一级建造师市政公用工程管理与实务考试必备讲义汇编（4650P 城市桥梁篇）88

本文研究内容

本文通过缩尺模型试验以考察钢—混凝土接头这种压弯构件的承载力及其力学性能。并利用ANSYS有限元软件对钢-混凝土压弯构件进行荷载—应变、变形关系全过程计算和工作机理分析，将数值计算结果与试验结果进行对比分析。以验证钢—混凝土接头做到能比较流畅地传递各种荷载产生的内力及变形，避免产生应力集中和折角，确保混合结构安全、经久耐用。本文将在理论分析、试验研究和有限元仿真分析的基础上对钢—混凝土接头变形性能、应力分布和其承载力及破坏模式进行分析。主要的研究内容有：1、钢-混凝土结合段结构设计计算方法；2、钢-混凝土结合段钢与混凝土的传力机制；3、钢-混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形；4、钢-混凝土结合段承载能力及破坏模式；第一章绪论

1.1钢—混凝土复合结构1.1.1复合结构分类钢-混凝土复合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展而来的一种新型结构，它是由不同材料结合成整体结构而共同工作，并能获得比单一材料结构更佳的特性的结构。经过数十年的研究和实践，钢—混凝土复合结构已经发展成为既区别于传统的钢筋混凝土结构和钢结构，又与之密切相关的一门学科，其结构类型和适用范围涵盖了土木工程的整个领域。随着钢结构与钢筋混凝土结构复合技术的发展和应用的日益广泛，出现了多种复合方式和结构形式，为了统一名词定义、避免混淆，日本有学者对由异种材料组成的结构做了明确定义和分类：复合结构是组合结构和混合结构的总称。组合结构是指构件截面由钢和混凝土等异种材料部件接合成整体结构而共同工作的结构体系，如组合梁、压型钢板混凝土板、型钢混凝土、外包钢混凝土等结构。混合结构是部分采用钢构件（例如钢柱、钢梁等）、钢筋混凝土构件（钢筋混凝土柱、钢筋混凝土梁等）、组合构件（钢骨混凝土、钢管混凝土、组合梁）中的两种或两种以上的构件组合成整体的结构。1.1.2钢—混凝土复合结构的应用钢-混凝土复合结构是结构工程领域近年来发展很快的一个方向。复合结构多运用于高层建筑及大跨桥梁。钢—混凝土复合结构利用了钢材和混凝土各自的材料性能，具有承载力高、刚度大、构建节目尺寸小、施工快速方便等优点。同钢筋混凝土结构相比，复合结构可以减小构件截面尺寸、减轻结构自重、减小地震作用、增加有效使用空间、降低基础造价、方便安装、缩短施工周期、增加构件和结构的延性等优点；同钢结构相比，具有可减小用钢量、增大刚度、增加稳定性和整体性、提高结构的抗火性和耐久性等优点。随着我国经济建设的快速发展、钢产量的大幅提高、钢材品种的增加、科研工作的深入、应用实践经验的累积，钢—混凝土复合结构在我国也得到迅速的发展和越来越广泛的运用，应用范围已经涉及到建筑、桥梁、高耸建筑、地下结构、结构加固等领域。例如我国的已建成的金茂大厦、深圳地王大厦、赛格广场等超高层建筑，全部或部分采用了复合结构。同时，复合结构还非常适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等大跨径桥梁结构体系，如重庆菜园坝长江大桥、舟山桃夭门大桥、青洲闽江大桥。工程应用实践证明，复合结构综合了钢结构和钢筋混凝土结构的优点，可以用传统的施工方法和简单的施工工艺获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国现阶段基本建设的国情，是具有广阔的应用前景的新型结构体系之一。近年来，桥梁建设的快速发展得益于铁路和高速公路基础建设的强劲增长。钢—混凝土复合结构类型桥梁相对于其他类型桥梁具有良好的技术特点和较高的成本效益，不但适用于大跨径桥梁建设，而且在中小跨径桥梁建设中具有较强的竞争力。1.3钢与混凝土的连接钢与混凝土结合段时一般采用以下几种方案：焊接钢筋锚固式、PBL剪力键式、剪力钉体外预应力锚固式和外法兰盘预压式等四种设计方案。1.3.1焊接钢筋锚固式焊接钢筋锚固式钢-混结合段方案多用于早期的钢管混凝土系杆拱桥和钢箱结构中。通过在钢结构内外壁焊接粗钢筋，利用粗钢筋在混凝土塔座中的握裹，并在连接区段设置足够的承压钢筋网和其它构造钢筋，实现混凝土与钢箱的可靠连接，同时将部分段落的钢构件埋置于混凝土塔座中。1.3.2PBL剪力键式南京长江三桥钢塔与混凝土桥墩的连接方案，在国内率先引入主要承压构件使用PBL剪力键的模式，在进行钢箱与混凝土锚固时，将钢箱插入混凝土体内一段长度，插入段四边腹板和中间纵隔板开设直径6cm左右的圆孔，圆孔内放置直径Φ32的粗钢筋，采用特殊工艺保证粗钢筋位于圆孔中心，钢塔内力传递依靠混凝土与钢筋共同组成的剪力键受剪和钢板与混凝土之间的粘结力实现。1.3.3剪力钉体外预应力锚固式剪力钉配合体外预应力锚固式钢混结合段处理方案是北京市路桥工程中最常用的方案，此方案通过在钢箱端部焊接圆头焊钉，塔座预设预应力钢束，在连接段上端设置预应力锚箱，通过张拉预应力钢束实现钢箱与混凝土塔座的固结，并通过调整预应力张拉吨位控制钢混结合面在任意荷载作用条件下始终处于受压状态。1.4研究背景1.4.1桥梁概况五渡桥是北京市房山区涞宝路西关上一座桥梁，跨越拒马河，位于十渡风景区内（项目地理位置见图1.8）。项目路线设计全长550m，起点桩号K0+000,与现况涞宝路接顺；终点桩号K0+550，与新建四渡桥相接。涞宝路为二级公路，设计速度为40km/h，路基宽18m，路面宽12m，设计汽车荷载为公路－Ⅰ级，人群荷载3.5kN/m2，地震动峰值加速度为0.2g。1.4.2倾斜型预压式钢-混结合段设计本桥设计中采用内法兰预压式实现钢塔与混凝土塔座连接的方案。钢架塔A段与塔座间采用施加高强螺栓预压力和设置钢混连接段的模式进行。连接时，首先进行刚架塔A段与塔座预埋钢板的连接，采用连接螺母接长高强螺栓后，浇筑刚架塔内钢混段混凝土，最后在钢混段顶锚固板进行接长高强螺杆的紧固。高强螺栓和螺杆均为10.9SM24高强螺栓和螺杆，设计预紧力为225kN，均采用定扭矩扳手施工。1.5研究现状及存在问题随着社会的发展，科技的进步，桥梁造型变化日新月异，混合结构不光运用于大跨径斜拉桥、梁桥和拱桥建设中。为了达到优美而独特的环境效果，大量设计新颖的结构形式不断涌现。尽管现代计算理论方法已经能够分析桥梁结构复杂的应力问题，但是计算结果与实际结果存在一定的差异。目前，国内外对钢-混结合段研究的文献资料大多数是针对混合梁斜拉桥和梁桥进行的，其结合部位的结构构造、应力分布以及传力机制与三角刚架悬吊连续梁桥有着很大的不同，难以直接推广运用，只能用作设计的参考和借鉴。尤其是本项目采用内法兰预压式实现钢塔与混凝土塔座连接的方案，并且采用预压高强螺栓进行连接。因此需要对其受力性能做出综合分析，并对其合理性做出研究。1.6本文所研究内容1、钢-混凝土结合段结构设计计算方法；2、钢-混凝土结合段钢与混凝土的传力机制；3、钢-混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形；4、钢-混凝土结合段承载能力及破坏模式；第二章钢—混凝土塔座预应力结合段模型有限元分析

2.1有限元单元介绍在采用ANSYS进行有限元仿真分析中，混凝土选用SOLID65实体单元模拟，钢板选用SHELL93壳单元模拟，高强螺栓选用LINK8杆单元模拟。2.2有限元模型建立本文拟用有限元程序ANSYS对塔座钢-混结合段进行实体仿真模拟，有效分析结构的受力特性。有限元模型的建立如下所示：仿真计算模型比例取4:1。钢-混结合段长500mm，向混凝土塔座方向取500mm混凝土段，向钢箱方向取500mm钢箱段，模型的总长度为1500mm。同时满足仿真计算模型能较真实的反映实桥钢-混凝土结合段受力情况。仿真分析时建模的原则应该满足：1）模型尽可能与实际结构一致。2）对实际结构进行进行必要的简化，但又不要太过于简化。这样就既能保证模型具有足够的精度，又能满足模型计算效率，并力求结果准确合理。在项目实体桥梁结构中钢-混结合段为倾斜型预压式结构，施工阶段和使用阶段受力比较复杂。为简化建模，拟采用以下基本假定：（1）钢-混结合段两端尺寸差距不大，拟采用采用上下尺寸相等的简化方式来建模。（2）高强螺栓（LINK8单元）、钢结构（SHELL63单元）、混凝土（SOLID65单元）采用共节点关系处理。（3）在钢混结合段内，忽略钢板与混凝土之间的相对滑移，认为高强螺栓可以有效地保证钢板与混凝土的协同工作。（4）在混凝土塔座的仿真模拟中，将钢筋弥散在混凝土中，假定钢筋与混凝土粘结良好，无相对滑移。（5）在模型的受力状态模拟中对荷载进行了等效处理：轴向力简化为均布荷载作用于轴向钢箱表面上、弯矩简化为均布荷载形成的力偶作用于钢结构上缘。有限元理论分析考虑了材料非线性和边界非线性，分别通过给定材料的非线性本构关系、创建接触对来实现。高强螺栓的预紧力采用降温法来模拟，钢-混凝土结合部塔座底部按固结考虑。加载工况按承载能力极限状态下最大轴力作用效应组合和最大弯矩作用效应组合来考虑，另外，为了进一步研究结构的非线性行为，轴向上保持最大轴力不变，通过逐步加大侧向力来研究结构的破坏形式。依据上述原则建立的钢—混结合段三维空间有限元模型如图：2.3钢—混结合段有有限元分析析研究钢—混凝土结合合段局部有有限元分析析主要是对对承载能力力极限状态态下最大轴轴力荷载组组合和最大大弯矩荷载载组合下的的结构受力力情况进行行分析，并并在此基础础上对结合合段的破坏坏作进一步步研究。2.3.1结合段受力力机理钢与混凝土土结合段设设计方案根根据所采用用连接方式式的不同可可分为以下下几种：焊焊接钢筋锚锚固式、PBL剪力键式、、剪力钉体体外预应力力锚固式和和外法兰盘盘预压式等等。倾斜型内法法兰预压式式连接钢-混结合段，，采用高强强螺栓施加加预紧力，，使结构首首先有了预预应力，有有效防止了了混凝土结结合面上产产生拉应力力，并有效效预防混凝凝土裂缝的的产生。在在模型结构构设计时，，使塔底边边缘的拉力力不超过高高强螺栓的的预紧力设设计值，保保证混凝土土塔座始一一直处于受受压的状态态。2.3.2最大轴力荷荷载组合1．结合段混混凝土塔座座应力分析析最大轴力作作用效应组组合下，钢钢-混结合段混混凝土塔座座应力分布布云图如图图。由于对对高强螺栓栓施加了预预紧力，混混凝土塔座座除顶端受受拉侧外基基本处于受受压状态，，压应力除除个别点偏偏大外基本本分布在为为1Mpa左右，其受受力状况与与设计相吻吻合。另外外，由于弯弯矩的存在在导致受拉拉侧混凝土土塔座底部部产生了的的较小拉应应力，这是是由实际受受力状态等等效加载方方式所致。。2．结合段钢钢箱应力分分析最大轴力作作用效应组组合下，钢钢-混结合段内内钢箱的应应力云图如如图2.6。由图可以以看出，钢钢箱总体表表面的应力力分布在15Mpa左右，但也也有个别点点应力偏大大，最大应应力集中点点的应力也也在60Mpa以下，远小小于钢材的的屈服应力力。3．高强螺栓栓应力分析析下图为最大大轴力作用用效应组合合下钢—混结合段内内高强螺栓栓的轴向应应力分布云云图。由图图可见，高高强螺栓的的轴向应力力都在在250MPa以下，小于于其屈服强强度。2.3.3最大弯矩荷荷载组合1．钢-混结合段混混凝土塔座座应力分析析最大弯矩作作用效应组组合下，钢钢-混结合段混混凝土塔座座应力分布布云图如图图。从图中中可以看出出，由于高高强螺栓预预紧力的作作用，混凝凝土塔座除除顶端受拉拉侧外基本本处于受压压状态，压压应力除个个别点偏大大外基本分分布在为1Mpa左右。另外外，由于弯弯矩的存在在导致受拉拉侧混凝土土塔座底部部产生了的的拉应力，，与最大轴轴力作用效效应组合下下的拉应力力相比，拉拉应力略有有增大，这这与实际加加载状况相相吻合。2．结结合合段段钢钢箱箱应应力力分分析析最大大弯弯矩矩作作用用效效应应组组合合下下，，钢钢-混结结合合段段内内钢钢箱箱的的应应力力云云图图如如图图。。由由图图可可看看出出，，钢钢箱箱总总体体表表面面的的应应力力值值分分布布在在15Mpa左右右，，有有个个别别点点应应力力比比较较集集中中，，其其应应力力值值大大约约为为52.6Mpa，但但远远小小于于其其屈屈服服强强度度。。3．高高强强螺螺栓栓应应力力分分析析下图图为为最最大大弯弯矩矩作作用用效效应应组组合合下下钢钢—混结结合合段段内内高高强强螺螺栓栓的的轴轴向向应应力力分分布布云云图图。。由由图图可可见见，，比比最最大大弯弯矩矩组组合合条条件件下下应应力力偏偏大大，，但但高高强强螺螺栓栓的的轴轴向向应应力力都都在在250MPa以下下，，远远小小于于其其屈屈服服强强度度。。2.4本章章小小结结通过过最最大大内内力力效效应应组组合合分分析析，，结结合合面面基基本本处处于于受受压压状状态态，，而而且且混混凝凝土土局局部部承承压压应应力力满满足足规规范范要要求求，，通通过过理理论论分分析析表表明明钢钢-混凝凝土土结结合合段段满满足足最最大大承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计要要求求。。另另外外，，模模型型结结构构的的钢钢箱箱和和高高强强螺螺栓栓的的应应力力值值都都远远低低于于材材料料的的屈屈服服强强度度，，钢钢-混结结合合段段具具有有一一定定的的安安全全储储备备，，工工作作性性能能良良好好。。第三三章章钢钢—混凝凝土土塔塔座座预预应应力力结结合合段段模模型型试试验验原原理理3.1材料料本本构构关关系系及及屈屈服服准准则则3.1.1钢的的本本构构关关系系及及屈屈服服准准则则对于于Q235钢、、Q345钢等等土土木木工工程程中中常常用用的的低低碳碳钢钢，，钢钢材材的的应应力力-应变变（（σ-εε）关关系系曲曲线线一一般般可可分分为为弹弹性性阶阶段段（（oa）、、弹弹塑塑性性阶阶段段（（ab）、、塑塑性性阶阶段段（（bc）、、强强化化阶阶段段（（cd）和和二二次次塑塑流流（（de）等等五五个个阶阶段段。。钢钢材材实实际际应应力力-应变变关关系系曲曲线线如如图图所所示示。。3.1.2混凝凝土土的的本本构构关关系系混凝凝土土作作为为土土木木工工程程中中应应用用最最广广泛泛的的建建筑筑材材料料之之一一，，其其本本质质的的特特点点是是材材料料组组成成的的不不均均匀匀性性，，且且存存在在天天生生的的微微裂裂缝缝，，由由此此决决定定了了其其特特征征工工作作机机理理是是：：微微裂裂缝缝发发展展、、运运行行、、从从而而构构成成较较大大的的宏宏观观裂裂缝缝，，继继之之宏宏观观裂裂缝缝又又发发展展，，最最终终导导致致结结构构中中混混凝凝土土的的破破坏坏。。混混凝凝土土的的这这种种工工作作机机理理决决定定了了其其工工作作性性能能的的复复杂杂性性。。Hognestad建议议的的应应力力—应变变关关系系式式是是目目前前国国内内外外采采用用最最为为广广泛泛的的曲曲线线（（如如图图）），，其其上上升升段段为为抛抛物物线线变变化化，，下下降降段段为为斜斜直直线线变变化化。。该该曲曲线线取取斜斜率率为为15%的斜斜直直线线来来考考虑虑混混凝凝土土的的下下降降段段，，表表达达简简洁洁，，又又抓抓住住了了主主要要特特征征，，因因而而得得到到广广泛泛应应用用。。3.1.3螺栓栓连连接接件件受受力力状状态态与与破破坏坏形形态态当小小量量值值的的作作用用力力作作用用于于螺螺栓栓构构件件时时，，其其抵抵抗抗外外力力的的能能力力主主要要靠靠两两层层钢钢板板之之间间的的摩摩擦擦力力来来承承担担。。当当外外荷荷载载大大于于抗抗摩摩擦擦极极限限值值后后，，两两层层钢钢板板之之间间将将产产生生相相对对滑滑移移，，螺螺杆杆因因与与孔孔壁壁作作用用开开始始受受到到剪剪力力作作用用，，孔孔壁壁受受到到压压力力作作用用。。当当螺螺栓栓连连接接构构件件处处于于弹弹性性工工作作阶阶段段时时，，螺螺栓栓受受到到的的力力值值存存在在差差异异，，一一般般中中间间受受力力较较小小，，两两边边受受力力较较大大。。随随着着外外荷荷载载的的增增加加，，构构件件进进入入塑塑性性工工作作阶阶段段，，螺螺栓栓之之间间的的力力值值基基本本相相等等，，一一直直到到破破坏坏。。而对对于于高高强强螺螺栓栓，，在在拧拧紧紧时时，，螺螺栓栓中中产产生生了了很很大大的的预预拉拉力力，，而而被被连连接接板板件件间间则则产产生生很很大大的的预预压压力力。。连连接接受受力力后后，，由由于于接接触触面面上上产产生生的的摩摩擦擦力力，，能能在在相相当当大大的的荷荷载载情情况况下下阻阻止止板板件件间间的的相相对对滑滑移移，，因因而而弹弹性性工工作作阶阶段段较较长长。。由此此可可见见，，首首先先高高强强螺螺栓栓所所用用材材料料本本身身强强度度高高，，再再之之对对高高强强螺螺栓栓施施加加了了预预紧紧力力以以后后，，螺螺栓栓构构件件两两层层钢钢板板之之间间将将产产生生很很大大的的压压力力，，从从而而大大大大提提高高了了其其摩摩擦擦力力。。对对于于短短头头的的高高强强螺螺栓栓连连接接构构件件，，其其螺螺栓栓群群受受力力比比较较均均匀匀，，基基本本在在达达到到极极限限强强度度后后同同时时破破坏坏：：对对于于较较长长螺螺杆杆的的连连接接构构件件，，螺螺栓栓之之间间受受力力差差异异很很大大，，最最边边缘缘的的高高强强罗罗栓栓首首先先达达到到极极限限强强度度破破坏坏，，接接着着内内力力重重新新分分布布，，中中间间的的螺螺栓栓受受力力增增大大直直至至强强度度极极限限而而破破坏坏，，最最终终整整个个高高强强螺螺栓栓连连接接构构件件破破坏坏。。3.2模型型试试验验原原理理3.2.1模型型试试验验的的概概述述模型型试试验验是是指指根根据据具具体体的的实实际际结结构构或或构构件件，，按按一一定定的的相相似似关关系系缩缩小小为为结结构构模模型型进进行行试试验验研研究究，，其其试试验验数数据据可可根根据据相相似似关关系系直直接接换换算算为为原原型型结结构构的的数数据据。。模模型型试试验验作作为为结结构构性性能能分分析析的的手手段段，，在在近近代代工工程程结结构构的的发发展展中中起起着着重重要要的的作作用用。。一、模型型试验的的应用1.代替大型型结构试试验或作作为大型型结构试试验的辅辅助试验验。2.作为结结构分分析计计算的的辅助助手段段。3.验证和和发展展结构构设计计理论论。二、模模型试试验的的优点点和缺缺点1.优点1）经济济性好好。2）针对对性强强。3）数据据准确确。2．缺点点及不不足试验用用模型型虽可可在许许多基基本假假设与与主要要因素素方面面模拟拟实物物，但但在一一些局局部的的细节节方面面却很很难实实现，，例如如结构构的连连接接接头，，焊缝缝的特特性，，某些些应力力集中中因素素等，，很难难在模模型试试验中中得到到反映映。3.2.2量纲分分析在讨论论相似似定理理时，，我们们往往往假定定已知知结构构系统统各物物理量量之间间的基基本关关系。。而进进行结结构模模型试试验时时，并并不能能确切切地知知道关关于结结构性性能的的某些些关系系，这这时，，借助助于量量纲分分析，，能够够对结结构体体系的的基本本性能能做出出判断断。一、量量纲定定义：：量纲，，又称称因次次，他他说明明测量量物理理量时时所采采用的的单位位性质质。度度量单单位有有两种种含义义：一一是表表示被被度量量的物物理量量的类类型，，另一一是表表示度度量单单位的的大小小。称称被度度量的的物理理量的的类型型为该该物理理量的的量纲纲。二、量量纲关关系在一物物理现现象中中，各各物理理量间间既有有区别别又有有联系系，因因此，，它们们的量量纲之之间也也存在在一定定的关关系1.两个物物理量量相等等，是是指不不仅数数值相相等，，而且且量纲纲也相相同。。2.两个同同量纲纲参数数的比比值是是无量量纲参参数，，其数数值不不随所所取单单位的的大小小而变变。3.在一物物理方方程中中，等等式两两边各各项的的量纲纲必须须相同同。4.导出量量纲可可以和和基本本量纲纲组成成无量量纲的的组合合。3.2.3模型的的相似似理论论一、相相似似的概概念1.几何相相似如果模模型上上所有有方向向的线线性尺尺寸，，均按按原型型相应应尺寸寸用同同一比比例常常数确确定则则此模模型与与原模模型几几何相相似。。2.荷载相相似如果模模型所所有位位置上上作用用的荷荷载与与原型型在对对应位位置上上的荷荷载方方向一一致，，大小小成同同一比比例，，成为为荷载载相似似。3.时间相相似在动力力问题题中，，如果果模型型上的的速度度、加加速度度与原原型的的速度度和加加速度度在对对应的的位置置和对对应的的时刻刻保持持一定定的比比例，，并且且运动动的方方向一一致，，则称称为速速度和和加速速度相相似。。所谓谓时间间相似似则不不一定定是指指相同同的时时刻，，而是是只要要对应应的时时间间间隔保保持同同一比比例。。二、相相似原原理对于结结构模模型试试验，，其目目的就就是研研究结结构物物的应应力和和变形形形态态。为为使模模型上上产生生的物物理现现象与与原型型相似似，模模型的的几何何形状状、材材料特特性、、边界界条件件和外外部荷荷载等等就必必须遵遵循一一定的的规律律，这这种规规律就就是相相似原原理。。3.3本章小小结本章通通过介介绍模模型试试验的的相似似准则则、量量纲分分析以以及模模型设设计的的原则则，得得出本本实验验模型型的相相似准准则：：①应应变相相等,即模型型和实实桥保保持应应变相相等；；②应应力相相等,即模型型和实实桥保保持应应力相相等；；③应应变或或应力力保持持一定定的比比例关关系,即介于于应变变相等等和应应力相相等之之间。。根据据这3个条件件,可分别别导出出集中中荷载载、分分布荷荷载等等的相相似关关系。。如果果模型型和原原型所所用材材料相相同,即弹性性模量量相等等,则无论论应力力相等等或应应变相相等,所导出出的荷荷载、、位移移等关关系都都是相相同的的。第四章章钢钢—混凝土土塔座座预应应力结结合段段模型型试验验4.1模型试试验设设计房山五五渡桥桥采用用高强强螺栓栓连接接件、、前压压钢板板填充充混凝凝土应应用在在大角角度钢钢架塔塔基结结合段段上，，这种种结构构在我我国尚尚属首首次。。考虑虑到房房山五五渡桥桥钢架架塔和和混凝凝土塔塔基结结合段段设计计的实实际受受力特特性，，本实实验的的目的的主要要是掌掌握钢钢—混结合合段高高强螺螺栓连连接件件的的的力学学行为为。为为了尽尽量真真实反反映实实桥情情况，，最终终选用用了大大比例例尺模模型，，并考考虑到到模型型的制制作难难度、、试验验加载载条件件及试试验结结果的的准确确性等等方面面的综综合因因素，，最终终确定定以1：4的比例例进行行模型型试验验。4.2模型试试验目目的1）验证证设计计计算算结果果的可可靠性性2）验证证设计计荷载载下钢钢架塔塔基钢钢—混结合合段的的安全全性及及合理理性3）研究究钢—混结合合段的的应力力分布布规律律4）高强强螺栓栓连接接件的的力学学性能能、应应力分分布及及破坏坏形式式4.3模型设设计及及制作作在模型型试验验中，，模型型设计计的原原则是是：对对模型型局部部进行行简化化处理理应忽忽略一一些次次要因因素，，且能能够反反映实实际结结构的的主要要力学学特征征,。根据据试验验场地地范围围，实实验室室设备备状况况，以以及实实体结结构的的大小小来确确定试试件的的尺寸寸。试试验模模型与与实际际结构构存在在着比比例大大小的的不同同，所所以其其内力力分布布与实实际结结构相相比就就存在在一定定的差差异，，但其其应力力应该该与实实际结结构的的应力力应基基本一一致。。4.3.1模型比比例综合考考虑到到实体体结构构的大大小、、场地地范围围和现现存设设备状状况，，本实实验模模型拟拟采用用1:4的几何何比例例进行行设计计，并并有公公式推推导出出模型型试件件结构构的剪剪力、、轴力力、弯弯矩等等的比比例系系数如如表所所示。。项目几何模量惯性矩面积力弯矩应力应变相似常数λλEλIλAλFλMλσλε相似比4144424243114.3.2模型尺尺寸结合段段试验验中取取用的的试件件取实实际结结构发发挥作作用的的主要要部分分，试试件由由混凝凝土基基座、、高强强螺栓栓连接接件、、前压压钢板板混凝凝土、、钢板板四部部分构构成。。模型型材料料采用用与实实际结结构相相同的的材料料，具具体构构造示示意图图如图图4.1所示。。4.3.3测点选选取及及布置置本模型型试验验研究究的主主要内内容为为高强强螺栓栓的力力学性性能及及钢—混结合合段各各种材材料的的应力力分布布规律律和传传力途途径。。因此此在模模型具具有代代表性性的高高强螺螺栓、、塔座座混凝凝土表表面及及钢箱箱表面面等部部位总总共布布置82个应变变测点点，并并在钢钢架塔塔与拱拱座接接合面面的两两层钢钢板间间布设设1个位移移测点点。其其中混混凝土土浇注注之前前在高高强螺螺栓上上布置置36个测点，预预埋应变片片；混凝土土浇筑后在在混凝土塔塔基表面布布置14个测点；钢钢箱表面布布设32个测点，均均为应变片片。用于测测试各种加加载工况下下模型各构构件承担的的荷载及其其应力的分分布情况。。具体布置置形式如图图所示。4.3.4模型施加荷荷载设计1）试验等效效荷载分析析根据模型实实验原理，，本实验采采用实验模模型与实体体结构应力力等效的原原则计算试试验加载荷荷载值。轴轴力通过试试验构件上上方的液压压千斤顶施施加，侧向向力通过试试验构件侧侧面的机械械千斤顶施施加。在实际结构构承载能力力极限状态态作用组合合中的基本本组合下，，选取最大大弯矩效应应组合（考考虑自重、、预应力、、桥面铺装装和整体降降温），最最大轴力效效应组合（（考虑自重重、预应力力、桥面铺铺装、车道道偏载和整整体降温））两种荷载载组合计算算试验荷载载如表所示示。对象最大弯矩组合最大轴力组合弯矩(KN·M)轴力（KN）弯矩(KN·M)轴力（KN）实际结构12489.348532.5511710.829076.06模型195.15533.28182.98567.25由上表确定定两种试验验加载工况况分别为：：最大弯矩荷荷载组合：：轴向力N1=533.28KN，水平力Q1=229.59KN；最大轴力荷荷载组合：：轴向力N2=567.25KN，水平力Q2=215.27KN；由此确定试试验加载的的最大值为为：轴向力力Nmax=567.25KN，水平力Qmax=229.59KN而考虑模型型钢­—混结合面以以上结构自自重作用，，最终试验验加载工况况为：最大弯矩荷荷载组合：：轴向力N1=516.4KN，水平力Q1=229.59KN；最大轴力荷荷载组合：：轴向力N2=550.4KN，水平力Q2=215.27KN；1.2倍的最大弯弯矩荷载组组合：轴向向力1.2N1=619.7KN，水平力1.2Q1=275.51KN；1.2倍的最大轴轴力荷载组组合：轴向向力1.2N2=660.5KN，水平力1.2Q2=258.32KN；2）试验加载载方案最大轴力荷载组合加载最大弯矩荷载组合加载1.2倍最大轴力荷载组合加载1.2倍最大弯矩荷载组合加载破坏加载轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力000000000010050100601005010060100602008020090200802009020090300110300120300110300120200120400140400150400140400150200150450170450180450170450180200180500200500210500200500210200210550215516.4229.6550220550230200230600240600250200240660258620275200270200300200330200360试验过程加加载分两步步进行：第第一步是从从0加载到最大大轴力荷载载组合中第第一级加载载工况大小小，然后再再卸载到0，循环三次次进行，目目的是考察察试件在重重复使用荷荷载作用下下的变形行行为，包括括高强螺栓栓、钢板、、混凝土的的协调变形形性能以及及试件的弹弹性恢复性性能，以消消除非线性性的影响，，并检查各各仪器工作作是否正常常。第二步步是按照试试验分级加加载吨位表表（如表3.4-6）进行分级级加载，每每级荷载稳稳压15分钟以便读读数，用肉肉眼在塔座座混凝土表表面寻找和和观察裂缝缝，若出现现裂缝则使使用读数显显微镜测度度裂缝宽度度，并记录录裂缝出现现和发展情情况。观测测完毕后，，读数测试试三次，查查看测试数数据无明显显变化后再再进行下一一加载工况况。4.3.5加载实施方方案1）试验加载载装置模型试验在在长安大学学桥梁结构构工程实验验室完成。。水平加载载设备和竖竖向加载设设备采用50t机械千斤顶顶和100t液压千斤顶顶，试验前前通过加载载标定千斤斤顶加载大大小以保证证其加载精精度。2）加载及实实验图示4.3.6模型细部要要求1）钢混结合合面两层钢钢板经过喷喷砂处理。。2）浇注拱座座混凝土时时，应注意意预埋螺栓栓及定位承承压钢筋网网，螺栓应应严格定位位。3）所有顶底底腹板间焊焊缝为单面面坡口焊缝缝，双面成成型，并应应进行打磨磨。4.4模型试验结结果分析模型试验的的所测得的的应变数据据全部由数数据采集仪仪直接读取取，并且我我们对模型型试件不同同位置应变变片的局部部坐标作出出以下规定定，以方便便绘图。1．对于混凝凝土塔座处处应变片，，取塔座混混凝土顶端端为1点，垂直下下方为依次次个测点；；2．对于钢箱箱上应变片片，取钢箱箱顶端为1点，垂直下下方为依次次个测点；；3．对于高强强螺栓处应应变片，取取钢混结合合面处为X坐标原点，，向两端为为正方向；；4.4.1最大轴力荷荷载组合作作用结果本阶段试验验共进行了了最大轴力力荷载组合合和1.2倍最大轴力力荷载组合合两种荷载载组合的加加载过程。。实验过程程中，钢-混凝土结合合段模型试试件在各级级荷载的作作用下表现现平稳，无无任何异常常现象产生生。通过对对试验所测测得的数据据比较分析析，模型试试件的高强强螺栓、钢钢箱、混凝凝土等材料料的应变值值都随着荷荷载等级的的增加大致致呈线性增增加，变化化协调平稳稳。通过肉肉眼观察，，试件各种种材料的无无裂缝产生生，并且在在卸载后基基本不存在在残余应变变。实验结结果表明：：钢-混凝土结合合段模型试试件始终处处于弹性工工作阶段，，储备安全全，工作性性能良好。。①钢—混凝土结合合段混凝土土结构应变变分析下图为最大大轴力荷载载组合下钢钢-混凝土结合合段模型试试件混凝土土应变变化化趋势图。。其中点号号为混凝土土上不同的的测点，测测点的具体体位置参照照前面的设设计图示；；分级数参参照前面的的加载吨位位表。从图图中可以看看出，混凝凝土各测点点基本上都都处于受压压的状态，，应变值都都随着加载载等级的增增加而增加加，并大致致呈线性变变化。在各各级荷载的的作用下，，混凝土最最大压应变变为75×10-6左右，其值值远小于混混凝土的极极限抗压应应变值，说说明模型试试件混凝土土塔座工作作状态始终终处于弹性性阶段。②钢—混凝土结合合段钢结构构应变分析析下两图分别别为最大轴轴力荷载组组合下钢-混凝土结合合段模型试试件钢箱应应变变化趋趋势图。其其中点号为为钢箱上不不同的测点点，测点的的具体位置置参照前面面的设计图图示；分级级数参照前前面的加载载吨位表。。从图中可可以看出，，钢箱上各各测点基本本上都处于于受压的状状态，应变变值都随着着加载等级级的增加而而增加，并并大致呈线线性变化，，在距结合合面100mm和600mm段的钢箱表表面测点6的变化趋势势最明显，，应视为钢钢箱受力的的最不利位位置。在各各级荷载的的作用下，，混凝土最最大压应变变为363×10-6左右，其值值远小于钢钢箱的极限限抗压应变变值，说明明模型试件件钢箱工作作状态始终终处于弹性性阶段，储储备安全。。②钢—混凝土结合合段高强螺螺栓应变分分析下图分别为为最大轴力力荷载组合合下钢-混凝土结合合段模型试试件高强螺螺栓应变变变化趋势图图。其中测测点的具体体位置参照照前面的坐坐标设计图图示；分级级数参照前前面的加载载吨位表。。从图中可可以看出，，高强螺栓栓上各测点点都处于受受拉的状态态，应变值值都随着加加载等级的的增加而增增加，并大大致呈线性性变化，螺螺栓的最大大应力位于于钢-混结合面处处。由模型试件件各种材料料试验结果果可知，钢钢-混凝土结合合段模型试试件在最大大轴力荷载载组合、1.2倍最大轴力力荷载组合合的各级加加载荷载作作用下，变变化趋势一一致，无裂裂缝现象产产生，结合合面处无滑滑移、开裂裂及剥落现现象产生，，结构整体体处于弹性性工作阶段段，受力平平稳，储备备安全，满满足设计要要求。4.4.2最大弯矩荷荷载组合作作用结果本阶段试验验共进行了了最大弯矩矩荷载组合合和1.2倍最大弯矩矩荷载组合合两种荷载载组合的加加载过程。。实验过程程中，钢-混凝土结合合段模型试试件在各级级荷载的作作用下表现现平稳，无无任何异常常现象产生生。通过对对试验所测测得的数据据比较分析析，模型试试件的高强强螺栓、钢钢箱、混凝凝土等材料料的应变值值都随着荷荷载等级的的增加大致致呈线性增增加，变化化协调平稳稳。通过肉肉眼观察，，试件各种种材料的无无裂缝产生生，并且在在卸载后基基本不存在在残余应变变。实验结结果表明：：钢-混凝土结合合段模型试试件始终处处于弹性工工作阶段，，储备安全全，工作性性能良好。。①钢—混凝凝土土结结合合段段混混凝凝土土结结构构应应变变分分析析下图图为为最最大大弯弯矩矩荷荷载载组组合合下下钢钢-混凝凝土土结结合合段段模模型型试试件件混混凝凝土土应应变变变变化化趋趋势势图图。。其其中中点点号号为为混混凝凝土土上上不不同同的的测测点点，，测测点点的的具具体体位位置置参参照照前前面面的的设设计计图图示示；；分分级级数数参参照照前前面面的的加加载载吨吨位位表表。。从从图图中中可可以以看看出出，，混混凝凝土土各各测测点点除除结结构构上上缘缘外外基基本本上上都都处处于于受受压压的的状状态态，，应应变变值值都都随随着着加加载载等等级级的的增增加加而而增增加加，，并并大大致致呈呈线线性性变变化化。。在在各各级级荷荷载载的的作作用用下下，，混混凝凝土土下下缘缘最最大大压压应应变变为为62××10-6左右右，，上上缘缘最最大大拉拉应应变变为为20××10-6左右右，，，，其其值值远远小小于于混混凝凝土土的的极极限限应应变变值值，，说说明明模模型型试试件件混混凝凝土土塔塔座座工工作作状状态态始始终终处处于于弹弹性性阶阶段段。。②钢—混凝凝土土结结合合段段钢钢结结构构应应变变分分析析下图图分分别别为为最最大大弯弯矩矩荷荷载载组组合合下下钢钢-混凝凝土土结结合合段段模模型型试试件件钢钢箱箱应应变变变变化化趋趋势势图图。。其其中中点点号号为为钢钢箱箱上上不不同同的的测测点点，，测测点点的的具具体体位位置置参参照照前前面面的的设设计计图图示示；；分分级级数数参参照照前前面面的的加加载载吨吨位位表表。。从从图图中中可可以以看看出出，，钢钢箱箱上上各各测测点点基基本本上上都都处处于于受受压压的的状状态态，，应应变变值值都都随随着着加加载载等等级级的的增增加加而而增增加加，，并并大大致致呈呈线线性性变变化化，，在在距距结结合合面面100mm和600mm段的的钢钢箱箱表表面面测测点点6的变变化化趋趋势势最最明明显显，，应应视视为为钢钢箱箱受受力力的的最最不不利利位位置置。。在在各各级级荷荷载载的的作作用用下下，，混混凝凝土土最最大大压压应应变变为为359××10-6左右右，，其其值值远远小小于于钢钢箱箱的的极极限限抗抗压压应应变变值值，，说说明明模模型型试试件件钢钢箱箱工工作作状状态态始始终终处处于于弹弹性性阶阶段段，，储储备备安安全全。。③钢—混凝凝土土结结合合段段高高强强螺螺栓栓应应变变分分析析下图图分分别别为为最最大大弯弯矩矩荷荷载载组组合合下下钢钢-混凝凝土土结结合合段段模模型型试试件件高高强强螺螺栓栓应应变变变变化化趋趋势势图图。。其其中中测测点点的的具具体体位位置置参参照照前前面面的的坐坐标标设设计计图图示示；；分分级级数数参参照照前前面面的的加加载载吨吨位位表表。。从从图图中中可可以以看看出出，，高高强强螺螺栓栓上上各各测测点点都都处处于于受受拉拉的的状状态态，，应应变变值值都都随随着着加加载载等等级级的的增增加加而而增增加加，，并并大大致致呈呈线线性性变变化化，，螺螺栓栓的的最最大大应应力力位位于于钢钢-混结结合合面面处处。。由模模型型试试件件各各种种材材料料试试验验结结果果可可知知，，钢钢-混凝凝土土结结合合段段模模型型试试件件在在最最大大弯弯矩矩荷荷载载组组合合、、1.2倍最最大大弯弯矩矩荷荷载载组组合合的的各各级级加加载载荷荷载载作作用用下下，，变变化化趋趋势势一一致致，，无无裂裂缝缝现现象象产产生生，，结结合合面面处处无无滑滑移移、、开开裂裂及及剥剥落落现现象象产产生生，，结结构构整整体体处处于于弹弹性性工工作作阶阶段段，，受受力力平平稳稳，，储储备备安安全全，，满满足足设设计计要要求求。。4.5试验验结结果果与与有有限限元元计计算算结结果果比比较较分分析析4.5.1最大大轴轴力力荷荷载载组组合合作作用用下表表分分别别为为模模型型试试件件的的混混凝凝土土、、钢钢箱箱、、高高强强螺螺栓栓等等材材料料的的测测点点计计算算值值与与试试验验值值比比对对值值分分析析。。其其中中加加载载工工况况选选择择的的是是最最大大轴轴力力组组合合下下的的最最高高一一级级荷荷载载值值，，对对于于已已损损坏坏的的应应变变片片我我们们用用空空格格代代替替，，我我们们规规定定拉拉应应力力为为正正值值，，压压应应力力为为负负值值。。①混凝土塔座座表面应力测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0175325475625775950计算值（MPa）1.350.400.21-0.49-0.84-1.10-3.02试验值（MPa）0.280.20-0.13-0.93-1.11-1.56-2.44①钢箱表面应应力测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）063275425575787850计算值（MPa）6.766.32-7.03-12.77-18.73-26.60-25.11试验值（MPa）1.03-3.81-10.82-23.18-10.20-74.68-7.62测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）063275425575787850计算值（MPa）-0.41-4.17-7.90-11.19-12.55-13.28-12.98试验值（MPa）-1.75-4.33-11.85-13.39-10.82-23.56-4.12①高强螺栓表表面应力X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）267.91266,24261.88249.99215.70试验值（MPa）/334.30319.08304.26298.28X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）263.44261.54257245.13211.40试验值（MPa）331.66/331.66310.38284.88X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）255.2252.80247.77235.77203.01试验值（MPa）/327.75/308.18277.98X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）251.30248.45243230.85198.55试验值（MPa）310.28297.38273.18307.15278.78由上面各表所所列各测点应应力数据可见见：A.从表可以看出出，在最大轴轴力荷载组合合的最大一级级荷载工况作作用下，混凝凝土结构、钢钢箱以及螺栓栓各测点的试试验值与有限限元计算值变变化规律一致致，其数值也也比较相近。。B.在距结合面100mm和600mm段的钢箱表面面测点6的变化趋势最最明显，应视视为钢箱受力力的最不利位位置。C.通过比较混凝凝土与钢箱的的应变值说明明，钢-混结合段模型型试件应力在在由钢箱高应应变值向混凝凝土塔座的低低应变值传递递过程中变化化平稳，这与与结构承压板板的应力扩散散作用是分不不开的。。4.5.2最大弯矩荷载载组合作用下表分别为模模型试件的混混凝土、钢箱箱、高强螺栓栓等材料的测测点计算值与与试验值比对对值分析。其其中加载工况况选择的是最最大弯矩荷载载组合下的最最高一级荷载载值，对于已已损坏的应变变片我们用空空格代替，我我们规定拉应应力为正值，，压应力为负负值。①混凝凝土塔塔座表表面应应力测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0175325475625775950计算值（MPa）1.530.470.24-0.48-0.84-1.12-3.11试验值（MPa）0.65-0.190.08-0.72-1.3-1.15-2.02①钢箱箱表面面应力力测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）063275425575787850计算值（MPa）8.317.85-6.73-12.66-18.86-27.10-25.66试验值（MPa）1.541.85-7.11-20.19-14.63-73.85-4.64测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）063275425575787850计算值（MPa）0.95-3.73-7.62-11.07-12.44-13.17-12.83试验值（MPa）3.71-0.52-5.97-7.73-6.59-18.54-0.62①高强强螺栓栓表面面应力力X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）268.98267.34263.03251.15216.73试验值（MPa）/341.55325.27305.29302.61X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）264.22262.35257.83245.96212.13试验值（MPa）338.05/319.3318.68290.66X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）255.45253.03247.99235.98203.19试验值（MPa）/319.92/295.20288.61X=处测点位置（沿Y方向离顶板的距离mm）0100200300400计算值（MPa）251.26248.39242.91230.74198.44试验值（MPa）322.39306.73279.34269.24288.19由上面面各表表所列列各测测点应应力数数据可可见：：1、从表表可以以看出出，在在最大大弯矩矩荷载载组合合的最最大一一级荷荷载工工况作作用下下，混混凝土土结构构、钢钢箱以以各个个测点点的试试验值值与有有限元元计算算值大大小相相比规规律比比较接接近。。2、在距距结合合面100mm和600mm段的钢钢箱表表面测测点6的变化化趋势势最明明显，，应视视为钢钢箱受受力的的最不不利位位置。。3、通过过比较较混凝凝土与与钢箱箱的应应变值值说明明，钢钢-混结合合段模模型试试件应应力在在由钢钢箱高高应变变值向向混凝凝土塔塔座的的低应应变值值传递递过程程中变变化平平稳，，这与与结构构承压压板的的应力力扩散散作用用是分分不开开的。。4.6破坏加加载研研究本加载载过程程是按按破坏坏加载载工况况分级级加载载。当当加载载进行行到（（200,330）级后后一级级段时时，听听到响响声，，靠近近加载载面一一侧高高强螺螺栓失失效，，钢箱箱倾斜斜，千千斤顶顶传感感器滑滑出，，两层层钢板板间产产生大大约10mm的裂缝缝如图图：4.6.1高强螺螺栓握握裹力力估算算混凝土土与钢钢筋之之间的的握裹裹力跟跟混凝凝土强强度等等级、、钢筋筋表面面形状状、锚锚固长长度及及钢筋筋直径径有关关：N≥ππdlττ=ft/4al=钢筋锚锚固长长度；；d=钢筋直直径；；ft=混凝土土抗拉拉长度度；a=钢筋外外形系系数；；光面面钢筋筋a=0.16；计算得得：N≥33.6KN通过（（200,330）级加加载螺螺栓受受力测测定得得，螺螺栓所所受拉拉力大大约为为68.4KN,而此时时应变变远小小于高高强螺螺栓的的屈服服应变变，因因此我我们断断定高高强螺螺栓是是从混混凝土土塔座座中“拔出”破坏。。4.6.2破坏阶阶段受受力分分析本阶