大跨度結(jié)構(gòu)的靜/動加載實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

翟書毓

摘 要：本文以近幾年國內(nèi)一些小型地震、高架橋等超載坍塌事故為切入點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際大跨度結(jié)構(gòu)的使用，借助《理論力學(xué)》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，嘗試著將桁架予以簡化，展開簡易的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合所學(xué)知識，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計予以檢驗(yàn)，旨在為相似橋梁的質(zhì)量、防震、減壓等研究提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 高架橋梁; 平面桁架; 抗震

1 創(chuàng)新點(diǎn)

本課題研究最大限度貼近社會發(fā)展、人們生活實(shí)際，因?yàn)榻陙黼S著交通道路事業(yè)的推進(jìn)建設(shè)，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(zhì)量本身無關(guān)。這種行為因素不可控，但從橋梁結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)裝置與材料

本次大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)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(zhì)，搭建桁架模型。整個大跨度結(jié)構(gòu)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(nèi)，寬度盡量控制在 120±1 mm以內(nèi)。此外，整體高度控制在 150mm 范圍內(nèi)。

其次，上述搭建的簡易模型上表面跨中應(yīng)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(zhǔn)備了502膠，砂紙、美工刀、鋼尺和鉛筆等。

2.2 加載試驗(yàn)方式

如開篇?dú)w納總結(jié)，靜定狀態(tài)下，即靜加載——模型結(jié)構(gòu)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(diǎn)相連，將質(zhì)量為3kg實(shí)心鋼球拉升至一定角度標(biāo)高，后突然釋放。

實(shí)際操作中，為了最大限度增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的可參考性，所以整個過程嚴(yán)格遵照圖紙設(shè)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(diào)整。針對結(jié)構(gòu)跨度大、距離長這種事實(shí)情況，為了盡量規(guī)避結(jié)構(gòu)的剪切力的影響，所以構(gòu)件采用L型或者T型，決定大量使用拉條，在承壓大的構(gòu)件中采用管狀的制作方式。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

切割所需長度的木條。

粘接組合成結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)質(zhì)量：131g 。

靜加載試驗(yàn)——將模型居中放置在加載臺座上并側(cè)向固定，模型結(jié)構(gòu)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(yàn)——保持豎向50N靜力荷載不變，將拉索與模型下部跨中加載點(diǎn)相連，將質(zhì)量為3kg實(shí)心鋼球拉升至一定角度標(biāo)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(gòu)件的斷裂，撕裂、脫膠，結(jié)構(gòu)垮塌。

關(guān)于結(jié)構(gòu)受力的計算，如下：

由于結(jié)構(gòu)對稱，只需算一半，求個桿件的軸力（設(shè)—為壓力+為拉力）。

已知，150/290 *Nab+25=0

Nab= —48.3N

270/290 *Nab+Nac=0

Nac=50N

數(shù)據(jù)參考：桐木彈性模量5000MPa? 強(qiáng)度20MPa

所以，ab管狀構(gòu)件足夠承力? bc構(gòu)建多余

實(shí)際檢驗(yàn)分析如下：

切除構(gòu)件，靜加載試驗(yàn)。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(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計與大跨度結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析所設(shè)計的結(jié)構(gòu)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但是，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量過大，耗材過多，所以本研究選擇了桐木材料。盡管計算結(jié)果大體滿足實(shí)際要求，但由于結(jié)構(gòu)的做工不夠細(xì)致，粘接失誤導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不太對稱。

所以，為了做進(jìn)一步檢驗(yàn)，在原有理論架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對桁架結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)裝置條件下的大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)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(guān)于大跨度結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計情況，對其截面積并行設(shè)計。在固定的位置點(diǎn)上進(jìn)行拓?fù)浼敖孛娣e兩個變量的并行設(shè)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(diǎn)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(jié)構(gòu)有了重新的認(rèn)識，設(shè)計了新的結(jié)構(gòu)

受力分析：（設(shè)—為壓力，+為拉力）。所以，改進(jìn)點(diǎn)在于，增強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，圍繞著設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行考量。

在實(shí)際計算中，由于本次并未針對三角桁架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，但圍繞著前文描述與規(guī)律總結(jié)，基本可以得知。針對本大跨度結(jié)構(gòu)受力的計算。首先，根據(jù)已知的橫軸X（單位：mm），確定載荷。然后根據(jù)梁所受的力畫出剪力和彎矩圖。

3 結(jié)論與展望

通過本研究，再次加深認(rèn)識，即橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，很多情形下的主要原因就是橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yán)重超載，但倒塌原理與上述如出一轍，即整個結(jié)構(gòu)被瞬間破壞。此情形下的破壞性，遠(yuǎn)比一般的因年久強(qiáng)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(qiáng)度更看重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以，大跨度結(jié)構(gòu)憑借其剛度大、敏感性弱等優(yōu)點(diǎn)，被界內(nèi)廣泛應(yīng)用。正因如此，大跨度結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，所以實(shí)際設(shè)計與工程施工中，難點(diǎn)也體現(xiàn)于此。鑒于此，本研究立足國內(nèi)該領(lǐng)域的建設(shè)實(shí)際、技術(shù)流程，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作驗(yàn)證，有了一定的發(fā)現(xiàn)，即大跨度結(jié)構(gòu)跨度大，所以上部載荷也就越重。針對這一點(diǎn)，可以繼續(xù)參照圖3.4-3.8。桿件節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，所以才需要有效的面外作用力予以支撐。對此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計也是圍繞此展開，因而成為了整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的設(shè)計關(guān)鍵。界內(nèi)諸多研究表明，平面桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)集中分布兩大形式，分別是平面內(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題。例如將優(yōu)化算法的代碼真正實(shí)現(xiàn)，用于尋找已知限制條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。另外，我們將嘗試對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，對橋梁各結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入地力學(xué)分析，進(jìn)而尋找更加優(yōu)秀的解決方案。

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