一种可用于损伤模拟的斜拉桥健康监测基准模型

摘要

本发明提供了一种可用于损伤模拟的斜拉桥健康监测基准模型，主要由纵梁、横梁、连接螺栓、纵梁腹板连接板、纵梁翼缘连接板、纵横梁腹板连接板、纵横梁翼缘连接板、索塔、边墩立柱、边墩横梁、高度可调节滑动支座、限位螺栓、钢轴、斜拉索、竖直拉索、索力调节螺栓组成。纵向加劲梁与索塔横梁与边墩横梁之间设置高度可调节的滑动支座；支座的上下两片垫板之间设置钢轴以及可以旋进旋出的限位螺栓；支座下垫板中设置高度调节螺旋；斜拉索与主梁连接位置处设置索力调节螺栓。本发明的模型可以模拟纵梁与横梁之间发生连接损伤，可以模拟斜拉索发生损伤的情况，可以模拟更换拉索施工的短暂状况，可以实现斜拉桥模型结构体系转换的情况。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程的结构健康监测技术领域，涉及一种能够模拟结构损伤的斜拉桥健康监测基准模型。

背景技术

近年来，我国大跨度桥梁的工程建设数量和规模的不断扩大。桥梁结构的设计使用寿命一般达到几十年甚至上百年，在漫长的使用过程中将会受到各种环境作用、汽车荷载等影响，从而可能出现影响结构性能的损伤。为了对大跨度桥梁结构在设计使用寿命内可能出现影响结构安全和正常使用的损伤进行预警和及时处置，结构健康监测技术受到了工程界前所未有的关注。结构健康监测系统主要包括以下几个部分：在线监测、实时分析、损伤诊断、状态评估和维护决策。在线监测和实时分析要求能够真实地获取结构作用输入和响应输出；损伤诊断要求能够利用传感器获得的结构输入输出数据，对结构的是否发生损伤、损伤位置和损伤程度进行识别；状态评估和维护决策要求在损伤诊断的基础上对桥梁结构的当前和预期性能做出判断，为确保结构正常使用给出处置措施。整个健康监测系统有效运行取决于上述各个环节中所采用的理论、技术和方法的合理性。同时，随着健康监测理论的不断发展，新的理论、技术和方法也不断被引入到健康监测系统中。理论方法的合理性在应用于实际工程之前需要得到检验，不同方法的优劣也需要有一个统一的评判标准进行评价。

理论分析模型是对结构健康监测理论方法进行验证的有效手段之一。然而，对于诸如斜拉桥、悬索桥等大跨度索承梁结构体系，由于结构较为复杂，单纯采用理论分析的方法不能够准确的判断健康监测理论和方法的有效性，有时甚至是无效的。在这种情况下，建立复杂结构的物理试验模型对上述理论方法进 行试验研究显得尤为必要。目前国内外关于结构健康监测试验基准模型，特别是大跨度桥梁结构试验基准模型的研究还不够成熟。已有的健康监测试验基准模型主要包括针对建筑结构的框架结构试验模型以及针对中小跨径桥梁的梁式桥试验模型。相比于其它桥梁结构形式，大跨径索承桥结构对健康监测系统的需求更为必要，研究与之相适应的健康监测理论和技术也更为紧迫。

因此，开发一种能够模拟结构损伤的斜拉桥健康监测试验基准模型，不仅能够验证健康监测新理论、新方法在大跨度索承桥结构上应用的有效性，而且还能够为评价不同理论方法的优劣提供一个统一的平台和评判标准，促进大跨度索承式桥梁健康监测技术的发展。斜拉桥健康监测基准模型的特点包括：1)能够反映真实斜拉桥结构的动、静力性能；2)能够方便地模拟斜拉桥常见的各种结构损伤；3)必要的情况下可以通过改变结构边界条件实现不同结构体系斜拉桥的转换。

发明内容

本发明提供一种可模拟结构损伤的斜拉桥健康监测试验基准模型，其目的是通过模拟大跨度斜拉桥可能出现的各种损伤对斜拉桥健康监测理论和技术的有效性进行验证，同时解决大跨度斜拉桥健康监测中不同理论方法在评价标准不统一的问题。

本发明的技术方案：

一种可用于损伤模拟的斜拉桥健康监测基准模型，包括纵梁、横梁、连接螺栓、纵梁腹板连接板、纵梁翼缘连接板、纵横梁腹板连接板、纵横梁翼缘连接板、索塔、索塔立柱、索塔横梁、边墩立柱、边墩横梁、高度可调节的滑动支座、支座上垫板、支座下垫板、支座高度调节螺旋、限位螺栓、钢轴、斜拉索、竖直拉索、索力调节螺栓、锚固板和凹槽；

两侧纵梁通过横梁连接，形成纵向加劲的主梁；纵梁与横梁之间通过纵横腹板连接板以及纵横梁翼缘连接板采用连接螺栓连接；主梁节段之间采用纵梁节段腹板连接板和纵梁节段翼缘连接板通过连接螺栓连接；索塔由两个索塔立柱构成并通过两根索塔横梁连成整体，索塔横梁与索塔立柱之间采用连接螺栓连接；边墩由两边墩立柱和边墩横梁通过连接螺栓连接；纵梁与横梁形成纵向加劲的主梁通过高度可调节的滑动支座置于索塔横梁与边墩横梁上；高度可调节的滑动支座由支座上垫板、支座下垫板、钢轴、限位螺栓和支座高度调节螺旋组成，支座上垫板与纵梁连接，支座下垫板上设置支座高度调节螺旋，支座下垫板与索塔横梁或边墩横梁连接；支座上垫板和支座下垫板之间设置钢轴和旋进旋出的限位螺栓，支座下垫板上预留有与限位螺栓位置相对应的凹槽；斜拉索的两端通过锚固板分别与主梁和索塔连接，且斜拉索在主梁上的纵梁锚固板位置处设置索力调节螺栓，竖直拉索设置在索塔竖直平面内。

本发明中的斜拉桥健康监测基准模型可以模拟斜拉桥常见结构损伤以及实现结构体系转换的功能，具体实现方法如下：通过调节索力调节螺栓，可以模拟实际斜拉桥中拉索因锈蚀等原因导致的索力减小、刚度降低等损伤情况；通过移除斜拉索锚固端的索力调节螺栓，可以移除任意一根或者多根斜拉索，这可以模拟斜拉索因锈蚀、疲劳等原因彻底失去承载能力的情况，同时也可以模拟斜拉桥进行更换拉索施工时的短暂状况；通过移除纵横梁腹板连接板，可以模拟纵横梁发生连接损伤导致横梁不传递剪力的情况；通过移除纵横梁翼缘连接板，可以模拟纵横梁发生连接损伤导致横梁不传递弯矩的情况；通过旋出索塔处高度可调节滑动支座的限位螺栓，可以将高度可调节滑动支座转换为非滑动支座或固定支座来模拟实际桥梁中支座损伤导致边界条件发生改变的情况；通过调节竖直拉索端部的索力调节螺栓张紧竖直拉索，通过旋转支座高度调螺 旋使支座之与纵梁脱开，从而将斜拉桥由半漂浮体系转换为全漂浮体系，实现斜拉桥结构体系转换的功能。

本发明的优势体现在可以模拟斜拉索发生损伤、一根或多根斜拉索完全失效以及斜拉桥换索的临时状况；可以模拟横梁无法传递弯矩或者剪力的纵横梁发生连接损伤的状况；可以模拟斜拉桥支座损伤导致边界条件改变的情况；可以实现斜拉桥模型在半漂浮和全漂浮结构体系之间的转换。该发明可以为工程技术人员研究大跨度斜拉桥健康监测理论方法，评价不同方法的优劣提供一个有力的工具。

附图说明

图1是斜拉桥健康监测试验基准模型半桥的立面图。

图2是斜拉桥健康监测试验基准模型半桥的平面图。

图3是图1中斜拉桥健康监测试验基准模型的A-A剖面图。

图4是图1中斜拉桥健康监测试验基准模型的B-B剖面图。

图5是斜拉桥健康监测试验基准模型中纵梁节段连接节点详图。

图6是斜拉桥健康监测试验基准模型中纵横梁连接节点详图。

图7是斜拉桥健康监测试验基准模型中索塔横梁连接节点详图。

图8是斜拉桥健康监测试验基准模型中主梁拉索锚固节点详图。

图9是拉桥健康监测试验基准模型中索塔和边墩滑动支座详图。

图中：1纵梁；2横梁；3连接螺栓；4纵梁腹板连接板；5纵梁翼缘连接板；6纵横梁腹板连接板；7纵横梁翼缘连接板；8索塔；9索塔立柱；10索塔横梁；11边墩立柱；12边墩横梁；13高度可调节的滑动支座；14支座上垫板；15支座下垫板；16支座高度调节螺旋；17限位螺栓；18钢轴；19斜拉索；20竖直拉索；21索力调节螺栓；22锚固板；23凹槽。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

步骤1：根据需要模拟的实际桥梁结构的总体布置情况，采用量纲分析方法等相似理论确定合适的模型与原型相似比，从而确定斜拉桥健康监测试验基准模型各构件的尺寸参数；

步骤2：两侧纵梁1由横梁2进行连接，纵梁1和横梁2之间采用纵横梁腹板连接板6以及纵横梁翼缘连接板7通过连接螺栓3进行连接，构成纵横梁连接节点；

步骤3：主梁节段之间的连接采用纵梁节段腹板连接板4和纵梁节段翼缘连接板5通过连接螺栓3进行连接，构成纵梁节段连接节点；

步骤4：索塔8由索塔立柱9和索塔横梁10构成，索塔横梁10与索塔立柱9之间采用连接螺栓3进行连接；边墩由边墩立柱11和边墩横梁12通过连接螺栓3进行连接；

步骤5：纵梁1与横梁2形成的纵向加劲梁通高度可调节的滑动支座13放置在索塔横梁10与边墩横梁12上。支座上垫板14与纵梁1连接，支座下垫板15通过支座高度调节螺旋16与索塔横梁10或边墩横梁12连接。支座上垫板14和支座下垫板15之间设置钢轴18以及可以旋进旋出的限位螺栓17；

步骤6：斜拉索19分别通过锚固板22与纵梁1和索塔立柱9连接起来，形成主梁拉索锚固节点和索塔拉索锚固节点，且主梁拉索锚固节点处设置索力调节螺栓21；竖直拉索20设置在索塔8竖向平面内；

步骤7：通过拆除纵横梁翼缘连接板7，可以模拟纵梁1与横梁2发生连接损伤不传递弯矩的情况。通过拆除纵横梁腹板连接板6，可以模拟纵梁1与横梁2发生连接损伤不传递剪力的情况；

步骤8：通过调节斜拉索19端部的索力调节螺栓21，可以模拟实际斜拉桥中斜拉索19因锈蚀等原因导致的索力减小、刚度降低等损伤情况；通过移除索力调节螺栓21，可以移除任意一根或者多根斜拉索19，这可以模拟斜拉索19因锈蚀、疲劳等原因彻底失去承载能力的情况，同时也可以模拟斜拉桥进行更换斜拉索19施工时的短暂状况；

步骤9：通过旋出限位螺栓17并卡入支座下垫板15对应位置的凹槽内23，可以将高度可调节滑动支座13转换为非滑动支座或固定支座来模拟实际桥梁中支座损伤导致边界条件发生改变的情况；通过调节竖直拉索20端部的索力调节螺栓21张紧竖直拉索20，通过旋转支座高度调螺旋16使高度可调节的滑动支座13与纵梁1脱开，从而将斜拉桥由半漂浮体系转换为全漂浮体系，实现转换斜拉桥模型结构体系的功能。