力學(xué)實驗課拱橋

力學(xué)實驗課拱橋第1頁/共66頁簡支梁橋由一根兩端分別支撐在一個活動支座和一個鉸支座上的梁作為主要承重結(jié)構(gòu)的梁橋。屬于靜定結(jié)構(gòu)。是梁式橋中應(yīng)用最早、使用最廣泛的一種橋形。其構(gòu)造簡單，架設(shè)方便，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受地基變形，溫度改變的影響。

第2頁/共66頁連續(xù)梁橋兩跨或兩跨以上連續(xù)的梁橋，屬于超靜定體系。連續(xù)梁在恒活載作用下，產(chǎn)生的支點負彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用，使內(nèi)力狀態(tài)比較均勻合理。它具有接縫少、剛度好、行車平順舒適等優(yōu)點，在30-120m跨度內(nèi)常是橋型方案比選的優(yōu)勝者。

第3頁/共66頁第4頁/共66頁剛構(gòu)連續(xù)梁和連續(xù)梁的最基本區(qū)別就是前者把支座去掉，轉(zhuǎn)而換成柔性薄壁墩與上部結(jié)構(gòu)剛結(jié)，二者一起協(xié)同變形。通過柔性墩的變形來吸收上部結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的能量。第5頁/共66頁2、拱式橋拱式橋的主要承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋。這種結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，橋墩或橋臺將承受水平推力。同時，這種水平推力將顯著抵消荷載所引起在拱圈(或拱肋)內(nèi)的彎矩作用。因此，與同跨徑的梁相比，拱的彎矩和變形要小得多。鑒于拱橋的承重結(jié)構(gòu)以受壓為主，通常就可用抗壓能力強的圬工材料(如磚、石、混凝土)和鋼筋混凝土等來建造。拱橋的跨越能力很大，外形也較美觀，在條件許可的情況下，修建拱橋往往是經(jīng)濟合理的。第6頁/共66頁

上承式拱橋拱橋種類繁多，常見的有：圬工拱橋、箱型拱橋、雙曲拱橋、鋼架拱橋、桁架拱橋、肋拱橋、桁式組合拱橋和斜腿鋼架拱橋等。根據(jù)拱橋的不同承載方式，還可分為：上承式橋梁、下承式橋梁、中承式橋梁。

第7頁/共66頁上承式拱橋橋面系設(shè)置在拱圈之上的拱橋。

優(yōu)點是橋面系構(gòu)造簡單，拱圈與墩臺的寬度較小，橋上視野開闊，施工方便；缺點是橋梁的建筑高度大，縱坡大和引橋長。一般用在跨度較大的橋梁。

第8頁/共66頁中承式拱橋橋面系設(shè)置在拱肋中部的拱橋。建筑高度限時，可以采用中承式拱橋滿足橋下凈空，在不等跨的連續(xù)拱橋中為了平很左右墩的水平推力，將較大跨境的一空矢跨比加大做成中承式拱橋可以減小大跨的水平推力。同時可以滿足景觀與美學(xué)要求。中承式拱橋缺縱梁，致使橫梁順橋向不斷扭轉(zhuǎn)，可致吊桿疲勞斷裂。施工中很難控制

第9頁/共66頁下承式拱橋橋面系設(shè)置在拱圈之下的拱橋。優(yōu)點是橋梁建筑高度很小，縱坡小，可節(jié)省引道長度；缺點是構(gòu)造復(fù)雜，拱肋施工麻煩。一般用于地基差的橋位上。在豎向荷載作用下拱腳對墩臺無水平推力作用的拱橋。其推力由剛性梁或柔性桿件承受。

第10頁/共66頁3、懸索橋用懸掛在兩邊塔架上的強大纜索作為主要承重結(jié)構(gòu)。在豎向荷載作用下，通過吊桿使纜索承受很大的拉力，通常就需要在兩岸橋臺的后方修筑非常巨大的錨碇結(jié)構(gòu)。懸索橋也是具有水平反力(拉力)的結(jié)構(gòu)。第11頁/共66頁懸索橋錨錠基礎(chǔ)第12頁/共66頁矮寨大橋懸索橋的優(yōu)點是自重輕，但結(jié)構(gòu)的剛度差，在車輛動荷載和風(fēng)荷載作用下，橋有較大的變形和振動。

第13頁/共66頁現(xiàn)代的懸索橋上，廣泛采用高強度的鋼絲成股編制的鋼纜，以充分發(fā)揮其優(yōu)異的抗拉性能，因此結(jié)構(gòu)自重較輕，就能以較小的建筑高度跨越其它任何橋型無與倫比的特大跨度。懸索橋的另一特點是：

成卷的鋼纜易于運輸，結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件輕，便于無支架懸吊拼裝。

第14頁/共66頁4、斜拉橋由斜索、塔柱和主梁所組成。用高強鋼材制成的斜索將主粱多點吊起，并將主梁的恒載和車輛荷載傳至塔柱，再通過塔柱基礎(chǔ)傳至地基。這樣，跨度較大的主梁就象一根多點彈性支承(吊起)的連續(xù)梁一樣工作，從而可使主梁尺寸大大減小，結(jié)構(gòu)自重顯著減輕，既節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料，又大幅度地增大橋梁的跨越能力。

第15頁/共66頁與懸索橋相比，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度大，即在荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小得多，且其抵抗風(fēng)振的能力也比懸索橋好，這也是在斜拉橋可能達到大跨度情況下使懸索橋遜色的重要因素。

第16頁/共66頁5、組合梁橋根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，由幾種不同體系的結(jié)構(gòu)組合而成的橋梁稱為組合體系橋。

第17頁/共66頁湘潭蓮城大橋第18頁/共66頁二、橋梁模型試驗

橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗中所指的模型是仿照原型（真實結(jié)構(gòu)、按一定的比例如1/10、1/50、1/100……復(fù)制而成代表物，它具有原型全部特點。通過對模型進行試驗，可以得到與原型相似的工作情況，從而對原型結(jié)構(gòu)的工作性能和研究和了解。模型試驗方法，在歷史很久以前就使用過。但系統(tǒng)的科學(xué)方法來制作模型和進行模型試驗是近幾年的事。特別是這樣的方法日益廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)及其他各種工程研究，成為科學(xué)研究者和設(shè)計工作者對橋梁機構(gòu)有了進一步認識，同時模型試驗已在近幾年來迅速發(fā)展，從介紹量級分析法以后開始的。測量級數(shù)以及適合模型的材料發(fā)展和應(yīng)用，對模型試驗起到迅速發(fā)展和積極促進作用。第19頁/共66頁用于橋梁結(jié)構(gòu)試驗的模型，其幾何尺寸一般比原型小的很多，可以在室內(nèi)進行試驗。因此來用模型試驗可以節(jié)省勞力和時間，以便進行測試，也能避免許多干擾（風(fēng)吹、雨淋、日曬、濕度變化等等），增加了試驗結(jié)果準(zhǔn)確度。第20頁/共66頁模型試驗優(yōu)點1.代替大型結(jié)構(gòu)試驗或作為大型結(jié)構(gòu)試驗輔助試驗。許多受力復(fù)雜體積龐大構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，有時難以進行實物實驗，同時又由于承受荷很大，作不到破壞試驗，又加上現(xiàn)場試驗的條件復(fù)雜，影響因素較多，不容易測得準(zhǔn)確結(jié)果，因此考慮用模型試驗代替。第21頁/共66頁

2.提供設(shè)計數(shù)據(jù)。當(dāng)受力復(fù)雜時，通過模型試驗對結(jié)構(gòu)工作性能進一步了解，核算設(shè)計計算方法，修改設(shè)計中局部弱點，比較設(shè)計方案，選用最合理的結(jié)構(gòu)型式。

第22頁/共66頁3.通過系統(tǒng)的模型試驗，可以為某一結(jié)構(gòu)計算理論提供試驗基礎(chǔ)。通過模型試驗與原型試驗可相互配合取長補短，對確定新型復(fù)量結(jié)構(gòu)使之設(shè)計更為合理。另一方面也必須慎重，一般模型與原型應(yīng)相似。第23頁/共66頁模型的制作相似理論：研究自然界相似現(xiàn)象的性質(zhì)和鑒別相似現(xiàn)象的一門科學(xué)。具體到我們的實驗?zāi)Ｐ团c原型之間，存在包括幾何尺寸、截面幾何特性、材料特性、荷載作用、截面內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移及支撐條件等相似關(guān)系。概括起來，在進行靜力模型設(shè)計時必須滿足下列三方面的相似條件：幾何條件、物理條件和邊界條件相似。相似關(guān)系

相似指標(biāo)/相似判據(jù)：兩個相似現(xiàn)象，它們的各個相似常數(shù)之間必須滿足一定的相似關(guān)系。

第24頁/共66頁相似原理相似第一定理：“彼此相似的現(xiàn)象，其同名相似準(zhǔn)則的數(shù)值相同?！?/p>

相似第一定理又可表述為：彼此相似的現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1。彼此相似的物理現(xiàn)象必須服從同樣的客觀規(guī)律，若該規(guī)律能用方程表示，則物理方程式必須完全相同，而且對應(yīng)的相似準(zhǔn)則必定數(shù)值相等。表述了相似現(xiàn)象的性質(zhì)。參與兩個現(xiàn)象中對應(yīng)同名物理量之間有固定比例常數(shù)。相似判據(jù)相等是相似的必要條件。。相似第二定理：“現(xiàn)象的各物理量之間的關(guān)系，可以化為各相似準(zhǔn)則之間的關(guān)系?！狈餐活愇锢憩F(xiàn)象，當(dāng)單值條件相似且由單值條件中的物理量組成的相似準(zhǔn)則對應(yīng)相等時，則這些現(xiàn)象必定相似。相似判據(jù)的確定。第25頁/共66頁相似原理相似第三定理：“如兩個現(xiàn)象的單值條件相似，而且由單值量組成的同名相似準(zhǔn)則數(shù)值相同，則這兩個現(xiàn)象相似?！毕嗨频谌ɡ砻鞔_了模型滿足什么條件、現(xiàn)象時才能相似，它是模型試驗所必須遵循的法則?，F(xiàn)象相似，除了滿足幾何相似，有相同物理關(guān)系表達式及判據(jù)相等外，還要求能唯一確定這一現(xiàn)象（如邊界條件、初始條件）的條件也必須相似單值條件相似+同名相似準(zhǔn)則相同現(xiàn)象相似第26頁/共66頁模型與原型相似條件：

（1）模型材料的比重必須等于原型材料比重（2）彈性模量必相似，（3）模型與原型應(yīng)力條件相似而且材料必相同第27頁/共66頁模型材料的選擇：

首先正確了解材料的性質(zhì)及其對試驗結(jié)果的影響，是成功完成模型試驗的先決條件，模型材料關(guān)系。正確選擇材料是模型試驗基礎(chǔ)。1.選擇模型實驗材料原則a.保證試驗要求：必須滿足設(shè)計中的相似準(zhǔn)數(shù)?？梢园涯Ｐ偷奈锢砹繐Q算成原型的物理量。b.保證測試要求：即能產(chǎn)生足夠的變形，使測量儀表有足夠的讀數(shù)，因此模型材料的彈性模量要適當(dāng)?shù)托?。c.保證制作方便，易于加工，價格便宜。第28頁/共66頁2.模型試驗注意的問題a.模型尺寸：要求一般制作的誤差都以相對誤差來表示，由于模型尺寸較小所以相應(yīng)地要較嚴格的誤差限制。b.試驗材料性能的測定如應(yīng)力、應(yīng)變、泊松比、抗阻強度等c.實驗環(huán)境，如溫度、濕度要穩(wěn)定，變化不超±1℃d.荷載選擇：事先比較詳細計算，用什么方法加，如千斤頂或砝碼、鐵塊等這些重物必須事先指定和認真檢查重量。e.變形的測量：精度要求較高的點如用電測貼電阻片或千分表量測（精度必須足夠）第29頁/共66頁實驗的模型設(shè)計圖4拱橋原型圖第30頁/共66頁參數(shù)矢高跨度寬度原橋m24.912525模型m0.4982.50.5表1.原形與模型的主要尺寸

第31頁/共66頁圖6主拱肋截面圖(a)厚度3mm(b)厚度2mm圖7主拱橫撐截面圖(a)厚度1mm(b)厚度1mm第32頁/共66頁（1）（2）相似常數(shù)（3）（4）（5）相同材料（6）由(1)與（6）相比

（7）模型：

原型：

第33頁/共66頁三、橋梁測試第34頁/共66頁1、應(yīng)變測試第35頁/共66頁電測法第36頁/共66頁靜載試驗儀器設(shè)備單向應(yīng)變

◆應(yīng)變片（貼好片不易、測值受環(huán)境溫度和濕度影響大、補償問題）

◆鋼弦式應(yīng)變計（不易安裝、零點變化大、二次儀表專用）

◆弓形應(yīng)變計（敏感部位易塑性變形，測值誤差大）平面應(yīng)變應(yīng)變片第37頁/共66頁應(yīng)變片第38頁/共66頁振弦式應(yīng)變計第39頁/共66頁振弦式應(yīng)變計第40頁/共66頁

應(yīng)變測量傳感器

第41頁/共66頁混凝土構(gòu)件應(yīng)變測量

第42頁/共66頁變形測試第43頁/共66頁簡支梁試驗

第44頁/共66頁連續(xù)連試驗

第45頁/共66頁施工過程中的應(yīng)變監(jiān)測第46頁/共66頁圖5有限元模型有限元計算比對第47頁/共66頁圖8橋面縱梁截面圖圖9橋面橫梁截面圖(a)厚度1mm(b)厚度5mm(a)厚度1mm(b)厚度2mm第48頁/共66頁圖10拱上立柱截面圖圖11橋墩截面圖(a)厚度1mm(b)厚度1mm(a)厚度1cm(b)厚度1cm第49頁/共66頁實驗加載方案1.橋梁荷載分類永久荷載（恒載）可變荷載

永久荷載（恒載）是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計的荷載。

作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載，主要是結(jié)構(gòu)物的重力及附屬設(shè)備等外加重力

可變荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值隨時間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。

按其對橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度，又分為基本可變荷載（活載）和其它可變荷載。第50頁/共66頁偶然荷載

基本可變荷載（活載）：車輛荷載、人群荷載、汽車的沖擊力等其它可變荷載：包括自然和人為產(chǎn)生的各種變化力，如風(fēng)力（風(fēng)荷載），汽車制動力、流水、雨雪等

偶然荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大，且持續(xù)時間很短的荷載。

主要是指地震荷載和船只或漂流物的撞擊力。第51頁/共66頁2.實驗加載方案

對于橋梁靜力試驗，測試荷載為恒載和可變荷載，恒載主要在施工建設(shè)過程中進行時時監(jiān)測。在橋梁驗收時的靜力試驗中，常以車輛荷載和人群荷載為主要荷載。

根據(jù)相關(guān)橋梁計算分析結(jié)果（影響線）確定測試工況，根據(jù)相關(guān)橋梁規(guī)范，確定加載方案。影響線：當(dāng)結(jié)構(gòu)上作用有沿結(jié)構(gòu)跨度移動的單位集中荷載（P=1）時，用以表示確定的截面或位置上某一特定的受力效果（內(nèi)力、位移或支座反力）的變化規(guī)律的函數(shù)圖形（曲線），稱為該結(jié)構(gòu)在荷載作用下某一截面特定受力效果的影響線，簡稱影響線。第52頁/共66頁2.實驗加載方案

對于橋梁靜力試驗，測試荷載為恒載和可變荷載，恒載主要在施工建設(shè)過程中進行時時監(jiān)測。在橋梁驗收時的靜力試驗中，常以車輛荷載和人群荷載為主要荷載。

根據(jù)相關(guān)橋梁計算分析結(jié)果（影響線）確定測試工況，根據(jù)相關(guān)橋梁規(guī)范，確定加載方案。第53頁/共66頁測試斷面/測試點位置：對于新型橋梁，通過計算結(jié)構(gòu)確定危險位置，從而確定要測試的具體位置，對于一般拱橋，為拱腳、拱頂和1/4跨位置。傳統(tǒng)加載方式：根據(jù)拱腳、拱頂和1/4