专利名称：基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于桥梁试验科学领域的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试 验系统。
背景技术：
模型试验研究是桥梁工程师和桥梁科技工作者借以确定和探索复杂桥梁结构受 力状态的重要手段之一。早在1755年德国工程师格莱伯曼为了在莱茵河上修造木桥，就首 先采用试验的方法验证了设计的可靠性。我国从50、60年代起，随着桥梁建设的蓬勃发展， 逐渐开始了桥梁结构的模型试验研究，对于复杂的桥梁结构则是由大桥局桥科院率先开始 进行试验研究，早在70年代初期，就对我国首座最大跨度的简支钢桁梁桥进行了模型试验 研究。针对斜拉桥结构的全桥模型试验，国内湖南长沙交通学院、中铁大桥局等单位对国 内一些重要的斜拉桥结构进行了全桥模型试验研究，取得了一些研究成果。要进行斜拉桥 结构模型试验，必须建立模型试验系统。目前就斜拉桥结构全桥模型试验系统研究现状如 下(1) 1999年第3期《长沙交通学院学报》介绍了一种大型三塔斜拉桥铝合金模型试 验系统。该系统主要包括按照1 30缩尺的三塔斜拉桥试验模型，加载系统。试验模型主 梁采用了节段铸造，在试验台上进行拼装的方式，索力测试则采用测力装置串联在索中的 方式，配重和活载均采用了集中力的形式施加，并成功的进行了静、动力模型试验。该系统 将测力装置串联与索中，对拉索的刚度造成了影响，同时，配重采用集中力的方式施加与实 际不相符。(2) 2002年第2期《桥梁工程》介绍了荆州长江公路桥整体模型试验。该模型主梁 采用了铝板，用粘栓的方式与主肋连接，加载系统采用了杠杆自平衡原理，索力的监测则采 用在拉索上粘帖电阻应变片的方式进行。该系统的缺点主要在于索力测量方面，在拉索上 粘帖电阻应变片，质量不易保证，且长期有效性较差。(3)2008年第1期《世界桥梁》介绍了吉林兰旗松花江特大桥的静力模型试验系 统。该试验模型主要有主梁、桥塔、边墩、斜拉索、水平和垂直加载系统以及测试系统组成。 主梁的连接采用了粘铆结合方式，索力测试同样采用了将测力装置串联与斜拉索中，恒载 补偿采用在每根斜拉索下锚点对应的箱梁横隔板吊点处施加集中荷载的方式。上述斜拉桥模型试验系统均为验证桥梁施工过程的安全性及成桥后大桥安全性 和可靠性，检验设计理论参数及理论计算的正确性，基于损伤识别目的的斜拉桥模型试验 未有涉及；同时现有模型桥均采用双塔或多塔形式，主梁大多采用铸造的方式加工，加载系 统大多选择在主梁下方，试验主要针对斜拉桥结构静、动力特性的测试。
发明内容
本发明的目的就是为克服上述技术的不足，设计发明了一种基于损伤识别的独塔 斜拉桥模型试验系统，其不仅可以对斜拉桥结构动、静力性能的模型试验，对设计理论、大桥的安全性、可靠性等进行验证；同时还可以方便的模拟斜拉桥结构的各种损伤状态，对斜 拉桥结构的损伤识别方法进行试验研究；且在未改变拉索刚度的情况下可以实现实时、快 捷的测量索力，解决了斜拉桥模型试验中索力测量难的难题。为实现上述发明目的采用了以下技术方案本发明为基于损伤识别的独塔斜拉桥试验模型系统其由独塔斜拉桥试验模型、杠 杆加载系统及索力测试系统共同构成；所述独塔斜拉桥试验模型包括装配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支 撑立柱构成。主梁与主塔采用挤压连接，塔梁交接处主梁下方设有支撑立柱支撑于基座上， 主梁的两端通过支座与基座连接，主塔与斜拉索的连接采用夹具连接，拉索与主梁连接，主 塔与基座连接；所述主梁由不同长度规格的节段拼装而成，各节段的规格长度和厚度依实 际要求设置。所述杠杆加载系统由横架在独塔斜拉桥模型主梁上方的门架装置、杠杆装置和放 在独塔斜拉桥模型主梁上的过梁装置三部分构成杠杆装置中的杠杆的前端也即支点部位 活动挂接在门架装置上；杠杆装置中杠杆的后端设置有加载配重的机构；杠杆装置中杠杆 的前部在支点部位后设置有与过梁装置的中心点部为压迫接触的并能调整杠杆水平的调 整机构。在本发明中门架主要承受由配重所产生的支反力，通过杠杆装置，在托盘上加载重 物，以1 10的比例加载到过梁装置上；通过过梁装置可以实现桥面上方的均布加载。所述索力测试系统包括锚固螺杆、找平块、压力环传感器、调节螺母，安装在索梁 锚固区。锚固螺杆与模型的斜拉索连接，锚固螺杆的下部依次穿过主梁、找平块、压力环传 感器，并通过调节螺母连接在主梁上，找平块、压力环传感器置于主梁翼缘下侧。其工作原 理是通过拧紧调节螺母时，拉索伸长，通过压力环传感器的测试数据计算斜拉索的索力值。 将压力环传感器与测试仪器用导线连接，可以实时、快捷的对斜拉索索力进行测量。本发明所述独塔斜拉桥试验模型中主梁采用铝合金材料，截面形式采用箱型(具 体可为单箱三室)，其每一节段分别由顶板、腹板、底板、及加劲肋通过螺栓连接而成，损伤 源的模拟采用改变节段板厚的方法实现，通过不同节段的位置、节段长度的改变可方便的 模拟不同位置和不同大小的损伤，而更换板厚的不同可模拟同一位置损伤程度的不同，可 根据实际中不同的独塔斜拉桥设置主梁的节段数。所述主塔为H型，采用工字型钢焊接而 成。所述斜拉索采用高强钢丝绳。所述基座采用型钢焊接而成。本发明中所述杠杆加载系统的具体结构可以为，所述门架装置包括横梁、门架立 柱以及可以调节门架立柱的高度的调节机构横梁的两端与门架立柱固定连接，立柱底端 通过调节机构连接有底座，其中横梁由两根工字型钢组成，立柱采用槽钢，横梁两端与立柱 用钢板焊接，横梁沿主梁纵向，置于主梁正上方；杠杆装置包括支点座、加载座、杠杆、托盘、 卡位螺栓、调节螺套，支点座和加载座通过卡位螺栓并立连接在杠杆的前端，支点座位于加 载座之前，托盘设在杠杆的后端，调节螺套设在加载座下部；所述支点座由固定为一体的耳 板、设在耳板上的底板、设在底板中央的立杆构成，立杆上端活动吊挂在横梁上，这样支点 座可沿横梁方向及模型桥的纵向进行移动，从而实现加载点位置的调节；而所述过梁装置 包括连接为一体的上下两组分配梁，杠杆装置通过加载座下的调节螺套压迫接触上分配梁 的中心部位，下分配梁设在独塔斜拉桥试验模型的主梁上，杠杆装置产生的载荷作用于上 分配梁上，然后通过下分配梁均勻施加与模型主梁上。所述门架装置中横梁由两根工字钢在端部通过钢板焊接而成，两根工字钢之间留有缝隙。所述索力测试系统中所述压力环传 感器为在一压力环上粘帖4个电阻应变片而构成；压力环传感器之压力环材料采用铝合 金，截面为环形，壁厚及环高根据模型斜拉桥斜拉索索力及电阻应变片的有效量程计算而定。本发明的有益效果为本系统同国内同类型的模型试验系统相比，具有下述优点1、本系统具有多种功能，不仅可以完成同类型模型试验的功能，即斜拉桥结构动、 静力性能的模型试验，对设计理论、大桥的安全性、可靠性等进行验证，同时本系统可以方 便的模拟斜拉桥结构的各种损伤状态，对斜拉桥结构的损伤识别方法进行试验研究；2、系统组装简单，易于操作；3、系统可以实现桥面上方的均勻加载，加载模式更接近于实际桥梁结构的受力状 态，本发明加载系统具有下述优点(1)加载系统在主梁上方均勻加载，更符合桥梁结构实 际的恒载补偿；( 杠杆可沿着模型桥纵向移动，可方便的调节加载点位置；C3)加载系统 竖向高度可调，可保证桥面有足够空间进行动载试验；(4)安装简单，而且可拆卸。4、系统在未改变拉索刚度的情况下可以实现实时、快捷的测量索力，解决了索力 测量难的难题。本发明索力测试系统的特点是(1)压力环传感器构造简单，重量轻，体积 �。阌诎沧埃馐苑奖悖�(2)测试原理简单，可选择半桥或全桥测试方法，可以消除偏心等 影响；C3)便于改造，可以与光纤光栅等先进测试技术结合，提高测试精度。
图1为本发明的试验模型结构布置2为主梁节段划分平面布置示意3为主梁截面构造示意4-1和图4-2为基座结构示意5为杠杆加载系统结构6为反力架结构示意7为杠杆组织结构8为支点座结构9为加载座及调节螺套结构10为过量装置示意11为压力环结构示意中1.主梁，2.主塔，3.斜拉索，4.支座，5.基座，6，支撑立柱，7.主梁节段(1)， 8.主梁节段O)，9.主梁节段(3)，10.主梁节段(4)，11.主梁节段(5)，12.顶板，13.底板， 14.腹板，15.加劲肋，16.连接螺栓，17.弦杆，18.竖杆，19.端弦杆，20.腹杆，21.端腹杆， 22.门架装置，23.杠杆装置，24.过梁装置，25.横梁，26.门架立柱，27.连接钢板(一)， 28.调位螺栓，29.连接钢板(二)，30.底座，31.支点座，32.加载座，33.杠杆，34.托盘， 35.卡位螺栓，36.调节螺套，37.支点座耳板，38.支点座底板，39.支点座立杆，40.加载座 耳板，41.螺杆，42.螺栓，43.螺套，44.上分配梁，45.下分配梁，46.卡位螺钉，47.锚固螺 杆，48.找平块，49.压力环传感器，50.调节螺母
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如附图1至11所示本发明主要由独塔斜拉桥试验模型、杠杆加载系统和索力测试 系统构成。独塔斜拉桥试验模型如图1所示，该模型主要由主梁1、主塔2、斜拉索3、支座4、 基座5和支撑立柱6组成。主梁1与主塔2采用挤压连接，塔梁交接处主梁1下方设3根 支撑立柱6于基座5上，主梁1两边通过支座4与基座5连接。主塔2与斜拉索3的连接 采用夹具连接，斜拉索3与主梁1采用锚固螺杆47连接。主塔2与基座5通过螺栓连接。 主梁 1 采用了 5 种规格长度(0. 18m, 0. 24m, 0. 36m, 0. 48m, 0. 14m)的节段 7、8、9、10、11 拼装 而成，如图2所示。不同规格长度的节段可以方便的模拟不同位置、不同大小的损伤，而且 节段的位置可任意互换。图3为主梁截面构造，材料采用铝合金，顶板12与底板13通过连 接螺栓16连接，顶板12与腹板14、底板13与腹板14通过加劲肋15用连接螺栓16连接， 顶板12选用不同规格(厚度为3mm，2mm，Imm等)，通过更换板厚来实现损伤程度的模拟。 图4所示为基座结构图，基座5采用桁架形式，由弦杆17、竖杆18、腹杆20及端弦杆19、端 腹杆21焊接而成，构件17-21均采用型钢。图5为杠杆加载系统。杠杆加载系统主要由门架装置22、杠杆装置23和过量装置 M组成。门架装置22的结构如图6，由横梁25 O根I20a)、门架立柱沈^根[12]以及调 节装置组成，横梁25、门架立柱沈通过连接钢板四焊接成为一个整体，底座30与连接钢板 27焊接，通过调位螺栓观与门架立柱沈连接，通过调整螺栓观的位置可以调节门架立柱 26的高度。杠杆装置23主要由支点座31、加载座32、杠杆33、托盘34、卡位螺栓35和调节 螺套36组成，如图7。支点座31、加载座32以及调节螺套36的结构如图8、9所示。其中， 支点座31的耳板37与底板38均采用用钢板，支点座立杆39则采用圆钢，耳板37与底板 38，支点座立杆39与底板38均采用焊接。支点座立杆39上端穿过横梁25 (两根I20a之 间)，用圆钢杆搭接与横梁25上，当拔出圆钢杆后，支点座31可沿横梁25方向(模型桥纵 向)进行移动，从而实现加载点位置的调节。图10为过梁装置。该装置主要由上、下分配梁44、45组成，杠杆装置产生的载荷 实现作用于分上配梁44上，然后通过分下配梁45均勻施加与模型主梁上。图11为索力测试系统。该系统主要由锚固螺杆47，找平块48，压力环传感器49 和调节螺母50构成。锚固螺杆47通过卡位螺钉46与斜拉索3连接，拧紧卡位螺钉46后， 拉索与锚固螺杆47连为整体。锚固螺杆47在找平块48以上部分采用光面，以减小与主梁 1接触处的摩擦，找平块48根据斜拉索3的倾角分组制作，共18组，压力环传感器49通过 在压力环上粘帖4个电阻应变片形成，测试时可以选择全桥或半桥方法。其工作原理是通 过拧紧调节螺母50时，斜拉索3伸长，压力环处于受压状态，通过压力环传感器49的测试 数据计算斜拉索3的索力值。
权利要求
1.一种基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于其由独塔斜拉桥试验 模型、杠杆加载系统及索力测试系统共同构成；所述独塔斜拉桥试验模型包括装配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支撑立 柱构成。主梁与主塔采用挤压连接，塔梁交接处主梁下方设有支撑立柱支撑于基座上，主梁 的两端通过支座与基座连接，主塔与斜拉索的连接采用夹具连接，拉索与主梁连接，主塔与 基座连接；所述主梁由不同长度规格的节段拼装而成，各节段的规格长度和厚度依实际要 求设置；所述杠杆加载系统由横架在独塔斜拉桥模型主梁上方的门架装置、杠杆装置和放在独 塔斜拉桥模型主梁上的过梁装置三部分构成杠杆装置的中杠杆的前端也即支点部位活动 挂接在门架装置上；杠杆装置中杠杆的后端设置有加载配重的机构；杠杆装置中杠杆的前 部在支点部位后设置有与过梁装置的中心点部为压迫接触的并能调整杠杆水平的调整机 构；所述索力测试系统包括锚固螺杆、找平块、压力环传感器、调节螺母，安装在索梁锚固 区。锚固螺杆与斜拉索连接，锚固螺杆的下部依次穿过主梁、找平块、压力环传感器通过调 节螺母连接在主梁上。
2.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所述杠杆加载系统中门架装置包括横梁、门架立柱以及可以调节门架立柱的高度的调节机构横梁的两端与门架立柱固定连接，立柱底端通过调节机构连接有底座；所述杠杆加载系统中杠杆装置包括支点座、加载座、杠杆、托盘、卡位螺栓、调节螺栓， 支点座和加载座通过卡位螺栓并立连接在杠杆的前端，支点座位于加载座之前，托盘设在 杠杆的后端，调节螺栓设在加载座下部；所述支点座由固定为一体的耳板、设在耳板上的底 板、设在底板中央的立杆构成，立杆上端活动吊挂在横梁上；所述杠杆加载系统中过梁装置包括连接为一体的上下两组分配梁，杠杆装置通过加载 座下的调节螺栓压迫接触上分配梁的中心部位，下分配梁设在独塔斜拉桥试验模型的主梁 上。
3.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所 述索力测试系统中所述压力环传感器为在一压力环上粘帖4个电阻应变片而构成；压力环 传感器之压力环材料采用铝合金，截面为环形，壁厚及环高根据模型斜拉桥斜拉索索力及 电阻应变片的有效量程计算而定。
4.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所 述独塔斜拉桥试验模型中主梁采用铝合金材料，截面形式采用箱型，其每一节段分别由顶 板、腹板(底板)及加劲肋通过螺栓连接而成。
5.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所 述独塔斜拉桥试验模型中主塔为H型，采用工字型钢焊接而成。
6.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所 述独塔斜拉桥试验模型中斜拉索采用高强钢丝绳。
7.根据权利要求1所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所 述独塔斜拉桥试验模型中基座采用型钢焊接而成。
8.根据权利要求2所述的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统，其特征在于所述门架装置中横梁由两根工字钢在端部通过钢板焊接而成，两根工字钢之间留有可供支点 座之立杆通过的缝隙。
全文摘要
本发明涉及一种适用于桥梁试验科学领域的基于损伤识别的独塔斜拉桥模型试验系统。本发明其由独塔斜拉桥试验模型、杠杆加载系统及索力测试系统共同构成；所述独塔斜拉桥试验模型包括装配在一起的主梁、主塔、斜拉索、支座、基座和支撑立柱构成；所述杠杆加载系统由横架在独塔斜拉桥模型主梁上方的门架装置、杠杆装置和放在独塔斜拉桥模型主梁上的过梁装置三部分构成；所述索力测试系统包括锚固螺杆、找平块、压力环传感器、调节螺母，安装在索梁锚固区。本发明不仅可以对斜拉桥结构动、静力性能的模型试验，同时还可以对斜拉桥结构的损伤识别方法进行试验研究；且在未改变拉索刚度的情况下可以实现实时、快捷的测量索力，解决了斜拉桥模型试验中索力测量难的难题。
文档编号G01D21/00GK102052935SQ20101053597
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者李延强, 杜彦良, 符瑞安 申请人:石家庄铁道大学
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