大跨度結構的靜/動加載實驗及結構優(yōu)化

翟書毓

摘 要：本文以近幾年國內一些小型地震、高架橋等超載坍塌事故為切入點，結合實際大跨度結構的使用，借助《理論力學》《結構力學》等課程學習內容，嘗試著將桁架予以簡化，展開簡易的實驗模擬。在總結前人經驗的基礎上結合所學知識，進行物理實驗設計予以檢驗，旨在為相似橋梁的質量、防震、減壓等研究提供一定的參考依據。

關鍵詞： 高架橋梁; 平面桁架; 抗震

1 創(chuàng)新點

本課題研究最大限度貼近社會發(fā)展、人們生活實際，因為近年來隨著交通道路事業(yè)的推進建設，對一些傳統(tǒng)的高發(fā)的橋梁道路交通事故起到了較好的控制和監(jiān)控、規(guī)避。但是，也衍生了一些新問題、新安全隱患，尤其是一些不可控因素。理論上講，盡管很多高架橋坍塌事故中，多半與工程質量本身無關。這種行為因素不可控，但從橋梁結構視角來分析，理論上的確可以優(yōu)化，至少可以有效避免此類事件再次發(fā)生，即及時發(fā)現(xiàn)問題并快速解決。

2 研究過程

2.1 實驗裝置與材料

本次大跨度結構的設計，搭接加載受力裝置。由于條件受限，所以主體材料選用了桐木材質，搭建桁架模型。整個大跨度結構橋梁的主體，規(guī)格如下：模型長度盡量控制在1250±2 mm 范圍內，寬度盡量控制在 120±1 mm以內。此外，整體高度控制在 150mm 范圍內。

其次，上述搭建的簡易模型上表面跨中應有不小于120*120mm的加載平面。

再者，使用到的主體材料，即桐木。規(guī)格如下：1*55mm 、2*2mm 、2*4mm 、2*6mm 、2*8mm。

最后，專門準備了502膠，砂紙、美工刀、鋼尺和鉛筆等。

2.2 加載試驗方式

如開篇歸納總結，靜定狀態(tài)下，即靜加載——模型結構跨中頂部施加50N加載快豎向靜力加載。

此外，沖擊加載——保持豎向50N靜力荷載不變，將拉索與模型下部跨中加載點相連，將質量為3kg實心鋼球拉升至一定角度標高，后突然釋放。

實際操作中，為了最大限度增強實驗過程的可參考性，所以整個過程嚴格遵照圖紙設計。但是，操作中，也綜合考慮到了可能出現(xiàn)的系列不可控因素。對此，做出以下調整。針對結構跨度大、距離長這種事實情況，為了盡量規(guī)避結構的剪切力的影響，所以構件采用L型或者T型，決定大量使用拉條，在承壓大的構件中采用管狀的制作方式。

2.3 實驗過程

切割所需長度的木條。

粘接組合成結構。結構質量：131g 。

靜加載試驗——將模型居中放置在加載臺座上并側向固定，模型結構跨中頂部施加50N加載快豎向靜力加載。

觀察整個過程，一般情況下可以發(fā)現(xiàn)，在最初幾秒時，有一定的晃動但很快能穩(wěn)定下來并承重10分鐘以上。沖擊加載試驗——保持豎向50N靜力荷載不變，將拉索與模型下部跨中加載點相連，將質量為3kg實心鋼球拉升至一定角度標高，后突然釋放。

觀察現(xiàn)象：30度時有明顯晃動，拉條開始變形60度時有較大晃動，但無任何構件的斷裂，撕裂、脫膠，結構垮塌。

關于結構受力的計算，如下：

由于結構對稱，只需算一半，求個桿件的軸力（設—為壓力+為拉力）。

已知，150/290 *Nab+25=0

Nab= —48.3N

270/290 *Nab+Nac=0

Nac=50N

數據參考：桐木彈性模量5000MPa? 強度20MPa

所以，ab管狀構件足夠承力? bc構建多余

實際檢驗分析如下：

切除構件，靜加載試驗。觀察現(xiàn)象：在最初幾秒時，有一定的晃動但很快能穩(wěn)定下來并承重10分鐘以上。

2.4 結果分析

本次實驗裝置的設計與大跨度結構的優(yōu)化分析所設計的結構基本達到預期目標。但是，由于結構質量過大，耗材過多，所以本研究選擇了桐木材料。盡管計算結果大體滿足實際要求，但由于結構的做工不夠細致，粘接失誤導致結構不太對稱。

所以，為了做進一步檢驗，在原有理論架構的基礎上，對桁架結構再次優(yōu)化。如圖3.7所示。

本部分引入遺傳算法工作原理，旨在針對本次既有實驗裝置條件下的大跨度結構進行二次優(yōu)化。其一，圍繞著優(yōu)化的可行性展開;其二，圍繞著下述三角桁架的實際可操作性展開;其三，圍繞著映射唯一性問題展開。

圍繞著上述關于大跨度結構橋梁的設計情況，對其截面積并行設計。在固定的位置點上進行拓撲及截面積兩個變量的并行設計。需要滿足的條件，即要求優(yōu)化后的桁架形式必須要滿足桁架重量、最大位移，即誤差范圍控制到最小。所以，只需要計算出各已知固定點的作用大小的豎向荷載即可，直接獲取截面積。

基于上述研究，對大跨度結構有了重新的認識，設計了新的結構

受力分析：（設—為壓力，+為拉力）。所以，改進點在于，增強桁架結構的穩(wěn)定性，圍繞著設計細節(jié)進行考量。

在實際計算中，由于本次并未針對三角桁架進行實驗設計，但圍繞著前文描述與規(guī)律總結，基本可以得知。針對本大跨度結構受力的計算。首先，根據已知的橫軸X（單位：mm），確定載荷。然后根據梁所受的力畫出剪力和彎矩圖。

3 結論與展望

通過本研究，再次加深認識，即橋梁結構失穩(wěn)破壞，很多情形下的主要原因就是橋梁結構內部抗力失效，即處于突然崩潰狀態(tài)。所以，一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，整個結構便會倒塌。以近期江蘇省無錫市高架橋坍塌事故來看，盡管直接致因是大貨車嚴重超載，但倒塌原理與上述如出一轍，即整個結構被瞬間破壞。此情形下的破壞性，遠比一般的因年久強度破壞更加危險。與之相對而言，一些典型的道路橋梁工程，出于多方考慮，相比較于強度更看重結構的穩(wěn)定性。所以，大跨度結構憑借其剛度大、敏感性弱等優(yōu)點，被界內廣泛應用。正因如此，大跨度結構的主要技術點在于結構的穩(wěn)定程度，所以實際設計與工程施工中，難點也體現(xiàn)于此。鑒于此，本研究立足國內該領域的建設實際、技術流程，通過實驗設計與操作驗證，有了一定的發(fā)現(xiàn)，即大跨度結構跨度大，所以上部載荷也就越重。針對這一點，可以繼續(xù)參照圖3.4-3.8。桿件節(jié)點復雜，所以才需要有效的面外作用力予以支撐。對此，本實驗設計也是圍繞此展開，因而成為了整個結構穩(wěn)定分析的設計關鍵。界內諸多研究表明，平面桁架結構失穩(wěn)集中分布兩大形式，分別是平面內失穩(wěn)和平面外失穩(wěn)。

未來，我們將繼續(xù)深入研究大跨度橋梁的結構優(yōu)化設計問題。例如將優(yōu)化算法的代碼真正實現(xiàn)，用于尋找已知限制條件下的最優(yōu)結構。另外，我們將嘗試對橋梁結構進行三維建模，對橋梁各結構進行深入地力學分析，進而尋找更加優(yōu)秀的解決方案。

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