力学实验课的教材-拱桥

1、力学实验课的教材-拱桥一、桥梁概述1、梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。由于外力（恒载和活载）的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，故与同样跨径的其它结构体系相比，梁内产生的弯矩最大，通常需用抗弯能力强的材料（钢、木、钢筋混凝土等）来建造。梁式桥还可分为：简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥和连续钢构桥等。 简支梁桥由一根两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上的梁作为主要承重结构的梁桥。属于静定结构。是梁式桥中应用最早、使用最广泛的一种桥形。其构造简单，架设方便，结构内力不受地基变形，温度改变的影响。 连续梁桥两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系。连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩

2、对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理。它具有接缝少、刚度好、行车平顺舒适等优点，在30-120m跨度内常是桥型方案比选的优胜者。 刚构连续梁和连续梁的最基本区别就是前者把支座去掉，转而换成柔性薄壁墩与上部结构刚结，二者一起协同变形。通过柔性墩的变形来吸收上部结构在外荷载作用下产生的能量。2、拱式桥拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。同时，这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯矩作用。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩和变形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常就可用抗压能力强的圬工材料(如砖、石、混凝土)和钢筋混

3、凝土等来建造。拱桥的跨越能力很大，外形也较美观，在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。上承式拱桥拱桥种类繁多，常见的有：圬工拱桥、箱型拱桥、双曲拱桥、钢架拱桥、桁架拱桥、肋拱桥、桁式组合拱桥和斜腿钢架拱桥等。根据拱桥的不同承载方式，还可分为：上承式桥梁、下承式桥梁、中承式桥梁。 上承式拱桥桥面系设置在拱圈之上的拱桥。优点是桥面系构造简单，拱圈与墩台的宽度较小，桥上视野开阔，施工方便；缺点是桥梁的建筑高度大，纵坡大和引桥长。一般用在跨度较大的桥梁。 中承式拱桥桥面系设置在拱肋中部的拱桥。建筑高度限时，可以采用中承式拱桥满足桥下净空，在不等跨的连续拱桥中为了平很左右墩的水平推力，将较大跨境

4、的一空矢跨比加大做成中承式拱桥可以减小大跨的水平推力。同时可以满足景观与美学要求。中承式拱桥缺纵梁，致使横梁顺桥向不断扭转，可致吊杆疲劳断裂。施工中很难控制 下承式拱桥桥面系设置在拱圈之下的拱桥。优点是桥梁建筑高度很小，纵坡小，可节省引道长度；缺点是构造复杂，拱肋施工麻烦。一般用于地基差的桥位上。在竖向荷载作用下拱脚对墩台无水平推力作用的拱桥。其推力由刚性梁或柔性杆件承受 。 3、悬索桥用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构。在竖向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受很大的拉力，通常就需要在两岸桥台的后方修筑非常巨大的锚碇结构。悬索桥也是具有水平反力(拉力)的结构。悬索桥锚锭基础矮寨大桥悬索桥

5、的优点是自重轻，但结构的刚度差，在车辆动荷载和风荷载作用下，桥有较大的变形和振动。 现代的悬索桥上，广泛采用高强度的钢丝成股编制的钢缆，以充分发挥其优异的抗拉性能，因此结构自重较轻，就能以较小的建筑高度跨越其它任何桥型无与伦比的特大跨度。悬索桥的另一特点是：成卷的钢缆易于运输，结构的组成构件轻，便于无支架悬吊拼装。 4、斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成。用高强钢材制成的斜索将主粱多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。这样，跨度较大的主梁就象一根多点弹性支承(吊起)的连续梁一样工作，从而可使主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又大幅度地增大桥梁的跨越

6、能力。 与悬索桥相比，斜拉桥的结构刚度大，即在荷载作用下的结构变形小得多，且其抵抗风振的能力也比悬索桥好，这也是在斜拉桥可能达到大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。5、组合梁桥根据结构的受力特点，由几种不同体系的结构组合而成的桥梁称为组合体系桥。 湘潭莲城大桥二、桥梁模型试验 桥梁结构模型试验中所指的模型是仿照原型（真实结构、按一定的比例如1/10、1/50、1/100复制而成代表物，它具有原型全部特点。通过对模型进行试验，可以得到与原型相似的工作情况，从而对原型结构的工作性能和研究和了解。模型试验方法，在历史很久以前就使用过。但系统的科学方法来制作模型和进行模型试验是近几年的事。特别是这样的

7、方法日益广泛用于桥梁结构及其他各种工程研究，成为科学研究者和设计工作者对桥梁机构有了进一步认识，同时模型试验已在近几年来迅速发展，从介绍量级分析法以后开始的。测量级数以及适合模型的材料发展和应用，对模型试验起到迅速发展和积极促进作用。 用于桥梁结构试验的模型，其几何尺寸一般比原型小的很多，可以在室内进行试验。因此来用模型试验可以节省劳力和时间，以便进行测试，也能避免许多干扰（风吹、雨淋、日晒、湿度变化等等），增加了试验结果准确度。模型试验优点1.代替大型结构试验或作为大型结构试验辅助试验。许多受力复杂体积庞大构件和结构，有时难以进行实物实验，同时又由于承受荷很大，作不到破坏试验，又加上现场试验

8、的条件复杂，影响因素较多，不容易测得准确结果，因此考虑用模型试验代替。 2.提供设计数据。当受力复杂时，通过模型试验对结构工作性能进一步了解，核算设计计算方法，修改设计中局部弱点，比较设计方案，选用最合理的结构型式。 3.通过系统的模型试验，可以为某一结构计算理论提供试验基础。通过模型试验与原型试验可相互配合取长补短，对确定新型复量结构使之设计更为合理。另一方面也必须慎重，一般模型与原型应相似。模型的制作 相似理论：研究自然界相似现象的性质和鉴别相似现象的一门科学。具体到我们的实验模型与原型之间，存在包括几何尺寸、截面几何特性、材料特性、荷载作用、截面内力、应力、应变、位移及支撑条件等相似关系

9、。概括起来，在进行静力模型设计时必须满足下列三方面的相似条件：几何条件、物理条件和边界条件相似。相似关系 相似指标/相似判据：两个相似现象，它们的各个相似常数之间必须满足一定的相似关系。 相似原理相似第一定理：“彼此相似的现象，其同名相似准则的数值相同。” 相似第一定理又可表述为：彼此相似的现象的相似指标等于1。彼此相似的物理现象必须服从同样的客观规律，若该规律能用方程表示，则物理方程式必须完全相同，而且对应的相似准则必定数值相等。表述了相似现象的性质。参与两个现象中对应同名物理量之间有固定比例常数。相似判据相等是相似的必要条件。相似第二定理：“现象的各物理量之间的关系，可以化为各相似准则之间

10、的关系。”凡同一类物理现象，当单值条件相似且由单值条件中的物理量组成的相似准则对应相等时，则这些现象必定相似。相似判据的确定。相似原理相似第三定理：“如两个现象的单值条件相似，而且由单值量组成的同名相似准则数值相同，则这两个现象相似。”相似第三定理明确了模型满足什么条件、现象时才能相似，它是模型试验所必须遵循的法则。现象相似，除了满足几何相似，有相同物理关系表达式及判据相等外，还要求能唯一确定这一现象（如边界条件、初始条件）的条件也必须相似 单值条件相似+同名相似准则相同现象相似模型与原型相似条件： （1） 模型材料的比重必须等于原型材料比重 （2） 弹性模量必相似， （3） 模型与原型应力条

11、件相似而且材料必相同 模型材料的选择： 首先正确了解材料的性质及其对试验结果的影响，是成功完成模型试验的先决条件，模型材料关系。正确选择材料是模型试验基础。 1. 选择模型实验材料原则 a. 保证试验要求：必须满足设计中的相似准数。可以把模型的物理量换算成原型的物理量。 b. 保证测试要求：即能产生足够的变形，使测量仪表有足够的读数，因此模型材料的弹性模量要适当低些。 c. 保证制作方便，易于加工，价格便宜。 2. 模型试验注意的问题a. 模型尺寸：要求一般制作的误差都以相对误差来表示，由于模型尺寸较小所以相应地要较严格的误差限制。 b. 试验材料性能的测定如应力、应变、泊松比、抗阻强度等 c

12、. 实验环境，如温度、湿度要稳定，变化不超1 d. 荷载选择：事先比较详细计算，用什么方法加，如千斤顶或砝码、铁块等这些重物必须事先指定和认真检查重量。 e. 变形的测量：精度要求较高的点如用电测贴电阻片或千分表量测（精度必须足够）实验的模型设计图4 拱桥原型图参数矢高跨度宽度原桥m24.912525模型m0.4982.50.5表1. 原形与模型的主要尺寸 图6 主拱肋截面图(a)厚度3mm(b)厚度2mm图7 主拱横撑截面图(a)厚度1mm(b)厚度1mm（1）（2）相似常数 （3）（4）（5）相同材料 （6）由(1)与（6）相比 （7）模型： 原型： 三、桥梁测试1、应变测试电测法静载试验

13、仪器设备单向应变 应变片（贴好片不易、测值受环境温度和湿度影响大、补偿问题） 钢弦式应变计（不易安装、零点变化大、二次仪表专用） 弓形应变计（敏感部位易塑性变形，测值误差大）平面应变 应变片振弦式应变计振弦式应变计 应变测量传感器 混凝土构件应变测量 变形测试简支梁试验 连续连试验 施工过程中的应变监测图5 有限元模型 有限元计算比对图8 桥面纵梁截面图图9 桥面横梁截面图(a)厚度1mm(b)厚度5mm(a)厚度1mm(b)厚度2mm图10 拱上立柱截面图图11 桥墩截面图(a)厚度1mm(b)厚度1mm(a)厚度1cm(b)厚度1cm实验加载方案 1. 桥梁荷载分类 永久荷载（恒载） 可变

14、荷载 永久荷载（恒载）是指结构在设计使用期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。作用在桥梁上部结构的恒载，主要是结构物的重力及附属设备等外加重力 可变荷载是指结构在设计使用期内其值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。 按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变荷载（活载）和其它可变荷载。 偶然荷载 基本可变荷载（活载）：车辆荷载、人群荷载、 汽车的冲击力等 其它可变荷载：包括自然和人为产生的各种变化力，如风力（风荷载），汽车制动力 、流水、雨雪等 偶然荷载是指结构在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其值很大，且持续时间很短的荷载。 主要是指地震荷载和船只或漂流物

15、的撞击力。 2. 实验加载方案 对于桥梁静力试验，测试荷载为恒载和可变荷载，恒载主要在施工建设过程中进行时时监测。在桥梁验收时的静力试验中，常以车辆荷载和人群荷载为主要荷载。 根据相关桥梁计算分析结果（影响线）确定测试工况，根据相关桥梁规范，确定加载方案。影响线：当结构上作用有沿结构跨度移动的单位集中荷载（P=1）时，用以表示确定的截面或位置上某一特定的受力效果（内力、位移或支座反力）的变化规律的函数图形（曲线），称为该结构在荷载作用下某一截面特定受力效果的影响线，简称影响线。 2. 实验加载方案 对于桥梁静力试验，测试荷载为恒载和可变荷载，恒载主要在施工建设过程中进行时时监测。在桥梁验收时的静力试验中，常以车辆荷载和人群荷载为主要荷载。 根据相关桥梁计算分析结果（影响线）确定测试工况，根据相关桥梁规范，确定加载方案。测试断面/测试点位置：对于新型桥梁，通过计算结构确定危险位置，从而确定要测试的具体位置，对于一般拱桥，为拱脚、拱顶和1/4跨位置。传统加载方式：根据拱脚、拱顶和1/4跨截面的弯矩影响线、轴力影响线、剪力影响线以及挠度影响线布置活载（根据相关规范确定） 根据公路桥涵通用设计规范（2004），由于该桥原型宽25米，按4车道计算，大于2车道时，需要考虑横向折减系数。由公路桥涵通用设计规范可以查