1、本文研究内容本文研究内容 本文通过缩尺模型试验以考察钢本文通过缩尺模型试验以考察钢混凝土接头这种压弯构件的承载力及混凝土接头这种压弯构件的承载力及 其力学性能。并利用其力学性能。并利用ANSYS有限元软件对钢有限元软件对钢-混凝土压弯构件进行荷载混凝土压弯构件进行荷载应变、应变、 变形关系全过程计算和工作机理分析，将数值计算结果与试验结果进行对比变形关系全过程计算和工作机理分析，将数值计算结果与试验结果进行对比 分析。以验证钢分析。以验证钢混凝土接头做到能比较流畅地传递各种荷载产生的内力及混凝土接头做到能比较流畅地传递各种荷载产生的内力及 变形，避免产生应力集中和折角，确保混合结构安全、经久耐
2、用。变形，避免产生应力集中和折角，确保混合结构安全、经久耐用。 本文将在理论分析、试验研究和有限元仿真分析的基础上对钢本文将在理论分析、试验研究和有限元仿真分析的基础上对钢混凝土混凝土 接头变形性能、应力分布和其承载力及破坏模式进行分析。接头变形性能、应力分布和其承载力及破坏模式进行分析。 主要的研究内容有：主要的研究内容有： 1、钢、钢-混凝土结合段结构设计计算方法；混凝土结合段结构设计计算方法； 2、钢、钢-混凝土结合段钢与混凝土的传力机制；混凝土结合段钢与混凝土的传力机制； 3、钢、钢-混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形；混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形； 4、钢、钢-混凝
3、土结合段承载能力及破坏模式；混凝土结合段承载能力及破坏模式； 一级建造师一级建造师 市政（陈明市政（陈明+曹明铭曹明铭+肖国祥肖国祥+申玉辰）课件申玉辰）课件 建筑（王树京建筑（王树京+李佳升李佳升+李立军李立军+王英）课件王英）课件 机电（董美英机电（董美英+唐琼唐琼+魏匡魏匡+李学斌）课件李学斌）课件 法规（陈印法规（陈印+王竹梅王竹梅+武劲松武劲松+蔡恒）课件蔡恒）课件 经济（梅世强经济（梅世强+达江达江+刘戈刘戈+关涛关涛+徐蓉）课件徐蓉）课件 管理（朱俊文管理（朱俊文+成丽芹成丽芹+丰景春）课件丰景春）课件 关注微信公众号关注微信公众号 课件免费下载课件免费下载 第一章第一章 绪论绪
4、论 1.1钢钢混凝土复合结构混凝土复合结构 1.1.1复合结构分类复合结构分类 钢-混凝土复合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展而来的一种 新型结构，它是由不同材料结合成整体结构而共同工作，并能获得比单一材 料结构更佳的特性的结构。经过数十年的研究和实践，钢混凝土复合结构 已经发展成为既区别于传统的钢筋混凝土结构和钢结构，又与之密切相关的 一门学科，其结构类型和适用范围涵盖了土木工程的整个领域。 随着钢结构与钢筋混凝土结构复合技术的发展和应用的日益广泛，出现 了多种复合方式和结构形式，为了统一名词定义、避免混淆，日本有学者对 由异种材料组成的结构做了明确定义和分类：复合结构是组合结构和混
5、合结 构的总称。 组合结构是指构件截面由钢和混凝土等异种材料部件接合成整体结构而 共同工作的结构体系，如组合梁、压型钢板混凝土板、型钢混凝土、外包钢 混凝土等结构。 混合结构是部分采用钢构件（例如钢柱、钢梁等）、钢筋混凝土构件 （钢筋混凝土柱、钢筋混凝土梁等）、组合构件（钢骨混凝土、钢管混凝土、 组合梁）中的两种或两种以上的构件组合成整体的结构。 1.1.2钢钢混凝土复合结构的应用混凝土复合结构的应用 钢-混凝土复合结构是结构工程领域近年来发展很快的一个方向。复合结构多运用 于高层建筑及大跨桥梁。钢混凝土复合结构利用了钢材和混凝土各自的材料性能，具 有承载力高、刚度大、构建节目尺寸小、施工快速
6、方便等优点。同钢筋混凝土结构相 比，复合结构可以减小构件截面尺寸、减轻结构自重、减小地震作用、增加有效使用 空间、降低基础造价、方便安装、缩短施工周期、增加构件和结构的延性等优点；同 钢结构相比，具有可减小用钢量、增大刚度、增加稳定性和整体性、提高结构的抗火 性和耐久性等优点。 随着我国经济建设的快速发展、钢产量的大幅提高、钢材品种的增加、科研工作的 深入、应用实践经验的累积，钢混凝土复合结构在我国也得到迅速的发展和越来越广 泛的运用，应用范围已经涉及到建筑、桥梁、高耸建筑、地下结构、结构加固等领域。 例如我国的已建成的金茂大厦、深圳地王大厦、赛格广场等超高层建筑，全部或部分 采用了复合结构。
7、同时，复合结构还非常适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等大跨径桥梁 结构体系，如重庆菜园坝长江大桥、舟山桃夭门大桥、青洲闽江大桥。工程应用实践 证明，复合结构综合了钢结构和钢筋混凝土结构的优点，可以用传统的施工方法和简 单的施工工艺获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国现 阶段基本建设的国情，是具有广阔的应用前景的新型结构体系之一。 近年来，桥梁建设的快速发展得益于铁路和高速公路基础建设的强劲增长。钢 混凝土复合结构类型桥梁相对于其他类型桥梁具有良好的技术特点和较高的成本效益， 不但适用于大跨径桥梁建设，而且在中小跨径桥梁建设中具有较强的竞争力。 1.3钢与混凝土的连接钢与混凝土
8、的连接 钢与混凝土结合段时一般采用以下几种方案：焊接钢筋锚固式、 PBL剪力键式、剪力钉体外预应力锚固式和外法兰盘预压式等四种设 计方案。 1.3.1焊接钢筋锚固式焊接钢筋锚固式 焊接钢筋锚固式钢-混结合段方案多用于早期的钢管混凝土系杆 拱桥和钢箱结构中。通过在钢结构内外壁焊接粗钢筋，利用粗钢筋在 混凝土塔座中的握裹，并在连接区段设置足够的承压钢筋网和其它构 造钢筋，实现混凝土与钢箱的可靠连接，同时将部分段落的钢构件埋 置于混凝土塔座中。 1.3.2 PBL剪力键式剪力键式 南京长江三桥钢塔与混凝土桥墩的连接方案，在国内率先引入主 要承压构件使用PBL剪力键的模式，在进行钢箱与混凝土锚固时，将
9、 钢箱插入混凝土体内一段长度，插入段四边腹板和中间纵隔板开设直 径6 cm左右的圆孔，圆孔内放置直径32的粗钢筋，采用特殊工艺保 证粗钢筋位于圆孔中心，钢塔内力传递依靠混凝土与钢筋共同组成的 剪力键受剪和钢板与混凝土之间的粘结力实现。 1.3.3剪力钉体外预应力锚固式剪力钉体外预应力锚固式 剪力钉配合体外预应力锚固式钢混结合段处理方案是北京市路桥 工程中最常用的方案，此方案通过在钢箱端部焊接圆头焊钉，塔座预 设预应力钢束，在连接段上端设置预应力锚箱，通过张拉预应力钢束 实现钢箱与混凝土塔座的固结，并通过调整预应力张拉吨位控制钢混 结合面在任意荷载作用条件下始终处于受压状态。 1.4 研究背景研
10、究背景 1.4.1桥梁概况桥梁概况 五渡桥是北京市房山区涞宝路西关上一座桥梁，跨越拒马河，位 于十渡风景区内（项目地理位置见图1.8）。项目路线设计全长550m， 起点桩号K0+000,与现况涞宝路接顺；终点桩号K0+550，与新建四渡 桥相接。涞宝路为二级公路，设计速度为40km/h，路基宽18m，路面 宽12m，设计汽车荷载为公路级，人群荷载3.5 kN/m2，地震动峰 值加速度为0.2g。 1.4.2倾斜型预压式钢倾斜型预压式钢-混结合段设计混结合段设计 本桥设计中采用内法兰预压式实现钢塔与混凝土塔座连接的方案。 钢架塔A段与塔座间采用施加高强螺栓预压力和设置钢混连接段的模 式进行。连接
11、时，首先进行刚架塔A段与塔座预埋钢板的连接，采用 连接螺母接长高强螺栓后，浇筑刚架塔内钢混段混凝土，最后在钢混 段顶锚固板进行接长高强螺杆的紧固。高强螺栓和螺杆均为10.9SM24 高强螺栓和螺杆，设计预紧力为225kN，均采用定扭矩扳手施工。 1.5研究现状及存在问题研究现状及存在问题 随着社会的发展，科技的进步，桥梁造型变化日新月异，混合结 构不光运用于大跨径斜拉桥、梁桥和拱桥建设中。为了达到优美而独 特的环境效果，大量设计新颖的结构形式不断涌现。尽管现代计算理 论方法已经能够分析桥梁结构复杂的应力问题，但是计算结果与实际 结果存在一定的差异。 目前，国内外对钢-混结合段研究的文献资料大多
12、数是针对混合梁 斜拉桥和梁桥进行的，其结合部位的结构构造、应力分布以及传力机 制与三角刚架悬吊连续梁桥有着很大的不同，难以直接推广运用，只 能用作设计的参考和借鉴。尤其是本项目采用内法兰预压式实现钢塔 与混凝土塔座连接的方案，并且采用预压高强螺栓进行连接。因此需 要对其受力性能做出综合分析，并对其合理性做出研究。 1.6本文所研究内容本文所研究内容 1、钢-混凝土结合段结构设计计算方法； 2、钢-混凝土结合段钢与混凝土的传力机制； 3、钢-混凝土结合段钢结构及混凝土应力分布及变形； 4、钢-混凝土结合段承载能力及破坏模式； 第二章第二章 钢钢混凝土塔座预应力结合段模型有混凝土塔座预应力结合段模
13、型有 限元分析限元分析 2.1有限元单元介绍有限元单元介绍 在采用ANSYS进行有限元仿真分析中，混凝土选用SOLID65实体单元模拟，钢板选 用SHELL93壳单元模拟，高强螺栓选用LINK8杆单元模拟。 2.2有限元模型建立有限元模型建立 本文拟用有限元程序ANSYS对塔座钢-混结合段进行实体仿真模拟，有效分析结构 的受力特性。有限元模型的建立如下所示：仿真计算模型比例取4:1。钢-混结合段长 500mm，向混凝土塔座方向取500mm混凝土段，向钢箱方向取500mm钢箱段，模型的 总长度为1500mm。同时满足仿真计算模型能较真实的反映实桥钢-混凝土结合段受力 情况。 仿真分析时建模的原则
14、应该满足：1）模型尽可能与实际结构一致。2）对实际结 构进行进行必要的简化，但又不要太过于简化。这样就既能保证模型具有足够的精度， 又能满足模型计算效率，并力求结果准确合理。 在项目实体桥梁结构中钢-混结合段为倾斜型预压式结构，施工阶段和使用阶段受 力比较复杂。为简化建模，拟采用以下基本假定： （1）钢-混结合段两端尺寸差距不大，拟采用采用上下尺寸相等的 简化方式来建模。 （2）高强螺栓（LINK8单元）、钢结构（SHELL63单元）、混凝土 （SOLID65单元）采用共节点关系处理。 （3）在钢混结合段内，忽略钢板与混凝土之间的相对滑移，认为 高强螺栓可以有效地保证钢板与混凝土的协同工作。
15、（4）在混凝土塔座的仿真模拟中，将钢筋弥散在混凝土中，假定 钢筋与混凝土粘结良好，无相对滑移。 （5）在模型的受力状态模拟中对荷载进行了等效处理：轴向力简 化为均布荷载作用于轴向钢箱表面上、弯矩简化为均布荷载形成的力 偶作用于钢结构上缘。 有限元理论分析考虑了材料非线性和边界非线性，分别通过给定 材料的非线性本构关系、创建接触对来实现。高强螺栓的预紧力采用 降温法来模拟，钢-混凝土结合部塔座底部按固结考虑。加载工况按承 载能力极限状态下最大轴力作用效应组合和最大弯矩作用效应组合来 考虑，另外，为了进一步研究结构的非线性行为，轴向上保持最大轴 力不变，通过逐步加大侧向力来研究结构的破坏形式。 依
16、据上述原则建立的钢混结合段三维空间有限元模型如图： 2.3钢钢混结合段有限元分析研究混结合段有限元分析研究 钢混凝土结合段局部有限元分析主要是对承载能力极限状态下 最大轴力荷载组合和最大弯矩荷载组合下的结构受力情况进行分析， 并在此基础上对结合段的破坏作进一步研究。 2.3.1结合段受力机理结合段受力机理 钢与混凝土结合段设计方案根据所采用连接方式的不同可分为以 下几种：焊接钢筋锚固式、PBL剪力键式、剪力钉体外预应力锚固式 和外法兰盘预压式等。 倾斜型内法兰预压式连接钢-混结合段，采用高强螺栓施加预紧力， 使结构首先有了预应力，有效防止了混凝土结合面上产生拉应力，并 有效预防混凝土裂缝的产生
17、。在模型结构设计时，使塔底边缘的拉力 不超过高强螺栓的预紧力设计值，保证混凝土塔座始一直处于受压的 状态。 2.3.2最大轴力荷载组合最大轴力荷载组合 1结合段混凝土塔座应力分析 最大轴力作用效应组合下，钢-混结合段混凝土塔座应力分布云图如图。 由于对高强螺栓施加了预紧力，混凝土塔座除顶端受拉侧外基本处于受压状 态，压应力除个别点偏大外基本分布在为1Mpa左右，其受力状况与设计相吻 合。另外，由于弯矩的存在导致受拉侧混凝土塔座底部产生了的较小拉应力， 这是由实际受力状态等效加载方式所致。 2结合段钢箱应力分析 最大轴力作用效应组合下，钢-混结合段内钢箱的应力云图如图 2.6。由图可以看出，钢箱
18、总体表面的应力分布在15Mpa左右，但也有 个别点应力偏大，最大应力集中点的应力也在60Mpa以下，远小于钢 材的屈服应力。 3高强螺栓应力分析 下图为最大轴力作用效应组合下钢混结合段内高强螺栓的轴向 应力分布云图。由图可见，高强螺栓的轴向应力都在在250MPa以下， 小于其屈服强度。 2.3.3最大弯矩荷载组合最大弯矩荷载组合 1钢-混结合段混凝土塔座应力分析 最大弯矩作用效应组合下，钢-混结合段混凝土塔座应力分布云图如图。 从图中可以看出，由于高强螺栓预紧力的作用，混凝土塔座除顶端受拉侧外 基本处于受压状态，压应力除个别点偏大外基本分布在为1Mpa左右。另外， 由于弯矩的存在导致受拉侧混凝
19、土塔座底部产生了的拉应力，与最大轴力作 用效应组合下的拉应力相比，拉应力略有增大，这与实际加载状况相吻合。 2结合段钢箱应力分析 最大弯矩作用效应组合下，钢-混结合段内钢箱的应力云图如图。 由图可看出，钢箱总体表面的应力值分布在15 Mpa左右，有个别点应 力比较集中，其应力值大约为52.6Mpa，但远小于其屈服强度。 3高强螺栓应力分析 下图为最大弯矩作用效应组合下钢混结合段内高强螺栓的轴向 应力分布云图。由图可见，比最大弯矩组合条件下应力偏大，但高强 螺栓的轴向应力都在250 MPa以下，远小于其屈服强度。 2.4本章小结本章小结 通过最大内力效应组合分析，结合面基本处于受压状态，而且混
20、凝土局部承压应力满足规范要求，通过理论分析表明钢-混凝土结合段 满足最大承载能力极限状态设计要求。另外，模型结构的钢箱和高强 螺栓的应力值都远低于材料的屈服强度，钢-混结合段具有一定的安全 储备，工作性能良好。 第三章第三章 钢钢混凝土塔座预应力结合段模型试混凝土塔座预应力结合段模型试 验原理验原理 3.1材料本构关系及屈服准则材料本构关系及屈服准则 3.1.1钢的本构关系及屈服准则钢的本构关系及屈服准则 对于Q235钢、Q345钢等土木工程中常用的低碳钢，钢材的应力- 应变（-）关系曲线一般可分为弹性阶段（oa）、弹塑性阶段（ab）、 塑性阶段（bc）、强化阶段（cd）和二次塑流（de）等五
21、个阶段。钢 材实际应力-应变关系曲线如图所示。 0 a b c d e fu fy fp ee 1e 2 e 3 3.1.2混凝土的本构关系混凝土的本构关系 混凝土作为土木工程中应用最广泛的建筑材料之一，其本质的特点是材料组成的 不均匀性，且存在天生的微裂缝，由此决定了其特征工作机理是：微裂缝发展、运行、 从而构成较大的宏观裂缝，继之宏观裂缝又发展，最终导致结构中混凝土的破坏。混 凝土的这种工作机理决定了其工作性能的复杂性。 Hognestad建议的应力应变关系式是目前国内外采用最为广泛的曲线（如图）， 其上升段为抛物线变化，下降段为斜直线变化。该曲线取斜率为15%的斜直线来考虑混 凝土的下降
22、段，表达简洁，又抓住了主要特征，因而得到广泛应用。 0 u 0 0 1 1 E0 Ea 0 . 1 5 0 3.1.3螺栓连接件受力状态与破坏形态螺栓连接件受力状态与破坏形态 当小量值的作用力作用于螺栓构件时，其抵抗外力的能力主要靠两层钢板之间的 摩擦力来承担。当外荷载大于抗摩擦极限值后，两层钢板之间将产生相对滑移，螺杆 因与孔壁作用开始受到剪力作用，孔壁受到压力作用。当螺栓连接构件处于弹性工作 阶段时，螺栓受到的力值存在差异，一般中间受力较小，两边受力较大。随着外荷载 的增加，构件进入塑性工作阶段，螺栓之间的力值基本相等，一直到破坏。 而对于高强螺栓，在拧紧时，螺栓中产生了很大的预拉力，而被
23、连接板件间则产 生很大的预压力。连接受力后，由于接触面上产生的摩擦力，能在相当大的荷载情况 下阻止板件间的相对滑移，因而弹性工作阶段较长。 由此可见，首先高强螺栓所用材料本身强度高，再之对高强螺栓施加了预紧力以 后，螺栓构件两层钢板之间将产生很大的压力，从而大大提高了其摩擦力。对于短头 的高强螺栓连接构件，其螺栓群受力比较均匀，基本在达到极限强度后同时破坏：对 于较长螺杆的连接构件，螺栓之间受力差异很大，最边缘的高强罗栓首先达到极限强 度破坏，接着内力重新分布，中间的螺栓受力增大直至强度极限而破坏，最终整个高 强螺栓连接构件破坏。 3.2模型试验原理模型试验原理 3.2.1模型试验的概述模型试
24、验的概述 模型试验是指根据具体的实际结构或构件，按一定的相似关系缩小为结 构模型进行试验研究，其试验数据可根据相似关系直接换算为原型结构的数 据。模型试验作为结构性能分析的手段，在近代工程结构的发展中起着重要 的作用。 一、模型试验的应用 1.代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。 2.作为结构分析计算的辅助手段。 3.验证和发展结构设计理论。 二、模型试验的优点和缺点 1. 优点 1）经济性好。2）针对性强。3）数据准确。 2缺点及不足 试验用模型虽可在许多基本假设与主要因素方面模拟实物，但在一些局 部的细节方面却很难实现，例如结构的连接接头，焊缝的特性，某些应力集 中因素等，很难在
25、模型试验中得到反映。 3.2.2量纲分析量纲分析 在讨论相似定理时，我们往往假定已知结构系统各物理量之间的 基本关系。而进行结构模型试验时，并不能确切地知道关于结构性能 的某些关系，这时，借助于量纲分析，能够对结构体系的基本性能做 出判断。 一、量纲定义： 量纲，又称因次，他说明测量物理量时所采用的单位性质。度量 单位有两种含义：一是表示被度量的物理量的类型，另一是表示度量 单位的大小。称被度量的物理量的类型为该物理量的量纲。 二、量纲关系 在一物理现象中，各物理量间既有区别又有联系，因此，它们的 量纲之间也存在一定的关系 1. 两个物理量相等，是指不仅数值相等，而且量纲也相同。 2. 两个同
26、量纲参数的比值是无量纲参数，其数值不随所取单位的 大小而变。 3. 在一物理方程中，等式两边各项的量纲必须相同。 4. 导出量纲可以和基本量纲组成无量纲的组合。 3.2.3模型的相似理论模型的相似理论 一、 相似的概念 1. 几何相似 如果模型上所有方向的线性尺寸，均按原型相应尺寸用同一比例常数确 定则此模型与原模型几何相似。 2. 荷载相似 如果模型所有位置上作用的荷载与原型在对应位置上的荷载方向一致， 大小成同一比例，成为荷载相似。 3. 时间相似 在动力问题中，如果模型上的速度、加速度与原型的速度和加速度在对 应的位置和对应的时刻保持一定的比例，并且运动的方向一致，则称为速度 和加速度相
27、似。所谓时间相似则不一定是指相同的时刻，而是只要对应的时 间间隔保持同一比例。 二、相似原理 对于结构模型试验，其目的就是研究结构物的应力和变形形态。为使模 型上产生的物理现象与原型相似，模型的几何形状、材料特性、边界条件和 外部荷载等就必须遵循一定的规律，这种规律就是相似原理。 3.3本章小结本章小结 本章通过介绍模型试验的相似准则、量纲分析以及模型设计的原 则，得出本实验模型的相似准则：应变相等,即模型和实桥保持应变 相等；应力相等,即模型和实桥保持应力相等；应变或应力保持一 定的比例关系,即介于应变相等和应力相等之间。根据这3个条件,可分 别导出集中荷载、分布荷载等的相似关系。如果模型和
28、原型所用材料 相同,即弹性模量相等,则无论应力相等或应变相等,所导出的荷载、位 移等关系都是相同的。 第四章第四章 钢钢混凝土塔座预应力结合段模型试混凝土塔座预应力结合段模型试 验验 4.1模型试验设计模型试验设计 房山五渡桥采用高强螺栓连接件、前压钢板填充混凝土应用在大 角度钢架塔基结合段上，这种结构在我国尚属首次。考虑到房山五渡 桥钢架塔和混凝土塔基结合段设计的实际受力特性，本实验的目的主 要是掌握钢混结合段高强螺栓连接件的的力学行为。为了尽量真实 反映实桥情况，最终选用了大比例尺模型，并考虑到模型的制作难度、 试验加载条件及试验结果的准确性等方面的综合因素，最终确定以1： 4的比例进行模
29、型试验。 4.2模型试验目的模型试验目的 1）验证设计计算结果的可靠性 2）验证设计荷载下钢架塔基钢混结合段的安全性及合理性 3）研究钢混结合段的应力分布规律 4）高强螺栓连接件的力学性能、应力分布及破坏形式 4.3模型设计及制作模型设计及制作 在模型试验中，模型设计的原则是：对模型局部进行简化处理应 忽略一些次要因素，且能够反映实际结构的主要力学特征,。根据试验 场地范围，实验室设备状况，以及实体结构的大小来确定试件的尺寸。 试验模型与实际结构存在着比例大小的不同，所以其内力分布与实际 结构相比就存在一定的差异，但其应力应该与实际结构的应力应基本 一致。 4.3.1模型比例模型比例 综合考虑
30、到实体结构的大小、场地范围和现存设备状况，本实验 模型拟采用1:4的几何比例进行设计，并有公式推导出模型试件结构的 剪力、轴力、弯矩等的比例系数如表所示。 项目项目几何几何模量模量惯性矩惯性矩面积面积力力弯矩弯矩应力应力应变应变 相似常数相似常数EIAFM 相似比相似比414442424311 4.3.2模型尺寸模型尺寸 结合段试验中取用的试件取实际结构发挥作用的主要部分，试件 由混凝土基座、高强螺栓连接件、前压钢板混凝土、钢板四部分构成。 模型材料采用与实际结构相同的材料，具体构造示意图如图4.1所示。 4.3.3测点选取及布置测点选取及布置 本模型试验研究的主要内容为高强螺栓的力学性能及钢
31、混结合 段各种材料的应力分布规律和传力途径。因此在模型具有代表性的高 强螺栓、塔座混凝土表面及钢箱表面等部位总共布置82个应变测点， 并在钢架塔与拱座接合面的两层钢板间布设1个位移测点。其中混凝 土浇注之前在高强螺栓上布置36个测点，预埋应变片；混凝土浇筑后 在混凝土塔基表面布置14个测点；钢箱表面布设32个测点，均为应变 片。用于测试各种加载工况下模型各构件承担的荷载及其应力的分布 情况。具体布置形式如图所示。 4.3.4模型施加荷载设计模型施加荷载设计 1）试验等效荷载分析 根据模型实验原理，本实验采用实验模型与实体结构应力等效的原则计 算试验加载荷载值。轴力通过试验构件上方的液压千斤顶施
32、加，侧向力通过 试验构件侧面的机械千斤顶施加。 在实际结构承载能力极限状态作用组合中的基本组合下，选取最大弯矩 效应组合（考虑自重、预应力、桥面铺装和整体降温），最大轴力效应组合 （考虑自重、预应力、桥面铺装、车道偏载和整体降温）两种荷载组合计算 试验荷载如表所示。 对象 最大弯矩组合最大轴力组合 弯矩(KNM)轴力（KN）弯矩(KNM)轴力（KN） 实际结构12489.348532.5511710.829076.06 模型195.15533.28182.98567.25 由上表确定两种试验加载工况分别为： 最大弯矩荷载组合：轴向力N1 =533.28KN，水平力Q1=229.59KN； 最大
33、轴力荷载组合：轴向力N2 =567.25KN，水平力Q2=215.27KN； 由此确定试验加载的最大值为：轴向力Nmax=567.25 KN，水平力 Qmax=229.59 KN 而考虑模型钢-混结合面以上结构自重作用，最终试验加载工况为： 最大弯矩荷载组合：轴向力N1 =516.4KN，水平力Q1=229.59KN； 最大轴力荷载组合：轴向力N2 =550.4KN，水平力Q2=215.27KN； 1.2倍的最大弯矩荷载组合：轴向力1.2N1=619.7 KN，水平力1.2Q1=275.51 KN； 1.2倍的最大轴力荷载组合：轴向力1.2N2=660.5 KN，水平力1.2Q2=258.32
34、 KN； 2）试验加载方案 最大轴力荷载组合 加载 最大弯矩荷载组合 加载 1.2倍最大轴力荷 载组合加载 1.2倍最大弯矩荷 载组合加载 破坏加载 轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力轴向力水平力 00000000 00 10050100601005010060 10060 20080200902008020090 20090 300110300120300110300120 200120 400140400150400140400150 200150 450170450180450170450180 200180 500200500210500200500210 200210
35、550215516.4229.6550220550230 200230 600240600250 200240 660258620275 200270 200300 200330 200360 试验过程加载分两步进行：第一步是从0加载到最大轴力荷载组合 中第一级加载工况大小，然后再卸载到0，循环三次进行，目的是考 察试件在重复使用荷载作用下的变形行为，包括高强螺栓、钢板、混 凝土的协调变形性能以及试件的弹性恢复性能，以消除非线性的影响， 并检查各仪器工作是否正常。第二步是按照试验分级加载吨位表（如 表3.4-6）进行分级加载，每级荷载稳压15分钟以便读数，用肉眼在塔 座混凝土表面寻找和观察裂缝
36、，若出现裂缝则使用读数显微镜测度裂 缝宽度，并记录裂缝出现和发展情况。观测完毕后，读数测试三次， 查看测试数据无明显变化后再进行下一加载工况。 4.3.5加载实施方案加载实施方案 1）试验加载装置 模型试验在长安大学桥梁结构工程实验室完成。水平加载设备和 竖向加载设备采用50t机械千斤顶和100t液压千斤顶，试验前通过加载 标定千斤顶加载大小以保证其加载精度。 2）加载及实验图示 固 定 装 置 加 载 示 意 图 竖 向 力 水 平 力 4.3.6模型细部要求模型细部要求 1）钢混结合面两层钢板经过喷砂处理。 2）浇注拱座混凝土时，应注意预埋螺栓及定位承压钢筋网，螺栓 应严格定位。 3）所有
37、顶底腹板间焊缝为单面坡口焊缝，双面成型，并应进行打 磨。 4.4 模型试验结果分析模型试验结果分析 模型试验的所测得的应变数据全部由数据采集仪直接读取，并且 我们对模型试件不同位置应变片的局部坐标作出以下规定，以方便绘 图。 1对于混凝土塔座处应变片，取塔座混凝土顶端为1点，垂直下 方为依次个测点； 2对于钢箱上应变片，取钢箱顶端为1点，垂直下方为依次个测 点； 3对于高强螺栓处应变片，取钢混结合面处为X坐标原点，向两 端为正方向； 4.4.1 最大轴力荷载组合作用结果最大轴力荷载组合作用结果 本阶段试验共进行了最大轴力荷载组合和1.2倍最大轴力荷载组合 两种荷载组合的加载过程。实验过程中，钢
38、-混凝土结合段模型试件在 各级荷载的作用下表现平稳，无任何异常现象产生。通过对试验所测 得的数据比较分析，模型试件的高强螺栓、钢箱、混凝土等材料的应 变值都随着荷载等级的增加大致呈线性增加，变化协调平稳。通过肉 眼观察，试件各种材料的无裂缝产生，并且在卸载后基本不存在残余 应变。实验结果表明：钢-混凝土结合段模型试件始终处于弹性工作阶 段，储备安全，工作性能良好。 钢混凝土结合段混凝土结构应变分析 下图为最大轴力荷载组合下钢-混凝土结合段模型试件混凝土应变 变化趋势图。其中点号为混凝土上不同的测点，测点的具体位置参照 前面的设计图示；分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出， 混凝土各测点基
39、本上都处于受压的状态，应变值都随着加载等级的增 加而增加，并大致呈线性变化。在各级荷载的作用下，混凝土最大压 应变为7510-6左右，其值远小于混凝土的极限抗压应变值，说明模 型试件混凝土塔座工作状态始终处于弹性阶段。 钢混凝土结合段钢结构应变分析 下两图分别为最大轴力荷载组合下钢-混凝土结合段模型试件钢箱 应变变化趋势图。其中点号为钢箱上不同的测点，测点的具体位置参 照前面的设计图示；分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出， 钢箱上各测点基本上都处于受压的状态，应变值都随着加载等级的增 加而增加，并大致呈线性变化，在距结合面100mm和600mm段的钢箱 表面测点6的变化趋势最明显，应视
40、为钢箱受力的最不利位置。在各 级荷载的作用下，混凝土最大压应变为36310-6左右，其值远小于 钢箱的极限抗压应变值，说明模型试件钢箱工作状态始终处于弹性阶 段，储备安全。 钢混凝土结合段高强螺栓应变分析 下图分别为最大轴力荷载组合下钢-混凝土结合段模型试件高强螺 栓应变变化趋势图。其中测点的具体位置参照前面的坐标设计图示； 分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出，高强螺栓上各测点 都处于受拉的状态，应变值都随着加载等级的增加而增加，并大致呈 线性变化，螺栓的最大应力位于钢-混结合面处。 由模型试件各种材料试验结果可知，钢-混凝土结合段模型试件在 最大轴力荷载组合、1.2倍最大轴力荷载组合
41、的各级加载荷载作用下， 变化趋势一致，无裂缝现象产生，结合面处无滑移、开裂及剥落现象 产生，结构整体处于弹性工作阶段，受力平稳，储备安全，满足设计 要求。 4.4.2 最大弯矩荷载组合作用结果最大弯矩荷载组合作用结果 本阶段试验共进行了最大弯矩荷载组合和1.2倍最大弯矩荷载组合 两种荷载组合的加载过程。实验过程中，钢-混凝土结合段模型试件在 各级荷载的作用下表现平稳，无任何异常现象产生。通过对试验所测 得的数据比较分析，模型试件的高强螺栓、钢箱、混凝土等材料的应 变值都随着荷载等级的增加大致呈线性增加，变化协调平稳。通过肉 眼观察，试件各种材料的无裂缝产生，并且在卸载后基本不存在残余 应变。实
42、验结果表明：钢-混凝土结合段模型试件始终处于弹性工作阶 段，储备安全，工作性能良好。 钢混凝土结合段混凝土结构应变分析 下图为最大弯矩荷载组合下钢-混凝土结合段模型试件混凝土应变 变化趋势图。其中点号为混凝土上不同的测点，测点的具体位置参照 前面的设计图示；分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出， 混凝土各测点除结构上缘外基本上都处于受压的状态，应变值都随着 加载等级的增加而增加，并大致呈线性变化。在各级荷载的作用下， 混凝土下缘最大压应变为6210-6左右，上缘最大拉应变为2010-6左 右，其值远小于混凝土的极限应变值，说明模型试件混凝土塔座工 作状态始终处于弹性阶段。 钢混凝土结合段
43、钢结构应变分析 下图分别为最大弯矩荷载组合下钢-混凝土结合段模型试件钢箱应 变变化趋势图。其中点号为钢箱上不同的测点，测点的具体位置参照 前面的设计图示；分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出， 钢箱上各测点基本上都处于受压的状态，应变值都随着加载等级的增 加而增加，并大致呈线性变化，在距结合面100mm和600mm段的钢箱 表面测点6的变化趋势最明显，应视为钢箱受力的最不利位置。在各 级荷载的作用下，混凝土最大压应变为35910-6左右，其值远小于 钢箱的极限抗压应变值，说明模型试件钢箱工作状态始终处于弹性阶 段，储备安全。 钢混凝土结合段高强螺栓应变分析 下图分别为最大弯矩荷载组合下钢
44、-混凝土结合段模型试件高强螺 栓应变变化趋势图。其中测点的具体位置参照前面的坐标设计图示； 分级数参照前面的加载吨位表。从图中可以看出，高强螺栓上各测点 都处于受拉的状态，应变值都随着加载等级的增加而增加，并大致呈 线性变化，螺栓的最大应力位于钢-混结合面处。 由模型试件各种材料试验结果可知，钢-混凝土结合段模型试件在 最大弯矩荷载组合、1.2倍最大弯矩荷载组合的各级加载荷载作用下， 变化趋势一致，无裂缝现象产生，结合面处无滑移、开裂及剥落现象 产生，结构整体处于弹性工作阶段，受力平稳，储备安全，满足设计 要求。 4.5试验结果与有限元计算结果比较分析试验结果与有限元计算结果比较分析 4.5.
45、1最大轴力荷载组合作用最大轴力荷载组合作用 下表分别为模型试件的混凝土、钢箱、高强螺栓等材料的测点计 算值与试验值比对值分析。其中加载工况选择的是最大轴力组合下的 最高一级荷载值，对于已损坏的应变片我们用空格代替，我们规定拉 应力为正值，压应力为负值。 混凝土塔座表面应力 测点位置（沿Y方向离顶 板的距离mm） 0175325475625775950 计算值（MPa）1.350.400.21-0.49-0.84-1.10-3.02 试验值（MPa）0.280.20-0.13-0.93-1.11-1.56-2.44 钢箱表面应力 测点位置（沿Y方向离 顶板的距离mm） 0632754255757
46、87850 计算值（MPa）6.766.32-7.03-12.77-18.73-26.60-25.11 试验值（MPa）1.03-3.81-10.82-23.18-10.20-74.68-7.62 测点位置（沿Y方向离顶 板的距离mm） 063275425575787850 计算值（MPa）-0.41-4.17-7.90-11.19-12.55-13.28-12.98 试验值（MPa）-1.75-4.33-11.85-13.39-10.82-23.56-4.12 高强螺栓表面应力 X=处测点位置（沿Y方向离顶板的 距离mm） 0100200300400 计算值（MPa）267.91266,24
47、261.88249.99215.70 试验值（MPa）/334.30319.08304.26298.28 X=处测点位置（沿Y方向离顶板的 距离mm） 0100200300400 计算值（MPa）263.44261.54257245.13211.40 试验值（MPa）331.66/331.66310.38284.88 X=处测点位置（沿Y方向离顶板的 距离mm） 0100200300400 计算值（MPa）255.2252.80247.77235.77203.01 试验值（MPa）/327.75/308.18277.98 X=处测点位置（沿Y方向离顶板的 距离mm） 0100200300400
48、 计算值（MPa）251.30248.45243230.85198.55 试验值（MPa）310.28297.38273.18307.15278.78 由上面各表所列各测点应力数据可见： A. 从表可以看出，在最大轴力荷载组合的最大一级荷载工况作用 下，混凝土结构、钢箱以及螺栓各测点的试验值与有限元计算值变化 规律一致，其数值也比较相近。 B. 在距结合面100mm和600mm段的钢箱表面测点6的变化趋势最 明显，应视为钢箱受力的最不利位置。 C. 通过比较混凝土与钢箱的应变值说明，钢-混结合段模型试件 应力在由钢箱高应变值向混凝土塔座的低应变值传递过程中变化平稳， 这与结构承压板的应力扩散作
49、用是分不开的。 4.5.2最大弯矩荷载组合作用最大弯矩荷载组合作用 下表分别为模型试件的混凝土、钢箱、高强螺栓等材料的测点计 算值与试验值比对值分析。其中加载工况选择的是最大弯矩荷载组合 下的最高一级荷载值，对于已损坏的应变片我们用空格代替，我们规 定拉应力为正值，压应力为负值。 混凝土塔座表面应力 测点位置（沿Y方向离顶 板的距离mm） 0175325475625775950 计算值（MPa）1.530.470.24-0.48-0.84-1.12-3.11 试验值（MPa）0.65-0.190.08-0.72-1.3-1.15-2.02 钢箱表面应力 测点位置（沿Y方向离顶 板的距离mm）
50、063275425575787850 计算值（MPa）8.317.85-6.73-12.66-18.86-27.10-25.66 试验值（MPa）1.541.85-7.11-20.19-14.63-73.85-4.64 测点位置（沿Y方向离顶 板的距离mm） 063275425575787850 计算值（MPa）0.95-3.73-7.62-11.07-12.44-13.17-12.83 试验值（MPa）3.71-0.52-5.97-7.73-6.59-18.54-0.62 高强螺栓表面应力 X=处测点位置（沿Y方向离顶板的 距离mm） 0100200300400 计算值（MPa）268.98
