基于索筋剪叉式结构的展开式桥梁静力性能试验研究.pdf

江西建材工程技术与应用2982023年7 月基于索筋剪叉式结构的展开式桥梁静力性能试验研究马智鹏甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741025摘 要：文中提出一种基于钢索加固剪式结构的三维可展开桥梁；其能快速收缩外，还使用了钢索加固剪式结构，以提高刚度和承载能力。对钢索加固剪式结构与传统剪式结构（无钢索剪式结构）进行静载对比试验，结果表明，钢索剪叉式结构刚度小，结构受力较大，受力不均；采用钢索加强的剪力墙，其剪力墙的刚度有了明显提升，构件截面的应力分布更加均匀；在不影响可展开性的情况下，采用钢索可以提高剪式结构的刚度和承载能力。关键词：剪叉式；桥梁；静力性能；试验研究中图分类号：U441 文献标识码：B 文章编号：1006-2890（2023）07-0298-03Experimental Study on Static Performance of an Expanded bridge Based on Cable Shear Fork StructureMa ZhipengGansu Industry Polytechnic College,Tianshui,Gansu 741025Abstract:In this study,a three-dimensional deployable bridge based on steel cable reinforced shear structure is proposed.In addition to rapid shrinkage,the shear structure is reinforced with steel cables to increase stiffness and load capacity.The static load comparison test between the cable reinforced shear structure and the traditional shear structure(without cable shear structure)is carried out.The results show that the cable-free shear fork structure has low stiffness,large structural force and uneven force.The stiffness of the shear wall strengthened by steel cable is obviously improved.And the stress distribution of the section is more uniform.The practice proves that the rigidity and load-bearing capacity of the shear structure can be improved by using steel cables without affecting the expansibility.Key words:Scissor-fork;Bridges;Static properties;Experimental study1 桥梁结构概况某桥梁采用甲板结构，上部为模块化甲板系统，下部承重结构采用钢索加固结构1。桥面体系包括面板和下部纵向梁。桥梁下部承重结构采用模块化设计的钢索加固剪叉式结构。采用两根钢索，将无钢索剪叉单元的上下节点连接起来，形成一个平面单元。单元内的钢索不影响剪叉结构的伸缩，可精确控制收缩角度。在可展开控制器的帮助下，将剪式结构展开到设计角时，得到了结构的预期展开形状，同时完成了预张力的应用。这四个平面单元可以连接成一个三维单元2-4，即一个模块。模块与平面单元类似，可以自由伸缩，不受钢丝绳的影响。当模块被收紧时，其可以紧密收缩成束状，储存率高5-9。为了防止平面单元之间的相对剪切变形，在模块的上、下表面增加了两条交叉钢索，形成几何不变系统。各模块沿钢索方向重叠，形成桥下部钢索加固剪叉结构的承载结构。2 试验方法模型中，剪叉结构采用建筑工程常用的 Q345B钢，规格为30 mm3 mm钢管，弹性模量为2.06105 MPa。每块钢材的长度为730 mm，在钢材的两端和中间设置直径为10 mm的连接孔，两端孔直径中心之间的距离为707 mm。测试模型由三个三维元素组成，去掉重叠部分的平面元素。收缩后，三个方向的三维单元尺寸均为0.5 m。组合试验模型的长、宽、高分别为1.5 m、0.5 m、0.5 m。各单元剪件夹角约为45。各结构均为相同长度，将剪刀构造与之相连的缆绳，在纵向、横向及纵向均为相同长度。试验过程中，将平面结构和宽向单元的钢索全部释放。结果表明，当被测结构发生位移时，可以避免抑制效应。由于两个平面结构在长度方向上不会发生相对运动，因此，本试验不设置交叉钢索。在1 号杆的 C位置对称布置2 个应变片，测量该点1 号杆表面因弯矩引起的表面应变（以下简称弯曲应变)。在杆1 的顶部位置对称布置两个应变片，测量在这两点处杆1 表面轴向力引起的应变(以下简称轴向应变)。在杆2 的 D位置对称布置两个应变片，测量杆2在该点处的弯曲应变，在杆2的两个端部位置对称布置两个应变片，测量杆2 在该点处的轴向应变。在每一段预先设定的钢筋上放置一张应变计，实现了对绳索的预拉控制。在受力状态下，分别在水平轴上安装了两台位移传感器，并对其进行了实测。图1 应变片位置作者简介：马智鹏（1985-），男，甘肃定西人，本科，讲师，主要研究方向为岩土与道路桥梁工程。江西建材工程技术与应用2992023年7 月3 结果与讨论3.1 索加固剪式结构静力性能分析在钢索加固结构静力试验中，对该结构施加了四种不同的预应力。预紧力值由钢索力测量装置的应变片控制。其中，类别1 应变值和张力分别为300、452 N；类别2 应变值和张力分别为400、603 N；类别3 应变值和张力分别为500、754 N；类别4 应变值和张力分别为600、905 N。应用实测资料，研究了预加载对结构刚度、内力的作用，得到的结论是：当钢索在服役时，其预紧值对刚度基本没有影响。如果钢索停止使用，其刚度将明显降低。随着载荷的改变，预紧力的大小对结构的内力的影响不大，截面内应力的分布也比较均衡。测试结果的详细分析如下。3.1.1 钢索预紧力对刚度的影响图2为结点 L及结点 E的荷载-位移曲线。计算结果表明，该模型具有较高的刚度。从图1 可以看出，每条曲线可以粗略地分为两个显著的区段。曲线的下半部分描述了上钢索和下钢索的工作状态，曲线的上半部分描述了下钢索的工作状态。（1）曲线下部的斜率近似相等。这说明，当上、下钢索均在使用时，结构刚度不受预紧力值的影响。（2）曲线的上部近似于一条直线，斜率非常接近。这说明当上部钢索不使用时，结构刚度仍然不受预紧值的影响，但不使用钢索对刚度影响较大。而曲线的拐点则表明，上方的缆绳已经停止工作。图2 钢索加固结构荷载-位移曲线为清楚说明预紧力对结构内力的影响，以杆1 为例，得到不同预紧力下杆1 的荷载-弯曲应变曲线和荷载-轴向应变曲线，如图3 所示。图中纵轴为外载荷，横轴为弯曲应变或轴向应变。虽然图3（a）中各曲线位置不同，但整体曲线形状与上述荷载-位移曲线基本一致。每条曲线可分为两个不同的段，分别对应上、下钢索的工作状态和单根下钢索的工作状态。曲线下部的斜率大致相同。结果表明，当上、下钢索均在使用时，构件弯矩随荷载的变化规律几乎不受预紧值的影响。曲线上部的斜率也接近，说明当上部钢索不使用时，构件弯矩随荷载的变化规律仍然不受预紧值的影响。但可以发现，在上部钢索退出使用后，弯矩迅速增加。图3（b）为预紧力对轴向力的影响。这些曲线呈直线上升，斜率相同，说明预紧力的大小对轴向力的变化没有影响，与钢索是否在役无关。（a）荷载-弯曲应变曲线（b）载荷-轴向应变曲线图3 钢索加固结构中杆1 的荷载-内力应变曲线3.1.2 钢索预紧对应力分布的影响构件所受内力的大小和类型直接决定了截面的设计。为研究钢索加固结构中构件的应力，本文比较了轴心处(C位置)的弯曲应变和杆1 的轴向应变。图4 为杆1 的弯曲应变与轴向应变随荷载变化的比值曲线。横轴表示弯曲应变与轴向应变的比值，纵轴表示外部载荷。如图4 所示，比值在1 和2 之间，说明弯曲应变大于轴向应变。在该结构的设计中，弯矩的影响不可忽视。弯曲应变与轴向应变之比曲线可分为两段，分别对应上、下钢索的工作状态和下钢索的单一工作状态。在曲线下部，该比值随荷载的增大而减小，说明弯矩的增长速度小于轴力的增长速度。在上部曲线中，当上部钢索不使用，而载荷继续升高时，这种比率又会快速上升，表明了弯矩受力的加快。从分析结江西建材工程技术与应用3002023年7 月果可以看出，上、下缆索的共同作用十分重要。图4 钢索加固结构中构件1 的弯曲应变与轴向应变之比曲线3.2 无钢索剪式结构刚度表1 为无钢索剪式结构的位移-荷载数据。通过观察可以看出，位移-荷载总体上呈线性关系。当荷载较大时，两者之间的关系呈非线性趋势。当荷载达到9 kN时，结构位移已超过8 mm，整体位移极大。试验表明，随着荷载的增加，中间单元向下移动，位移逐渐增大。随着载荷的增大，两边的结构会发生转动，也会使两边的吊杆发生转动。大变形使得结构呈现出一种非线性特征。从上述结果可以看出，无钢索剪式结构的整体刚度偏小。表1 无钢索结构的荷载-位移位移/mm荷载/kN4.24.55.15.25.86.06.86.87.47.67.87.88.29.24 结语（1）无钢索剪式结构刚度较小，导致结构位移大，构件截面弯矩大，应力分布不均匀。（2）采用钢索加强后，构件的刚性有了较大幅度的提升。结果表明，杆件弯矩显著降低，压力更均衡，从而使剪式结构承载力得到了较大改善。（2）静载对比试验表明，钢索的加入显著提高了剪式结构的刚度，大大降低了内力，使构件截面内的应力分布更加均匀，从而提高了剪式结构的承载能力。参考文献 1 陈勇，孙仲侃，叶佳城.剪叉式高空作业平台举升不同步问题分析J.中国设备工程，2020（6）：157-159.2 郭克希，殷彬，潘存云，等.剪叉式机构机动平台的设计与分析J.机械设计与研究，2012，28（6）：49-51.3 李霞，张志显，张三川，等.机场集装箱/板升降平台车桥平台的设计与研究J.郑州大学学报（工学版），2014，35（1）：124-128.4 王广东，常健，王晓鸣，等.大跨度拱式结构应急抢修梁研究J.军事交通学院学报，2014，16（2）：25-29，77.5 关富玲，周益君，况祺，等.一种轻型可展军用桥梁的设计与动力学分析J.西南交通大学学报，2012，47（5）：735-740，747.6 Ario I，Watson A.Dynamic folding analysis for multi-folding structures under impact loadingJ.Journal of Sound and Vibration，2007，308（3/5）.591-598.7 王新堂，杨晓明.基于映射变换法的平面预应力钢桁架整体可靠性分析J.工业建筑，2007，37（1）：93-95.8 Ashley P.Thrall.Portable and Rapidly Deployable Bridges：Historical Perspective and Recent Technology DevelopmentsJ.Journal of bridge engineering.2013，18（10）.1074-1085.9 C.T.Shyu，P.J.Heffernan，R.Tanovic，et al.Development of FRP Short-Span Deployable Bridge-Experimental ResultsJ.Journal of bridge engineering.2006，11（4）：976-989.（3）工程桩施工、基坑开挖和排、降水过程中，施工技术人员利用信息化施工监控方法实时对周边环境及基坑支护结构进行监测，保障基坑建设的安全可靠，提高房屋建筑的建设质量。参考文献 1 杨春平.佛山佛铁经济适用房基坑工程设计及施工J.建筑建材装饰，2014（8）：98-99，42.2 蔡方芳.复杂环境下深大基坑工程设计及施工探讨J.新材料新装饰，2014（10）：425.3 赵东辰.格盟低碳城基坑工程设计及施工方案优化D.太原：太原理工大学，2020.4 秦景，赵云，路威，等.滨海软土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析J.中国水利水电科学研究院学报，2013，11（4）：314-318.5 赵世清.岩土工程深基坑支护的设计及施工问题J.建材与装饰，2023（10）：45-47.6 马骁，秦伟.基于全过程控制的深基坑支护设计及施工研究以江苏省综合建筑基坑工程为例J.中国建筑金属结构，2022（9）：73-75.（上接第297页）