基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統的製作方法

2023-05-11 23:25:16

專利名稱：基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於橋梁試驗科學領域的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試 驗系統。
背景技術：
模型試驗研究是橋梁工程師和橋梁科技工作者藉以確定和探索複雜橋梁結構受 力狀態的重要手段之一。早在1755年德國工程師格萊伯曼為了在萊茵河上修造木橋，就首 先採用試驗的方法驗證了設計的可靠性。我國從50、60年代起，隨著橋梁建設的蓬勃發展， 逐漸開始了橋梁結構的模型試驗研究，對於複雜的橋梁結構則是由大橋局橋科院率先開始 進行試驗研究，早在70年代初期，就對我國首座最大跨度的簡支鋼桁梁橋進行了模型試驗 研究。針對斜拉橋結構的全橋模型試驗，國內湖南長沙交通學院、中鐵大橋局等單位對國 內一些重要的斜拉橋結構進行了全橋模型試驗研究，取得了一些研究成果。要進行斜拉橋 結構模型試驗，必須建立模型試驗系統。目前就斜拉橋結構全橋模型試驗系統研究現狀如 下(1) 1999年第3期《長沙交通學院學報》介紹了一種大型三塔斜拉橋鋁合金模型試 驗系統。該系統主要包括按照1 30縮尺的三塔斜拉橋試驗模型，加載系統。試驗模型主 梁採用了節段鑄造，在試驗臺上進行拼裝的方式，索力測試則採用測力裝置串聯在索中的 方式，配重和活載均採用了集中力的形式施加，並成功的進行了靜、動力模型試驗。該系統 將測力裝置串聯與索中，對拉索的剛度造成了影響，同時，配重採用集中力的方式施加與實 際不相符。(2) 2002年第2期《橋梁工程》介紹了荊州長江公路橋整體模型試驗。該模型主梁 採用了鋁板，用粘栓的方式與主肋連接，加載系統採用了槓桿自平衡原理，索力的監測則採 用在拉索上粘帖電阻應變片的方式進行。該系統的缺點主要在於索力測量方面，在拉索上 粘帖電阻應變片，質量不易保證，且長期有效性較差。(3)2008年第1期《世界橋梁》介紹了吉林蘭旗松花江特大橋的靜力模型試驗系 統。該試驗模型主要有主梁、橋塔、邊墩、斜拉索、水平和垂直加載系統以及測試系統組成。 主梁的連接採用了粘鉚結合方式，索力測試同樣採用了將測力裝置串聯與斜拉索中，恆載 補償採用在每根斜拉索下錨點對應的箱梁橫隔板吊點處施加集中荷載的方式。上述斜拉橋模型試驗系統均為驗證橋梁施工過程的安全性及成橋後大橋安全性 和可靠性，檢驗設計理論參數及理論計算的正確性，基於損傷識別目的的斜拉橋模型試驗 未有涉及；同時現有模型橋均採用雙塔或多塔形式，主梁大多採用鑄造的方式加工，加載系 統大多選擇在主梁下方，試驗主要針對斜拉橋結構靜、動力特性的測試。

發明內容
本發明的目的就是為克服上述技術的不足，設計發明了一種基於損傷識別的獨塔 斜拉橋模型試驗系統，其不僅可以對斜拉橋結構動、靜力性能的模型試驗，對設計理論、大橋的安全性、可靠性等進行驗證；同時還可以方便的模擬斜拉橋結構的各種損傷狀態，對斜 拉橋結構的損傷識別方法進行試驗研究；且在未改變拉索剛度的情況下可以實現實時、快 捷的測量索力，解決了斜拉橋模型試驗中索力測量難的難題。為實現上述發明目的採用了以下技術方案本發明為基於損傷識別的獨塔斜拉橋試驗模型系統其由獨塔斜拉橋試驗模型、槓 杆加載系統及索力測試系統共同構成；所述獨塔斜拉橋試驗模型包括裝配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支 撐立柱構成。主梁與主塔採用擠壓連接，塔梁交接處主梁下方設有支撐立柱支撐於基座上， 主梁的兩端通過支座與基座連接，主塔與斜拉索的連接採用夾具連接，拉索與主梁連接，主 塔與基座連接；所述主梁由不同長度規格的節段拼裝而成，各節段的規格長度和厚度依實 際要求設置。所述槓桿加載系統由橫架在獨塔斜拉橋模型主梁上方的門架裝置、槓桿裝置和放 在獨塔斜拉橋模型主梁上的過梁裝置三部分構成槓桿裝置中的槓桿的前端也即支點部位 活動掛接在門架裝置上；槓桿裝置中槓桿的後端設置有加載配重的機構；槓桿裝置中槓桿 的前部在支點部位後設置有與過梁裝置的中心點部為壓迫接觸的並能調整槓桿水平的調 整機構。在本發明中門架主要承受由配重所產生的支反力，通過槓桿裝置，在託盤上加載重 物，以1 10的比例加載到過梁裝置上；通過過梁裝置可以實現橋面上方的均布加載。所述索力測試系統包括錨固螺杆、找平塊、壓力環傳感器、調節螺母，安裝在索梁 錨固區。錨固螺杆與模型的斜拉索連接，錨固螺杆的下部依次穿過主梁、找平塊、壓力環傳 感器，並通過調節螺母連接在主梁上，找平塊、壓力環傳感器置於主梁翼緣下側。其工作原 理是通過擰緊調節螺母時，拉索伸長，通過壓力環傳感器的測試數據計算斜拉索的索力值。 將壓力環傳感器與測試儀器用導線連接，可以實時、快捷的對斜拉索索力進行測量。本發明所述獨塔斜拉橋試驗模型中主梁採用鋁合金材料，截面形式採用箱型(具 體可為單箱三室)，其每一節段分別由頂板、腹板、底板、及加勁肋通過螺栓連接而成，損傷 源的模擬採用改變節段板厚的方法實現，通過不同節段的位置、節段長度的改變可方便的 模擬不同位置和不同大小的損傷，而更換板厚的不同可模擬同一位置損傷程度的不同，可 根據實際中不同的獨塔斜拉橋設置主梁的節段數。所述主塔為H型，採用工字型鋼焊接而 成。所述斜拉索採用高強鋼絲繩。所述基座採用型鋼焊接而成。本發明中所述槓桿加載系統的具體結構可以為，所述門架裝置包括橫梁、門架立 柱以及可以調節門架立柱的高度的調節機構橫梁的兩端與門架立柱固定連接，立柱底端 通過調節機構連接有底座，其中橫梁由兩根工字型鋼組成，立柱採用槽鋼，橫梁兩端與立柱 用鋼板焊接，橫梁沿主梁縱向，置於主梁正上方；槓桿裝置包括支點座、加載座、槓桿、託盤、 卡位螺栓、調節螺套，支點座和加載座通過卡位螺栓並立連接在槓桿的前端，支點座位於加 載座之前，託盤設在槓桿的後端，調節螺套設在加載座下部；所述支點座由固定為一體的耳 板、設在耳板上的底板、設在底板中央的立杆構成，立杆上端活動吊掛在橫梁上，這樣支點 座可沿橫梁方向及模型橋的縱向進行移動，從而實現加載點位置的調節；而所述過梁裝置 包括連接為一體的上下兩組分配梁，槓桿裝置通過加載座下的調節螺套壓迫接觸上分配梁 的中心部位，下分配梁設在獨塔斜拉橋試驗模型的主梁上，槓桿裝置產生的載荷作用於上 分配梁上，然後通過下分配梁均勻施加與模型主梁上。所述門架裝置中橫梁由兩根工字鋼在端部通過鋼板焊接而成，兩根工字鋼之間留有縫隙。所述索力測試系統中所述壓力環傳 感器為在一壓力環上粘帖4個電阻應變片而構成；壓力環傳感器之壓力環材料採用鋁合 金，截面為環形，壁厚及環高根據模型斜拉橋斜拉索索力及電阻應變片的有效量程計算而定。本發明的有益效果為本系統同國內同類型的模型試驗系統相比，具有下述優點1、本系統具有多種功能，不僅可以完成同類型模型試驗的功能，即斜拉橋結構動、 靜力性能的模型試驗，對設計理論、大橋的安全性、可靠性等進行驗證，同時本系統可以方 便的模擬斜拉橋結構的各種損傷狀態，對斜拉橋結構的損傷識別方法進行試驗研究；2、系統組裝簡單，易於操作；3、系統可以實現橋面上方的均勻加載，加載模式更接近於實際橋梁結構的受力狀 態，本發明加載系統具有下述優點(1)加載系統在主梁上方均勻加載，更符合橋梁結構實 際的恆載補償；( 槓桿可沿著模型橋縱向移動，可方便的調節加載點位置；C3)加載系統 豎向高度可調，可保證橋面有足夠空間進行動載試驗；(4)安裝簡單，而且可拆卸。4、系統在未改變拉索剛度的情況下可以實現實時、快捷的測量索力，解決了索力 測量難的難題。本發明索力測試系統的特點是(1)壓力環傳感器構造簡單，重量輕，體積 小，便於安裝，測試方便；(2)測試原理簡單，可選擇半橋或全橋測試方法，可以消除偏心等 影響；C3)便於改造，可以與光纖光柵等先進測試技術結合，提高測試精度。


圖1為本發明的試驗模型結構布置2為主梁節段劃分平面布置示意3為主梁截面構造示意4-1和圖4-2為基座結構示意5為槓桿加載系統結構6為反力架結構示意7為槓桿組織結構8為支點座結構9為加載座及調節螺套結構10為過量裝置示意11為壓力環結構示意中1.主梁，2.主塔，3.斜拉索，4.支座，5.基座，6，支撐立柱，7.主梁節段(1)， 8.主梁節段O)，9.主梁節段(3)，10.主梁節段(4)，11.主梁節段(5)，12.頂板，13.底板， 14.腹板，15.加勁肋，16.連接螺栓，17.弦杆，18.豎杆，19.端弦杆，20.腹杆，21.端腹杆， 22.門架裝置，23.槓桿裝置，24.過梁裝置，25.橫梁，26.門架立柱，27.連接鋼板(一)， 28.調位螺栓，29.連接鋼板(二)，30.底座，31.支點座，32.加載座，33.槓桿，34.託盤， 35.卡位螺栓，36.調節螺套，37.支點座耳板，38.支點座底板，39.支點座立杆，40.加載座 耳板，41.螺杆，42.螺栓，43.螺套，44.上分配梁，45.下分配梁，46.卡位螺釘，47.錨固螺 杆，48.找平塊，49.壓力環傳感器，50.調節螺母
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如附圖1至11所示本發明主要由獨塔斜拉橋試驗模型、槓桿加載系統和索力測試 系統構成。獨塔斜拉橋試驗模型如圖1所示，該模型主要由主梁1、主塔2、斜拉索3、支座4、 基座5和支撐立柱6組成。主梁1與主塔2採用擠壓連接，塔梁交接處主梁1下方設3根 支撐立柱6於基座5上，主梁1兩邊通過支座4與基座5連接。主塔2與斜拉索3的連接 採用夾具連接，斜拉索3與主梁1採用錨固螺杆47連接。主塔2與基座5通過螺栓連接。 主梁 1 採用了 5 種規格長度(0. 18m, 0. 24m, 0. 36m, 0. 48m, 0. 14m)的節段 7、8、9、10、11 拼裝 而成，如圖2所示。不同規格長度的節段可以方便的模擬不同位置、不同大小的損傷，而且 節段的位置可任意互換。圖3為主梁截面構造，材料採用鋁合金，頂板12與底板13通過連 接螺栓16連接，頂板12與腹板14、底板13與腹板14通過加勁肋15用連接螺栓16連接， 頂板12選用不同規格(厚度為3mm，2mm，Imm等)，通過更換板厚來實現損傷程度的模擬。 圖4所示為基座結構圖，基座5採用桁架形式，由弦杆17、豎杆18、腹杆20及端弦杆19、端 腹杆21焊接而成，構件17-21均採用型鋼。圖5為槓桿加載系統。槓桿加載系統主要由門架裝置22、槓桿裝置23和過量裝置 M組成。門架裝置22的結構如圖6，由橫梁25 O根I20a)、門架立柱沈^根[12]以及調 節裝置組成，橫梁25、門架立柱沈通過連接鋼板四焊接成為一個整體，底座30與連接鋼板 27焊接，通過調位螺栓觀與門架立柱沈連接，通過調整螺栓觀的位置可以調節門架立柱 26的高度。槓桿裝置23主要由支點座31、加載座32、槓桿33、託盤34、卡位螺栓35和調節 螺套36組成，如圖7。支點座31、加載座32以及調節螺套36的結構如圖8、9所示。其中， 支點座31的耳板37與底板38均採用用鋼板，支點座立杆39則採用圓鋼，耳板37與底板 38，支點座立杆39與底板38均採用焊接。支點座立杆39上端穿過橫梁25 (兩根I20a之 間)，用圓鋼杆搭接與橫梁25上，當拔出圓鋼杆後，支點座31可沿橫梁25方向(模型橋縱 向)進行移動，從而實現加載點位置的調節。圖10為過梁裝置。該裝置主要由上、下分配梁44、45組成，槓桿裝置產生的載荷 實現作用於分上配梁44上，然後通過分下配梁45均勻施加與模型主梁上。圖11為索力測試系統。該系統主要由錨固螺杆47，找平塊48，壓力環傳感器49 和調節螺母50構成。錨固螺杆47通過卡位螺釘46與斜拉索3連接，擰緊卡位螺釘46後， 拉索與錨固螺杆47連為整體。錨固螺杆47在找平塊48以上部分採用光面，以減小與主梁 1接觸處的摩擦，找平塊48根據斜拉索3的傾角分組製作，共18組，壓力環傳感器49通過 在壓力環上粘帖4個電阻應變片形成，測試時可以選擇全橋或半橋方法。其工作原理是通 過擰緊調節螺母50時，斜拉索3伸長，壓力環處於受壓狀態，通過壓力環傳感器49的測試 數據計算斜拉索3的索力值。
權利要求
1.一種基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於其由獨塔斜拉橋試驗 模型、槓桿加載系統及索力測試系統共同構成；所述獨塔斜拉橋試驗模型包括裝配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支撐立 柱構成。主梁與主塔採用擠壓連接，塔梁交接處主梁下方設有支撐立柱支撐於基座上，主梁 的兩端通過支座與基座連接，主塔與斜拉索的連接採用夾具連接，拉索與主梁連接，主塔與 基座連接；所述主梁由不同長度規格的節段拼裝而成，各節段的規格長度和厚度依實際要 求設置；所述槓桿加載系統由橫架在獨塔斜拉橋模型主梁上方的門架裝置、槓桿裝置和放在獨 塔斜拉橋模型主梁上的過梁裝置三部分構成槓桿裝置的中槓桿的前端也即支點部位活動 掛接在門架裝置上；槓桿裝置中槓桿的後端設置有加載配重的機構；槓桿裝置中槓桿的前 部在支點部位後設置有與過梁裝置的中心點部為壓迫接觸的並能調整槓桿水平的調整機 構；所述索力測試系統包括錨固螺杆、找平塊、壓力環傳感器、調節螺母，安裝在索梁錨固 區。錨固螺杆與斜拉索連接，錨固螺杆的下部依次穿過主梁、找平塊、壓力環傳感器通過調 節螺母連接在主梁上。
2.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所述槓桿加載系統中門架裝置包括橫梁、門架立柱以及可以調節門架立柱的高度的調節機構橫梁的兩端與門架立柱固定連接，立柱底端通過調節機構連接有底座；所述槓桿加載系統中槓桿裝置包括支點座、加載座、槓桿、託盤、卡位螺栓、調節螺栓， 支點座和加載座通過卡位螺栓並立連接在槓桿的前端，支點座位於加載座之前，託盤設在 槓桿的後端，調節螺栓設在加載座下部；所述支點座由固定為一體的耳板、設在耳板上的底 板、設在底板中央的立杆構成，立杆上端活動吊掛在橫梁上；所述槓桿加載系統中過梁裝置包括連接為一體的上下兩組分配梁，槓桿裝置通過加載 座下的調節螺栓壓迫接觸上分配梁的中心部位，下分配梁設在獨塔斜拉橋試驗模型的主梁 上。
3.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所 述索力測試系統中所述壓力環傳感器為在一壓力環上粘帖4個電阻應變片而構成；壓力環 傳感器之壓力環材料採用鋁合金，截面為環形，壁厚及環高根據模型斜拉橋斜拉索索力及 電阻應變片的有效量程計算而定。
4.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所 述獨塔斜拉橋試驗模型中主梁採用鋁合金材料，截面形式採用箱型，其每一節段分別由頂 板、腹板(底板)及加勁肋通過螺栓連接而成。
5.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所 述獨塔斜拉橋試驗模型中主塔為H型，採用工字型鋼焊接而成。
6.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所 述獨塔斜拉橋試驗模型中斜拉索採用高強鋼絲繩。
7.根據權利要求1所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所 述獨塔斜拉橋試驗模型中基座採用型鋼焊接而成。
8.根據權利要求2所述的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統，其特徵在於所述門架裝置中橫梁由兩根工字鋼在端部通過鋼板焊接而成，兩根工字鋼之間留有可供支點 座之立杆通過的縫隙。
全文摘要
本發明涉及一種適用於橋梁試驗科學領域的基於損傷識別的獨塔斜拉橋模型試驗系統。本發明其由獨塔斜拉橋試驗模型、槓桿加載系統及索力測試系統共同構成；所述獨塔斜拉橋試驗模型包括裝配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支撐立柱構成；所述槓桿加載系統由橫架在獨塔斜拉橋模型主梁上方的門架裝置、槓桿裝置和放在獨塔斜拉橋模型主梁上的過梁裝置三部分構成；所述索力測試系統包括錨固螺杆、找平塊、壓力環傳感器、調節螺母，安裝在索梁錨固區。本發明不僅可以對斜拉橋結構動、靜力性能的模型試驗，同時還可以對斜拉橋結構的損傷識別方法進行試驗研究；且在未改變拉索剛度的情況下可以實現實時、快捷的測量索力，解決了斜拉橋模型試驗中索力測量難的難題。
文檔編號G01D21/00GK102052935SQ20101053597
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者李延強, 杜彥良, 符瑞安 申請人:石家莊鐵道大學