ns e r v i c ed e s i g no ft h i sb r i d g ea n dp r o v i d e r e f e r e n c e sf o ro t h e rs i m i l a rs t r u c t u r e s k e yw o r d s ：s t e e lb o xt h r o u g ht i e d - a r c hb r i d g e ，a r c hs p r i n g e r , p a r t i a lm o d e l ，t e s t s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名 日期：埠年工月上日 硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着我国经济建设的飞速发展，各地区人民的交流进一步加大，交通建设日 益增多，一大批高速公路和铁路客运专线开始建设，创新的桥梁结构形式不断涌 现。本文研究对象是我国正在建设的武广客运专线上一座1 4 0 m 下承式钢箱系杆 拱桥一汀泗桥。 在西方发达国家的高速铁路建设中，钢箱系杆拱桥是一种比较常见的桥式。 我国目前正处于铁路跨越式发展时期，铁路跨越高速公路和城市道路的情况越来 越多。钢箱系杆拱桥以其美观的造型、较大的跨度以及较低的建筑高度等优点， 开始成为我国高速铁路和客运专线设计中跨越高速公路或者城市道路采用的一 种桥型。 目前，国内还没有建成通车的高速铁路下承式钢箱系杆拱桥，而拱脚又是钢 箱系杆拱桥的关键部位，因此在对钢箱系杆拱桥的全桥结构形式进行分析计算和 模型试验的基础上，有必要对拱脚单独进行研究。 1 2 国内外大跨度钢箱系杆拱桥的发展 拱桥是一种既古老又年轻的桥梁形式n 1 。拱桥在世界桥梁史上是应用最早、 最广泛的一种桥梁体系，是一种推力结构。由天然形成的石拱到人们用离散的块 体砌筑石拱桥，是人类科学文化发展进步飞跃的体现嗍。 古代人类在拱桥的修建方面就已经达到很高的造诣。保留至今的古代桥梁多 半是拱桥。欧洲石拱桥最盛于罗马时代，不仅是当时桥梁建造技术的体现，更是 当时文化艺术发展的象征。修建于公元前1 5 8 一前1 6 7 年的法国加尔德水道桥就 是其中的典型代表。我国石拱桥技术富于民族风格，赵州桥修建于隋朝大业初年 ( 公元6 0 5 年左右) ，是世界上著名的割圆拱和大拱上加小拱结构，在世界桥梁 建筑历史上享有盛誉圆脚嘲。 伴随着科学技术的进步，拱桥作为五大桥型之一，至今仍然充满旺盛的活力。 硕十学位论文第一章绪论 在预应力混凝土出现之前，钢拱桥是大跨度桥梁的主要形式。在目前比较常用的 2 0 0 6 0 0 m 跨度范围内，拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对手。而在中小跨度， 则只要是有民间工匠的地方，就有条件修建拱桥n 儿司。上海卢浦大桥为主跨5 5 0 m 的中承式拱梁组合体系钢拱桥，是目前世界上跨径最大的拱桥n 1 。重庆巫山长江 大桥，跨径4 6 0 m ，是目前世界上跨度最大的钢筋混凝土拱桥确1 。 拱桥按照桥面的位置可分为上承式拱桥、下承式拱桥和中承式拱桥n m l 。在 竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力。拱桥的支座则不但要承受 竖直方向的力，还要承受水平方向的力。因此拱桥对基础和地基的要求比梁桥要 高。下承式拱桥可做成系杆拱，即在拱脚处用一根称为系杆的纵向水平受拉杆件 将两拱脚连接起来。此时作用于支座上的水平推力就由系杆来承受，支座不再承 受水平方向的力，这样可以减轻地基承受的荷载n 砒。 1 2 1 国外大跨度钢箱系杆拱桥的发展 系杆拱桥型与其他的桥型比较，具有跨越能力大、建筑高度小、美观经济 等优点，在已建高速铁路的国家都得到了应用。特别是当高架线路跨越城市干道、 高速公路等需要桥梁跨度较大，梁部建筑高度要求较小时，采用这种桥型具有独 特的优势n 2 引。 钢系杆拱在国外的公路、铁路桥梁中应用广泛、历史悠久，在欧洲的高速铁 路建设中，有很多成功应用的实例。法国$ 6 v 高速铁路地中海线上的g a r d e a d h e m a r 桥，该桥主跨为下承式钢系杆拱桥，桥梁全长3 2 4 6 m ，拱桥的跨度 1 1 5 4 m 。拱桥的主梁和边跨所用的钢混结合梁均采用形式一样的弧形截面，既协 调又美观。再如a v i g n o ns u d 桥，该桥由主跨1 2 4 m 简支下承式钢系杆拱桥和两 个跨度各3 0 m 的上承简支钢混结合梁组成，全长1 9 0 m ，主跨1 2 4 m 是地中海线最 大的桥梁跨度。日本高速铁路和韩国在建的高速铁路也不乏采用钢系杆拱桥的成 功实例，这些都充分说明钢系杆拱桥在高速铁路上的适用性和可行性，同时也为 开展大跨度系杆拱桥研究提供了成功范例n 羽n 铂n 钉。 以下介绍国外几座有代表性的钢箱系杆拱桥： ( 一) 法国地中海高速铁路线上的栋泽尔桥 1 9 9 5 年法国国营铁路公司( s n c f ) 签定了修建通往地中海的高速铁路线上的 2 硕十学 t 论文第一章绪论 第一批工程合同。这条新的高速铁路线( t g v ) 连接法国南北，同时也将南部最重 要的城市连接起来。新线从瓦朗斯起，经蒙特利马尔和奥兰治至达阿维尼翁。线 路在阿维尼翁处分岔，一条去往尼姆和蒙特利埃方向，另一条则去往普罗旺斯和 马赛方向。栋泽尔高架桥由建筑师马克米姆拉姆设计，跨越蒙特利马尔南皮雷 拉特核电站附近的栎泽尔运河。桥梁由2 5 2 t s 的边跨和2 xl l o 3 m 的拱跨组， 全桥总长3 2 4 6 m ，总宽2 0 m ，两拱脚之间宽1 45 m 。 株泽尔高架桥的拱肋为梯形钢箱，箱高27 0 m ，顶部箱宽1 6 0 m 。底部箱宽 l _ 1 0 m ，翼缘厚3 0 m m 。系梁是宽为36 6 m 的梯形钢箱粱，其置于拱平面之外。横 粱由腹板高度不等的工字形截面组成。圆柱形下翼缘的半径为2 1 5 0 m 。腹板高 度在附近系梁腹板1 9 0 m 和1 0 0 m 高程的一半处。桥面结构由4 片钢粱构成，由 横撑联结，4 片粱的高度相同“”。 ( 二) a v i g n o ns u d 下承式系杆钢拱桥 a v i g n o ns u d 桥由主跨1 2 4 m 简支下承式系杆钢拱桥和2 个跨度各3 0 m 的上 承式简支钢板混凝土结合粱组成，全长1 9 0 m 。主跨1 2 4 m 是地中海线最大的桥梁 跨度，桥面采用密布横粱结合梁体系。该桥位与下面的7 号高速公路收费站斜交。 本桥采用工厂制造，工地组拼后转体就位的施工方法，用钢量3 5 0 0 t ，施工工期 2 0 个月 17 1 0 ( a ) a v i g n o ns u d 桥实景 硬十学位论文 第一章绪论 ( c ) 旆工中的a “g l 料ls 删桥 ( d ) a v i g n o n s u d 桥拱w 图l法国高速铁路地中海线州g n s u d 桥 ( 三) w i s e l eb r i d g e 比利时在布鲁塞尔一德国边界高速铁路线上修建了一座下承式系杆钢拱挢 w i s e l eb r i d g e ，主跨1 1 7 m ，双线铁路，有碴桥面，于2 0 0 2 年建成，现已投入使 用”，见图2 。 醚黼蛰 图2比审j 时w i s e l eb i i d 辨 1 2 ，2 国内大跨度钢箱系杆拱桥的擞展 b ) 伴随着我国铁路的跨越式发展，大批客运专线和高速铁路开始建设，铁路跨 越高速公路越来越多。在吸收发达国家高速铁路建设的经验基础上。田内已经开 始自主设计了一些铜箱系杆拱桥。 以下介绍国内设计的两座有代表性的 钢箱系杆拱桥： ( 一) 福厦铁路1 2 8 a 钢系杆拱桥 硕十学位论文第一章绪论 福厦铁路为近期时速2 0 0 k i n 的客货共线、远期时速2 5 0 k i n 的客运专线铁路， 轨道形式为有碴轨道。线路多次以小角度跨越高速公路。木兰溪特大桥和丘后特 大桥选用了跨度1 2 b i n 的钢箱系杆拱，吊杆为剐性吊杆，桥面形式采用了正交异 性钢桥面板。这种结构形式在我国2 0 0k 吖h 客货共线铁路上是首次应用o ”唧儿”1 。 该桥效果图见图3 。 塑蕊 8 蟛搿磁搿? 图31 2 8m 下承式铜箱系杆拱效果幽 ( 二) 京沪高速铁路跨济壳公路钢箱系杆拱桥 京沪高速铁路跨济究公路特大桥位于济南市西南，属济南市市中区，北起 1 0 4 国遒以北，南至崔马庄以北，全桥长氏7 8 7 k m 。其中济兖公路又叫经十路， 主干道宽5 6 m ，与铁路斜交法向角为6 。，是济南市的主要交通干道。由于受桥 下公路净高和引入济南站线路坡度的控钳，该桥结构高度受到了严格限制，粱高 只能在有限的范围内。否则，在公路净高不能降低、路面不能下挖的情况下，只 能抬高线路坡度，抬高济南站高度。如果变成高架站，将增加大量的工程投资用 在改造站线上，同时旌工难度也较大。除京沪高速铁路两条正线外，还从济南站 引出两条普通铁路联络线，分别位于高速铁路两侧，增加了桥梁的横向宽度。设 计中主要从结构受力、施工、动力性能、美观及后期检查与养护等方面的因素入 手，考虑采用下承式钢箱系杆拱桥的形式，做到既满足桥下净高、桥面宽度的要 求，又避免济南站变成高架站，大大降低工程投资。方案设计采用9 6 m 四线下承 式钢箱系杆拱桥跨越济兖公路，桥面总宽2 6 m ，中间取线为高速铁路，两侧为普 通铁路联络线嘲咖。该桥主桥立面见图4 。 硕士学位论文第一章绪论 睡煎 l 71 - u 。靥“叫 鬟 盒|譬 l 蛾照嘲j c ! 璺x5 咖 ! 兰嫩如嘲 j 。，。，。，舰0 0 0 。，。，； 图4 主桥立面( 单位：姗) 1 3 论文研究的工程背景 1 3 1武广客运专线14 0 m 下承式钢箱系杆拱桥概况 武广客运专线1 4 0 m 下承式钢箱系杆拱桥汀泗桥位于湖北赤壁市境内，上跨 京珠高速公路。桥梁设计时速为3 5 0 k m h ，线路标准为客运专线双线铁路，无碴 轨道，线间距5 m 。 该桥采用平行双拱肋结构，拱肋中心距1 6 m ，拱轴线型为二次抛物线，拱高 3 0 m ，矢跨比为1 ：4 6 7 ，两片拱肋之间设5 道横撑。每片拱肋设1 5 根吊杆，相 邻吊杆间距8 m 。钢箱拱截面宽2 m ，拱脚处高4 5 m ，拱项处高3 m 。系梁采用钢箱 等截面，高3 5 m ，宽2 o m 。钢桥面系为纵横梁体系，横桥向设4 片纵梁，顺桥 向设1 9 根横梁，在拱脚处设置端横梁和辅助横梁，每根吊杆处设置1 根横梁。 钢纵横梁通过栓钉连接件与混凝土桥面板结合，混凝土桥面板厚3 0 c m 。全桥共 有1 9 个节间，节间长度布置为2 7 + 1 4 8 + 2 7 m n 引。桥梁结构构造和尺寸见图 5 。 1 3 2 拱脚模型试验的意义和目的 拱脚是系杆拱桥的关键部位，桥梁所受的全部荷载均由拱脚传至支座。拱脚 处结构构造复杂，拱肋、系梁、端横梁、支座在此交汇，局部加强的构件也很多， 相互交错，相互影响，形状不规则，受力情况非常复杂。因此，在分析计算的基 础上，对拱脚做大比例模型试验是完全必要的。 6 妇 麓 褂 1 抉 钗 强 迫 扑 书 隧 i i i 巨v p冥婀霎霎婚繇妪n匝 硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究内容和思路 本试验制作一个拱脚1 ：4 缩尺模型，考察拱脚在最不利工况下：拱脚应 力分布情况和最不利应力值；拱脚试验模型空间有限元分析结果与试验结果及 实桥拱脚局部有限元分析的结果的对比；对拱脚受力特性和结构构造作综合评 价，并提出必要的修改意见。 1 5 本章小结 ( 1 ) 通过查阅文献资料，本章介绍了国内外钢箱系杆拱桥的发展情况。 ( 2 ) 介绍了本论文研究的工程背景并且对所做模型试验的意义和目的进行了阐 述。 ( 3 ) 提出了论文的研究内容和思路。 8 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 2 1引言 第二章模型的设计、制作和安装 在桥梁的设计阶段，当论证某些重要的复杂结构的设计方案时，常通过模型 试验获得必要的数据，以便验证设计计算方法，比较各种设计方案的优劣，选择 经济合理的结构型式和设计方案嘲凹1 。模型试验可以作为结构分析计算的辅助 手段。当设计较复杂的结构时，由于设计计算存在一定的局限性，往往通过模型 试验做结构分析，弥补设计上存在的不足，核算设计计算方法的适用性渊例。 模型试验一般包括模型设计、模型制作、模型测试和模型分析等几个方面， 其中，模型设计最为重要啪1 。一般情况下，模型设计程序为圳列： ( 1 ) 根据试验任务、目的，选择模型类型。 ( 2 ) 在对研究对象进行理论分析后，用分析方程法或量纲分析法求相似判 据。 ( 3 ) 根据几何相似常数c 。，定出模型的几何尺寸。 ( 4 ) 根据相似条件定出各相似常数。 ( 5 ) 绘制模型制造、测点布置、荷载布置图。 2 2 拱脚模型设计、制作和试验概况 拱脚模型设计于2 0 0 7 年1 月正式开始，经过多次分析、讨论、修改后于2 0 0 7 年5 月完成。 2 0 0 7 年6 月，课题组委托湖南省湘潭市汇丰设备制作有限公司加工制作该 模型和加载装置。该公司于8 月中旬将模型及附加装置等运送至中南大学土木工 程安全科学实验室。 9 月底模型及加载装置等安装完毕；1 0 月底完成贴片、接线和设备调试等工 作；1 1 月底完成全部试验工作。 试验共分三个工况： 工况1 ：模拟拱肋轴力最不利工况； 工况2 ：模拟拱肋面内弯矩( 竖向) 最不利工况； o 硕十学位论文 第二章模型的设计、制作和安装 工况3 ：模拟拱肋面外弯矩( 横向) 最不利工况。 2 3 模型的设计 2 3 1 模型相似准则 模型试验遵循以f 原则：模型与实桥几何相似，采用尽。可能大的比例尺；模 型与实桥边界约束相刚蚓嘶弘1 。在综合考虑结构的外形尺寸、制作安装、加载方 式及试验场地的情况下，最终模型与实桥的相似比采用1 ：4 。 根据相似理论，模型与实桥的相似关系为姗： 长度f ： ，艉2 去 面批4 = ( 言) 2 4 惯性矩 l = ( 去) 4 t 集巾力a 只= ( 言) 2 只 f q = q ( 面荷载) 分布力9 i q = 丢q j ( 线荷载) 应2 0 - ：a 。= a i 式中：下标s 表示宴桥，下标m 表示模犁。 2 3 2 模型的截取范围 局部模型试验主要考察拱脚部位在最不利工况下的受力状态。根据圣维南原 理，如果把物体的- - d 部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力( 主 矢量相同，对于同一点的主矩也相同) ，那么，近处的应力分布将有显著的改变， 但是远处所受的影响可以不计汹1 。因此适当延长杆件截取的长度，能够较准确的 模拟实际的情况。根据圣维南原理及相关的经验，杆件的延长长度应大于构件的 截面高度h 叽h 引。按照以上的原则，取实桥拱脚部位拱肋1 0 5m ( 从系梁底板到拱 肋截面顶端) 、系梁1 4 5 4 m 、端横梁和辅助横梁3 m 制作拱脚局部模型。 l o 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 2 3 3 模型的材料、尺寸 根据上述相似准则，模型总体外形( 包括各板件的长和宽，横隔板的间距等) 严格按l ：4 进行缩尺。试验所加荷载较大，在系梁、拱肋端部都局部加强，以防 止因应力集中而局部屈服。缩尺并在边界处局部加强后，拱脚试验模型总长 3 6 3 5 m ，总宽1 2 6 m ，总高2 6 9 m 。局部模型材料统计见表2 1 。模型的图纸见 图2 1 。 表2 1 局部模型材料统计表 杆件构件 编号杆件尺寸数量单根重( k g )总重( k g ) 名称名称 腹板 n 1口11 0 5 x l o ) ( 2 3 5 922 0 4 6 34 0 9 2 5 顶板 n 2口5 1 9 x i o x 3 8 0 5 1 1 5 5 0 21 5 5 0 2 拱肋 底板 n 3口4 8 5 x 1 0 x 1 5 2 3l5 7 9 85 7 9 8 加劲板 n 7口2 3 6 x l o x 4 8 5 1 8 9 98 9 9 加载板 n 1 8口8 2 3 x 2 0 x 1 3 9 611 8 0 3 81 8 0 3 8 j l 口5 0 x 5 x 2 0 n 23 9 57 8 9 j 2 口5 0 x 5 x 2 2 7 3 24 4 68 9 2 j 3 口5 0 x 5 x 1 7 0 5 23 3 56 6 9 j 4 口5 0 x 5 x 1 9 6 123 8 57 7 0 j 5口5 0 x 5 x 1 3 9 5 22 7 45 4 8 j 6 口5 0 x 5 x 11 0 922 1 84 3 5 j 7 口5 0 x 5 x l1 2 322 2 04 4 l 加劲肋j 8 口5 0 x 5 x 1 3 9 322 7 35 4 7 j 9 口5 0 x 5 x 8 3 121 6 33 2 6 j 1 3 一l 口5 0 x 5 x 2 1 0 654 1 32 0 6 7 拱肋 j 1 5 1 口5 0 x 5 x 1 0 3 7 5 2 0 41 0 1 8 j 2 3 1 口1 5 0 x l o x l 5 0 1 01 7 71 7 6 6 j 2 3 2 l 1 6 0 x l o x 8 2 3 2 2 0 3 5 4 0 7 0 j 2 3 。3 l 1 6 0 x l o x l 0 7 6 22 6 6 15 3 2 2 j 2 5 口i o o x 5 x 4 2 0 1 8 1 6 5 2 9 6 7 g l 口4 8 5 x 1 0 x 1 0 6 4 l4 0 5 l4 0 5 1 g 2 口4 8 5 x 6 x 1 0 7 0 12 4 4 42 4 4 4 g 3 口4 8 5 x 5 x 1 0 7 7 l2 0 5 02 0 5 0 横隔板 g 4 口4 8 5 x 5 x 9 6 1 l1 8 2 91 8 2 9 g 5口4 8 5 x 5 x 6 3 611 2 1 l1 2 1 1 g 6口4 8 5 x 5 x 3 7 317 1 07 1 0 g 1 2口4 9 5 x 5 x 4 7 059 1 34 5 6 6 小计 1 2 0 6 5 0 腹板 n 4口8 6 5 x 1 0 x 3 6 2 522 4 6 1 54 9 2 2 9 顶板 n 5 口4 8 5 x 1 0 x 3 5 6 6 11 3 5 7 71 3 5 7 7 系梁底板 n 6口5 1 9 x i o x 3 6 2 511 4 7 6 91 4 7 6 9 加劲板 n 9口4 8 3 5 x i o x 2 5 3 49 6 0 3 8 4 1 加劲板n i o口3 6 6 5 x l o x 2 5 3 47 2 82 9 1 2 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 杆件构件 编号杆件尺寸数量单根重( k g ) 总重( k g ) 名称名称 支座垫 n 1 1口5 5 0 x 1 0 x 4 0 5 1 1 7 4 91 7 4 9 板 j l o口5 0 x 5 x 3 5 5 0 26 9 7 1 3 9 3 j l i 口5 0 x 5 x 1 1 5 222 2 64 5 2 j 1 2口5 0 x 5 x 3 5 5 0 26 9 7 1 3 9 3 j 1 3 2 口7 2 4 x 5 x 5 6 151 5 9 47 9 7 1 j 1 4口5 0 x 5 x 1 2 6 0 5 2 4 71 2 3 6 j 1 5 2口5 0 x 5 x 1 5 7 5 0 3 1 1 5 4 j 1 6 一l 口5 0 x 5 x 1 7 6 4 2 3 4 66 9 2 加劲肋 j 1 6 2 口5 0 x 5 x 2 2 8 8 2 4 4 98 9 8 j 1 6 3 口5 0 x 5 x 3 3 8 3 16 6 4 6 6 4 j 1 7 一l 口5 0 x 5 x 2 2 8 7 4 4 4 91 7 9 5 系梁j 1 7 2 口5 0 x 5 x 3 3 8 3 1 6 6 46 6 4 j 2 4 1 口5 6 x l o x l 4 01 8o 6 21 1 0 8 j 2 4 。2 口7 5 x l o x 3 0 0 8 1 7 71 4 1 3 j 2 4 3 1 6 x 8 4 0 2 1 6 5 83 3 1 6 j 2 4 。4 1 6 x 6 5 321 2 8 92 5 7 8 j 2 4 5 口1 4 3 x l o x 3 0 0 4 3 3 71 3 4 7 加劲肋 j 2 6 口5 0 x 5 x 7 5 571 4 8l o 3 7 j 2 7 口9 7 x 5 x 8 5 5 2 3 2 66 5 1 g 7 口4 8 5 x 6 x 8 5 5 3 1 9 5 35 8 5 9 g 8口4 8 5 x i o x 8 5 5 2 3 2 5 56 5 1 0 横隔板 g 9口4 8 5 x 8 x 8 5 53 2 6 0 47 8 1 2 g 1 0 口4 8 5 x i o x 8 5 5 3 3 2 5 5 9 7 6 6 g l l口4 8 5 x 5 x 2 3 9 514 5 5 9 4 5 5 9 小计1 4 9 3 4 7 顶板 n 1 2 口3 9 2 x i o x 7 5 0 l 2 3 0 82 3 0 8 底板 n 1 3 口3 9 2 x l o x 7 5 0 1 2 3 0 82 3 0 8 辅助横梁腹板n 1 4口4 8 0 x 7 x 7 5 0 2 1 9 7 83 9 5 6 j 1 8 口5 0 x 5 x 7 5 02 1 4 72 9 4 加劲肋 j 1 9 口5 0 x 5 x 7 5 021 4 72 9 4 顶板n 1 5口5 4 3 x i o x 7 5 013 1 9 73 1 9 7 底板n 1 6口5 4 3 x i o x 7 5 013 1 9 73 1 9 7 腹板n 1 7口4 8 0 x 8 x 7 5 022 2 6 14 5 2 2 端横梁 j 2 0 口5 0 x 5 x 7 5 021 4 72 9 4 加劲肋 j 2 l 口5 0 x 5 x 7 5 041 4 75 8 9 j 2 2 口5 0 x 5 x 5 1 721 0 12 0 3 小计2 0 9 6 0 总计重 2 9 0 9 5 7 1 2 图2 1 ( a ) 模型拱脚构造图( 一) 。乃能x 。三f 一磁：矿 。 产、避 j 刽 宰 c 1 0g1 0g1 0 ：9 k ；9：9b 8g 8 一 b 盟 口盟 j 2 7 一j 2 6 j 2 6j 2 6j 2 6j 2 6j 2 6 i i- j 2q 8 i 图2 1 ( b )模型拱脚构造图( 二) 1 3 磺士学位论文 第二章筷型的设计，制作和安装 实桥中拱脚位置的备板件均采用0 3 7 0 q d 锶l 拱脚局部模型中所有扳件均采 用t 6 v , n 钢。丈部分板件的厚度严格按1 ：4 进行缩尺，极少部分板件按比铡绾尺 后因市场上投有对应厚度的钢材丽适当调整调整的原则是使用市场上厚度与缩 尺设计厚度最相近的钢材模型采用帕板厚与实桥缩尺厚度比较见表2 2 。 衰2 2 模型板犀与实柝缩尺犀度比较 模型采用的拉厚，赛柝接1 ：4 m 尺的板犀 m m ) 构件名称 鹿板l顶板l鹿板l 加劲扳l 加劲肋i横睡拉 接肋 t 0 9 l 1 0 1 0 l 1 0 1 0 i i w l 0 l 5 5 l 5 5 、6 6 系鬃- 0 9 lt o 。i 1 0 1 0 l 1 0 9 l 5 5 l 臀 曩横粜 8 ，7 5ll o ，1 0ii o ，1 0i i 5 ，5 l 一 辅助横鬃 8 7 l 1 0 1 0 l l 。，1 0 i i 5 5 l一 2 4 加载装i 的设计 为了准确的模拟实桥拱脚的应力和位移边界条件，综合考虑模型构造的特点 和试验场地的条件，采取以下加载方式；模型的系集蜡部锚固于剪力墙上通过 液压千斤顶对拱肋端截面施加荷载。加载装置安装示意固如图2 2 所示 图22 加载装量安装示意圈 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 2 4 1 楔形块及其锚固设计( 水平、竖向) 加载过程中必须保证千斤顶竖向轴线与拱肋端截面垂直，因此，拱肋与剪力 墙间设置一楔形块以便采用千斤顶加载。楔形体设计如图2 3 所示。安装时，楔 形体竖直面锚固在加载板上，倾斜面与模型的拱肋端面保持平行。 掣 厂c 4 0 2 5 3 5 2 3 52 5 14 0 殳 ooo o 图2 3 楔形体设计图 c o 、r r - , - 设计的楔形体使用高强螺栓锚固在与剪力墙配套的加载板上。加载板尺寸为 1 7 5 mx 1 2 5 m 。加载板使用与剪力墙配套螺杆和剪力墙紧密锚固，保证千斤顶的 水平分力有效的分布到一定范围。 在恒载+ 活载最不利工况作用时，千斤顶竖向分力达到1 8 0 0 k n 。在楔形体顶 面设置反力梁，通过四根( i ) 3 2 精轧螺纹锚固在地槽中，保证千斤顶的竖向分力 传至地槽。单根精轧螺纹钢的容许抗拉强度为6 0 0 k n ，设计四根3 2 精轧螺纹 满足受力要求。该反力装置的设计如图2 4 所示。 2 4 2 系梁的锚固设计 系梁端部截面锚固在剪力墙上，加载时系梁的水平拉力由剪力墙来平衡。剪 力墙的承载力标准为：抗剪容许承载力：q = 8 0 0 k n m ；抗弯容许承载力： m = i o o o k n m m 。剪力墙上竖向、横向的锚固孔洞中心距均为5 0 c m ，单孔容许锚 如_ 旱绺 趿一 一铲l 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 固力为5 0 0 k n 。采取的如图2 5 所示的锚固装置。 剪力墙正面，系梁端部法兰盘紧贴剪力墙，锚杆直接锚固在法兰盘上。剪力 墙背面，锚杆直接锚固则剪力墙无法承受加载时的弯矩和局部的压力，故采用如 下锚固方式：六根锚杆锚固在锚固板上，锚固板压着两块横梁，横梁较长，加上 厚度不等的垫块再压着剪力墙。这样板压梁，梁再压剪力墙，将锚杆的拉力分散 开，使剪力墙承力范围更大，满足剪力墙的设计标准。 2 4 3 千斤顶的安装设计 试验所用千斤顶型号为：欧维姆y d 5 0 0 型。该千斤顶重6 2 0 k g ，高5 7 0 m ， 行程1 6 0 m m 。千斤顶加载时倾斜放置，与水平面夹角为3 7 2 5 0 。千斤顶重量较大， 下部使用倾斜托架承力，上部使用吊葫芦吊装至周围固定铁架，确保其位置的固 定和千斤顶加载时的安全。三种工况的千斤顶加载位置不同，通过调整托架和吊 葫芦调整千斤顶位置。 千斤项加载到拱肋端截面，在拱肋端部设计加劲肋防止局部屈曲，设计一块 加载板锚固于端面用于千斤顶加载。此外，在模型的最外节拱肋箱浇注c 5 0 混凝 土，保证将千斤顶加载的力合理的传递到拱脚。 整个模型试验需要的加载装置包括千斤顶、反力梁、地锚梁、锚杆等，具体 数量见表2 3 ，加载装置设计总图如图2 6 。 表2 3 加载设备清单 构件类型数量 1 6 m 反力梁l 根 0 8 m 反力梁4 根 0 8 m 地锚梁2 根 5 0 0 t 千斤顶 1 套 加载板( 1 7 5 m 1 2 5 m ) 1 套 锚同板( 1 2 7 m x 0 7 3 m ) 1 套 剪力墒7 宁面横梁( 2 5 m 0 4 m ) 2 根 地锚粱锚杆、螺帽及垫块 4 套 反力梁锚杆、螺帽及垫块 4 套 吊葫芦3 套 千厅顶支撑架管 1 0 根 1 6 硕士学位论文 第二章模型的设计、制作和安装 立面图 俯视图 图2 4 反力装置安装示意图 1 7 硕士学位论文 第二章模型的设计、制作和安装 n 锚固板 剪力墙彳 ， 一 l一3 迎 芋留 j 锚杆 游 lf j i 一 立面图 n 锚固板 厂一 分配梁 剪力墙 系粱 | | l j 1 俯视图 图2 5 系梁端部锚固示意图 1 8 o o o o o o 匝蹈砖秘捌群舔最。式盈 oo ooooooo oo广石朐 o 0ooo 0 9 、一 )0o 00l oo 鸲【瞧b gg g 5 l = i 掇 l 一。 菲 0o奸 x i n t 斟 悄 o = ；伊o c。0 000 doooooo l l l | e 钲c钲f i l 、 磊，基魁星聋辎褂=二捺 议刁扑书鼯 硕十学位论文第二二章模秘的设计、制作和安装 2 5 模型的制作 拱脚缩尺模型、楔形块、系粱法兰盘等委托湖南省湘潭市汇车设备制作有限 公司在工厂加工制作。模型制作过程中，课题组委派设计人员在现场全程监控、 指导。纯钢模型及辅助装置于2 0 0 7 年8 月中旬全部制作完成。模型制作完成后， 经课艇组成员验收：几何尺寸满足设计要求，焊缝质量符合标准，精度较好。图 2 7 、2 8 为正在拼装、焊接的模型。 一 弼霹西戮 蕊 豳27 止在加i 瑚系粱 - - - 二_ o 。l - o - 酴 图28 正在加t 的拱肋 硕十学位论文第二章模型的设计、制作和安装 拱脚局部模型和辅助装置于2 0 0 7 年9 月初运抵土木工程安全科学实验室。 随后，课题组在实验室完成墩座、楔形体和拱肋顶部混凝土浇注、养护工作。浇 注采用的混凝土标号均为c 5 0 ，其中，墩座为钢筋混凝土结构。 2 6 模型的安装 在局部模型和辅助装置等运抵实验室，混凝土浇注养护完成后，九月中旬开 始进行模型和加载装置的安装，全部安装工作于九月底完成。 经过课题组成员分析、讨论，安装采用以下顺序：先基本结构安装，后加载 附属结构安装；先下部结构安装，后上部结构安装。由于各种设备重量较大，试 验场地相对狭小，因此，在吊装的时候，人员和设备在剪力墙正、背面密切配合、 协调一致，确保了顺利安装并切实保证了人员和设备安全。安装好的模型如图 2 9 、2 1 0 所示。 墩座和橡胶支座就位后，系梁与剪力墙的锚固按设计方案顺利完成，安装情 况如图2 1 1 所示。楔形块与加载板利用十一套高强螺栓锚固紧密，整体安装至 剪力墙，楔形体顶设置反力横梁。楔形块锚固与顶部反力横梁安装如图2 1 2 所 示。随后，反力横梁和地槽上分别安装分配梁和地锚梁，利用高强螺栓紧密锚固， 地锚梁安装情况如图2 1 3 所示。千斤顶安装采用下部使用托架，上部利用吊葫 芦吊装至周围固定铁架，确保其位置的固定和千斤顶加载安全。千斤项安装如图 2 1 4 所示。 2 l 硕十学位论文 第一章模型的设计、制作和安装 图29 模型内侧豳 图2 i 0 模型外侧图 顼士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 图21 1 系粱背面锚同圆 圈2 1 2 楔形块锚固与顶部反力横粱安装圈 顼十学位论文第二二章栏删的设计、制作和安装 图2 1 3 地锚巢安装圈 藿 图2 1 4 千斤顶安装圈 硕士学位论文第二章模型的设计、制作和安装 2 7 本章小结 ( 1 ) 根据相似准则，本章确定了模型与实桥原型的相似比例。 ( 2 ) 由实桥的受力情况和实验室的实际条件，确定了模型截取范围和边界条件。 ( 3 ) 完成了模型和加载装置的设计，确定了模型的尺寸和制作模型所需材料。 ( 4 ) 研究了模型和加载装置的锚固方案，介绍了模型制作完成后，在实验室的 安装情况。 硕士学位论文第三章模型的有限元分析 3 1 引言 第三章模型的有限元分析 在桥梁设计阶段，当要论证某些复杂结构的设计方案或者是受力复杂的结构 的局部应力时，模型试验是获得必要数据的一种经济合理的手段。现代计算机技 术飞速发展，计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 应用越来越多， 模型试验和计算机仿真分析的结合为桥梁设计工作的发展、创新发挥了巨大作 用。 计算机辅助工程是用工程上分析的过程和计算方法来辅助工程师做设计后 的分析或进行同步工程。其技术总类很多，包括有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，f e m ) m 耐删。有限单元法实质上就是把具有无限个自由度的连续体，理 想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构性 问题。因此，