荷載橫向分布計(jì)算的偏心壓力法模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)法研究

陳建兵，喬光華

(蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

荷載橫向分布計(jì)算的偏心壓力法模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)法研究

陳建兵，喬光華

(蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

為易于學(xué)生理解“橋梁工程”中的荷載橫向分布計(jì)算原理，根據(jù)偏心壓力法計(jì)算荷載橫向分布的方法進(jìn)行模型橋梁的加載實(shí)驗(yàn)，測試各主梁所分擔(dān)的荷載。通過對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)與理論荷載橫向分布影響線的分布情況，幫助學(xué)生理解橋梁空間計(jì)算中的荷載橫向分布問題，及認(rèn)識(shí)將空間的荷載橫向分布計(jì)算簡化為平面計(jì)算的原理。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該教學(xué)方法具有良好的效果，在強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)的同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的能力。

橋梁工程;荷載橫向分布;偏心壓力法;模型實(shí)驗(yàn);教學(xué)方法

0 引言

“橋梁工程”是我國高校土木工程專業(yè)的一門重要課程，而“荷載橫向分布計(jì)算”章節(jié)又是“橋梁工程”課程中最重要的一部分教學(xué)內(nèi)容。在橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)上的可變荷載是如何傳遞的、各主梁承擔(dān)多少可變荷載，這些問題必須按照荷載橫向分布方法來計(jì)算。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)受力和變形的空間計(jì)算理論的復(fù)雜性，采用將復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來求解的計(jì)算方法，也就是將橋梁結(jié)構(gòu)的影響面函數(shù)分離為兩個(gè)單值函數(shù)的乘積。[1]盡管把荷載橫向分布計(jì)算分析簡化為了平面問題，但在教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)這一問題仍然是一知半解。如何加強(qiáng)學(xué)生對(duì)橋梁荷載橫向分布計(jì)算教學(xué)內(nèi)容的掌握、引導(dǎo)與其他知識(shí)的融匯貫穿，這是荷載橫向分布計(jì)算教學(xué)過程中必須思考并加以改進(jìn)的問題。

實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)性教學(xué)往往會(huì)增加學(xué)生對(duì)事物的感性認(rèn)識(shí)和直觀感悟，幫助其理解理論知識(shí)和抽象問題，所以在“橋梁工程”荷載橫向分布計(jì)算的理論教學(xué)的同時(shí)，又進(jìn)行了模型橋梁荷載橫向分布測試的加載實(shí)驗(yàn)。本文僅對(duì)“偏心壓力法”求解荷載橫向分布系數(shù)的模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及效果進(jìn)行分析。

1 偏心壓力法的基本概念

具有可靠的橫向連接的T形梁橋，其寬跨比小于0.5時(shí)，在跨中車輛荷載作用下剛性中橫梁一直保持直線形狀，其各主梁跨中撓度橫向變化規(guī)律類似于一般材料力學(xué)中的桿件偏心受壓的情況，這就是偏心壓力法計(jì)算荷載橫向分布的基本概念和計(jì)算假定。[1]

根據(jù)偏心壓力法的基本概念和理論，求出各主梁跨中截面在單位荷載作用下其荷載橫向影響線豎標(biāo)值的計(jì)算公式，若各主梁的截面均相同，則其橫向影響線的控制坐標(biāo)值計(jì)算公式[1]為

其中:n為梁數(shù);ai為所求梁到橋軸線的距離;ak為所加荷載作用點(diǎn)到梁軸線的距離。

利用式(1)計(jì)算出荷載橫向影響線，根據(jù)荷載沿橫向的最不利位置計(jì)算出相應(yīng)的荷載橫向分布系數(shù)，從而求得各主梁所受的最大荷載。

若在計(jì)算公式推導(dǎo)中考慮主梁的抗扭剛度，則其偏心壓力法的計(jì)算公式[1]可修正為

其中:β為抗扭修正系數(shù)。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)概況

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為便于模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)有機(jī)玻璃模型實(shí)驗(yàn)橋。實(shí)驗(yàn)橋?yàn)?梁式T梁橋結(jié)構(gòu)，共設(shè)置2道端橫梁和3道中橫梁，模型實(shí)驗(yàn)橋梁的縱、橫截面布置及尺寸如圖1所示。有機(jī)玻璃材料性能試驗(yàn)結(jié)果為抗拉強(qiáng)度75 MPa、抗壓強(qiáng)度136 MPa，彈性模量26 500 MPa。上翼板、梁肋及橫梁之間采用高強(qiáng)度粘結(jié)劑粘結(jié)。[2]

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證教材中偏心壓力法計(jì)算荷載橫向分布影響線求解方法，通過實(shí)驗(yàn)測定荷載作用下結(jié)構(gòu)各主梁跨中截面的撓度，根據(jù)各梁撓度分布情況，推導(dǎo)出荷載作用在跨中某位置的荷載橫向?qū)嶋H影響線及各梁所分擔(dān)的荷載。實(shí)驗(yàn)加載采用杠桿原理對(duì)模型橋進(jìn)行單點(diǎn)加載，加載裝置如圖2。分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)梁跨中截面梁肋處加載。[3]

圖2 加載裝置

2.3 測試內(nèi)容及加載設(shè)備

1)測試內(nèi)容。采用百分表測試各工況荷載作用下T形模型實(shí)驗(yàn)梁橋各梁肋跨中截面的撓度，百分表布置如圖3所示。

圖3 撓度測點(diǎn)布置圖

2)加載設(shè)備。加載杠桿、砝碼、吊桿等，加載設(shè)備布置形式如圖2所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常采用以下方式:一是任課教師做演示試驗(yàn)，學(xué)生僅僅參觀試驗(yàn)過程，這種方式不能完全起到幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)知識(shí)的作用;二是任課教師僅作為指導(dǎo)教師，由學(xué)生親自動(dòng)手操作，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式從前期的準(zhǔn)備到后期的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，均由學(xué)生自己完成，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生是實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者，碰到問題會(huì)積極主動(dòng)去思考、解決，因此該過程會(huì)加深學(xué)生對(duì)橋梁專業(yè)知識(shí)的理解及掌握。

在偏心壓力法荷載橫向分布的實(shí)驗(yàn)過程中，為使所有學(xué)生均能參與實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前將學(xué)生每4人編成1個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，其中2人進(jìn)行加載控制，2人進(jìn)行百分表的讀數(shù)和記錄。

3 模型實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

由于模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以僅測試1號(hào)梁、2號(hào)梁、3號(hào)梁在加載工況下的跨中截面各梁肋的撓度，加載過程如圖2所示。由于各梁跨中撓度大小與該梁所分擔(dān)的荷載大小成正比[4]，因此可以通過各梁所測試的撓度來計(jì)算主梁的荷載橫向分布影響線。

設(shè)每片梁的跨中撓度為fi，模型橋梁的各梁跨中撓度總和為∑fi，則可計(jì)算出在每一加載工況下，某一片主梁的跨中荷載橫向影響線在各主梁處的豎標(biāo)值ηi=fi/∑fi，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

利用式(1)、式(2)分別計(jì)算該模型橋的跨中荷載橫向分布影響線，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 各梁橫向影響線

由圖4可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(1)和式(2)計(jì)算所得的荷載橫向分布規(guī)律一致，其與式(1)計(jì)算結(jié)果偏差較大，與式(2)計(jì)算結(jié)果偏差較小，造成這種情況的原因可能是模型梁橫梁剛度達(dá)不到假設(shè)的無窮大要求，但在計(jì)算中認(rèn)為其剛度無窮大，同時(shí)也驗(yàn)證了考慮主梁抗扭剛度的修正偏心壓力法所得到的結(jié)果更切合實(shí)際。

4 模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的效果及啟示

4.1 教學(xué)效果

在每次的荷載橫向分布教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，學(xué)生總是不能透徹理解橋梁荷載橫向分布影響線，在作業(yè)或平時(shí)課堂提問時(shí)經(jīng)常會(huì)給出錯(cuò)誤結(jié)果。但是在學(xué)生親自進(jìn)行了橋梁模型實(shí)驗(yàn)后，他們直觀地看到模型橋在某片主梁上加載時(shí)其相鄰的主梁也會(huì)發(fā)生變形，并不是想象中的將荷載加在某片梁上則荷載即由該片梁全部承擔(dān)。同時(shí)，根據(jù)測試的撓度變化結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得出在加載荷載作用下，各主梁所分擔(dān)的荷載大小，在加載點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)各主梁所分擔(dān)荷載大小的變化情況。

在后續(xù)的課堂教學(xué)調(diào)查中了解到，通過模型橋梁荷載橫向分布實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生基本能夠掌握、理解該部分的教學(xué)內(nèi)容，后期的“橋梁工程”課程設(shè)計(jì)效果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

在蘇州科技學(xué)院已連續(xù)進(jìn)行多年的荷載橫向分布模型橋梁實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法逐年完善，并取得了良好的效果。

4.2 教學(xué)啟示

“橋梁工程”課程中的部分章節(jié)比較抽象，對(duì)于剛剛接觸“橋梁工程”課程的學(xué)生來說，由于缺乏工程實(shí)踐及空間想象力，學(xué)習(xí)較為困難，因此，在教學(xué)過程中可以采用一些輔助的教學(xué)方法和手段，幫助學(xué)生理解“橋梁工程”的基本知識(shí)和構(gòu)造，有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)“橋梁工程”的興趣和習(xí)慣。筆者認(rèn)為合理的教學(xué)方法和手段對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)“橋梁工程”課程、理解“橋梁工程”的專業(yè)知識(shí)具有極大的促進(jìn)作用。

5 結(jié)語

“橋梁工程”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，此特點(diǎn)決定了其授課方式不能僅采用傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法，而應(yīng)采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，在課堂內(nèi)講授理論知識(shí)的同時(shí)，與模型實(shí)驗(yàn)、模型制作等教學(xué)方法相結(jié)合，或者增加其他實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生對(duì)“橋梁工程”的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，從而提高“橋梁工程”課程的教學(xué)質(zhì)量。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]陳建兵，李淑琴，萬水，等.懸臂波形鋼腹板組合箱梁模型試驗(yàn)研究[J].中外公路，2010，4(4):59 -63.

[3]曹國輝，賀冉，劉輝.T形梁橋荷載橫向分布實(shí)驗(yàn)裝置研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(4):40 -42.

[4]孫訓(xùn)方.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2009.

Research on Model Test Teaching of Eccentric Compression Method for the Calculation of Transverse Load Distribution

CHEN Jianbing，QIAO Guanghua

(School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011)

To make students understand the calculation principle of transverse load distribution in the bridge engineering easily，the load test on model bridge was carried out by referring to the eccentric compression method to calculate transverse load distribution coefficient.The influence line of transverse load distribution from the test and theory calculation was compared with each other，which aimed at helping students master transverse distribution problem in the calculation of spatial bridge，what's more，it will be helpful for students to understand the principle of simplifying the calculation of transverse load distribution in space into plane calculation.The results in practice showed that this teaching method had a good effect on strengthening students'knowledge，as well as their ability.

bridge engineering;transverse load distribution;eccentric compression method;model test;teaching method

G642.423

B

1671-0436(2014)03-0093-04

2014-04-20

陳建兵(1968— )，男，副教授。

責(zé)任編輯:唐海燕