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基于刚度相似原理的斜拉桥缩尺模型的设计研究

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摘要

上世纪末以来,世界各地相继兴建了许多大型桥梁工程,桥梁跨径的世界纪录也不断被刷新。大跨度桥梁尤其是斜拉桥和悬索桥,越来越成为跨江桥乃至跨海桥的首选桥型。随着这些桥梁使用年限的增加,不免会发生各种结构损伤。损伤的原因可能是使用、维护不当;也可能是地震、风暴等自然灾害。这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全。
   若能在桥梁运营期间密切关注其健康状况,并实时监测桥梁的损伤及结构的整体状态,以评估桥梁的健康状况,就能及时了解和把握其所处的状态,并采取相应的安全措施。
   为了能够更好地开展现代测试技术、结构安全监测策略等在斜拉桥上的应用研究,本课题组建立了以巴东长江大桥为原型、几何相似比为1:40的斜拉桥缩尺模型。本文即是以此为背景,探讨研究该结构试验模型的设计、制作,并通过静力、动力等方面验证试验模型是否符合斜拉桥的特性。本文的主要研究工作如下:
   (1)在简要介绍模型试验相似关系理论的基础上,针对斜拉桥以及本模型试验的特点,提出了模型设计制作的思路。并设计了一座与实桥严格相似的理想模型试验桥。
   (2)通过ANSYS、MIDAS两种有限元计算软件对理想模型试验桥的静力、动力特性进行分析,通过与实桥的相关物理量进行对比,验证了当存在两种弹性模量相似比时,采用“刚度相似法”处理相似关系是合理的。
   (3)由于材料以及加载空间等的限制,在实际模型制作过程中缩尺模型不可能满足所有的相似关系。在满足试验目的的条件下对理想模型进行适当的抽象及简化,提出了实际试验模型设计、制作的思路。并通过“零位移法”运用有限元软件对其索力进行了优化设计,优化结果表明斜拉桥主梁的内力符合漂浮体系的受力特点。
   (4)基于索力优化的结果,选用光纤光栅传感器对制作完成后的模型进行索力调试。调试完毕后对斜拉桥的动力特性进行了测试,结果表明:模型的纵向弯曲、横向弯曲和扭转模态振型中都没有出现明显的耦合现象。可认为本模型符合斜拉桥的基本特性,满足实验设计要求。

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