琴桥模型试验研究
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摘要
琴桥是一座融观赏性和实用性于一体的钢—混凝土混合梁弯塔斜拉桥设计方案，它造型新颖，结构形式独特，倍受人们的青睐。由于其结构受力复杂，在设计过程中遇到了很多问题亟待解决，比如：整体静力分析，动力特性，桥塔、塔上拉索锚固区、塔梁结合区部位的应力分布情况及其变化规律。这些仅仅依靠有限元计算难以有足够的说服力，需要利用模型试验的方法来检验。
针对以上需要解决的问题，应设计单位和业主单位的要求，我们对该设计方案进行了系统的模型试验：制作了琴桥有机玻璃模型，进行了整体模型试验(包括静载试验、动力试验)，也进行了局部模型光弹试验。具体工作如下：
首先根据琴桥的结构特点，在相似理论的基础上，制作了有机玻璃整体模型。在模型设计时根据刚度相似的原理，按照面积、惯性矩等效的原则将钢箱梁折算成混凝土材料来做。为了满足动力相似条件(质量分布相似)，对主梁和桥塔进行了配重。
对整体模型进行了静载试验。在保证有适当的静力响应输出的条件下，确定了静力加载工况。并将各种工况下控制截面的应力、挠度值与相应的理论计算值进行了比较。由对比结果看到：试验值与理论值符合的比较好，证明理论计算是比较准确的，同时也说明整体模型符合静力相似条件，可以进一步进行以后的动力模型试验。
进行了动力试验，即采用试验模态分析的方法求得该桥的固有频率、模态阻尼和振型等振动模态参数。对整体模型输入白噪声激励，通过对传递函数的分析，得到模型的模态参数；并将试验结果与理论计算结果进行了对比，两者基本一致。根据该桥的特点，分析了产生这些振型的原因。
对桥塔和塔梁结合区分别进行了平面光弹模型试验和三维冻结试验，利用光弹应力分析的方法对其进行了应力变化规律的研究。为优化设计和调整数值计算提供了有价值的依据。
以上的工作为指导设计提供了有价值的依据。
Qin Bridge, combined with appreciation and practicability, has enjoyed favour among people because of its graceful shape. It is a steel-concrete hybrid beam cable stayed bridge, with curve tower and single back stay cable. Qin Bridge also is complex in design due to its special shape and frame, so many problems need to be settled, such as static analysis, dynamic property, stress distribution of tower, its anchorage zone and bonding pad's, and so on. It is necessary not only to analyze the structure by FEM but also to do a model test to examine.
In order to solve these problems, a systematic model test is done. This test has three main parts: making the whole model, doing the static test and dynamic test of the whole model, doing local photoelasticity experimentation.
First, based on similar theory and Qin Bridge's characters, the whole model is made. As the model is designed, the steel box beam is equivalent to concrete beam according to area and moment of inertia. In order to meet the demand of dynamical experimentation, balance weight is done on tower and beam.
Static test is done to the whole model. The loading behaviour is determined under the condition of ensuring the load test efficiency. According to the results of comparison between the testing value and the theoretical value at the control section, the theoretical analysis is exact, and the whole model accords with similar qualification. Thus, we can go on the dynamic test.
In dynamic test, the main aim is acquiring Qin Bridge's dynamic character such as natural vibration frequencies, mode damp, oscillating modes. White noise power is used to motivate the model. By the analysis with transfer function, mode parameter is got. The results from test tally with the ones from theory.
Photoelasticity experimentation is done on the tower and the bounding pad of tower and beam. Making use of photoelasticity stress analysis method, the stress distribution is explored. It is valuable to optimize the design and adjust calculation.
Above work offers favorable gist for design scheme.
针对以上需要解决的问题，应设计单位和业主单位的要求，我们对该设计方案进行了系统的模型试验：制作了琴桥有机玻璃模型，进行了整体模型试验(包括静载试验、动力试验)，也进行了局部模型光弹试验。具体工作如下：
首先根据琴桥的结构特点，在相似理论的基础上，制作了有机玻璃整体模型。在模型设计时根据刚度相似的原理，按照面积、惯性矩等效的原则将钢箱梁折算成混凝土材料来做。为了满足动力相似条件(质量分布相似)，对主梁和桥塔进行了配重。
对整体模型进行了静载试验。在保证有适当的静力响应输出的条件下，确定了静力加载工况。并将各种工况下控制截面的应力、挠度值与相应的理论计算值进行了比较。由对比结果看到：试验值与理论值符合的比较好，证明理论计算是比较准确的，同时也说明整体模型符合静力相似条件，可以进一步进行以后的动力模型试验。
进行了动力试验，即采用试验模态分析的方法求得该桥的固有频率、模态阻尼和振型等振动模态参数。对整体模型输入白噪声激励，通过对传递函数的分析，得到模型的模态参数；并将试验结果与理论计算结果进行了对比，两者基本一致。根据该桥的特点，分析了产生这些振型的原因。
对桥塔和塔梁结合区分别进行了平面光弹模型试验和三维冻结试验，利用光弹应力分析的方法对其进行了应力变化规律的研究。为优化设计和调整数值计算提供了有价值的依据。
以上的工作为指导设计提供了有价值的依据。
Qin Bridge, combined with appreciation and practicability, has enjoyed favour among people because of its graceful shape. It is a steel-concrete hybrid beam cable stayed bridge, with curve tower and single back stay cable. Qin Bridge also is complex in design due to its special shape and frame, so many problems need to be settled, such as static analysis, dynamic property, stress distribution of tower, its anchorage zone and bonding pad's, and so on. It is necessary not only to analyze the structure by FEM but also to do a model test to examine.
In order to solve these problems, a systematic model test is done. This test has three main parts: making the whole model, doing the static test and dynamic test of the whole model, doing local photoelasticity experimentation.
First, based on similar theory and Qin Bridge's characters, the whole model is made. As the model is designed, the steel box beam is equivalent to concrete beam according to area and moment of inertia. In order to meet the demand of dynamical experimentation, balance weight is done on tower and beam.
Static test is done to the whole model. The loading behaviour is determined under the condition of ensuring the load test efficiency. According to the results of comparison between the testing value and the theoretical value at the control section, the theoretical analysis is exact, and the whole model accords with similar qualification. Thus, we can go on the dynamic test.
In dynamic test, the main aim is acquiring Qin Bridge's dynamic character such as natural vibration frequencies, mode damp, oscillating modes. White noise power is used to motivate the model. By the analysis with transfer function, mode parameter is got. The results from test tally with the ones from theory.
Photoelasticity experimentation is done on the tower and the bounding pad of tower and beam. Making use of photoelasticity stress analysis method, the stress distribution is explored. It is valuable to optimize the design and adjust calculation.
Above work offers favorable gist for design scheme.
引文
[1] 姚振纲，刘祖华．建筑结构试验．上海：同济大学出版社，1996
[2] 章关永．桥梁结构试验．北京：人民交通出版社，2001
[3] 罗文泉，叶霜．模型试验的相似方法．工业加热，1999．1，17(19)：17-19
[4] 谷音，郑振．白塔大桥模型实验分析．福州大学学报(自然科学版)，2000．10，28(5)：72-76
[5] 房贞政，郭金琼．变截面连续箱梁模型试验研究．中国公路学报，1995．4，8(1)：59-63
[6] (日)江一守郎．模型实验的理论和应用．北京：科学出版社，1984
[7] 马永欣，郑山锁．结构试验．北京：科学出版社，2001
[8] 杨德．试验设计与分析．北京：中国农业出版社，2002
[9] G．M萨布尼斯，H．G．哈里斯，R．N．怀特，M．萨德．米而扎著，朱世杰，何保康，钱国芳，傅恒菁等译．结构模型和试验技术．第一版．北京：中国铁道出版社，1986，17-33
[10] 湖南大学，太原工学院，福州大学．建筑结构试验．北京：中国建筑工业出版社，1982
[11] (日)奥野忠一，芳贺敏郎，牛长山，张永照．试验设计方法．北京：机械工业出版社，1985
[12] 陈魁．试验设计与分析．北京：清华大学出版社，1996．8
[13] 张宝胜．三塔斜拉桥静力性能研究．长安大学学位论文，2001
[14] 王娴明．建筑结构试验．北京：清华大学出版社，1988，104-108
[15] 刘自明．桥梁结构模型试验研究．桥梁建设，1999，04：1-12
[16] 李廉锟．结构力学(下册)．北京：高等教育出版社，1996，61-105
[17] 李乔，贺志功，单德山．南昆线板其二号大桥有机玻璃模型试验．桥梁建设，1996．2，35-41
[18] 吴森．结构试验基础．北京：航空工业出版社，1992
[19] 宋一凡．公路桥梁荷载试验与结构评定．北京：人民交通出版社，2001，6-11
[20] 迟经斌．56m跨度PC箱形简支梁静动载试验及分析．铁道建筑技术，2000，5：16-21
[21] 刘世忠．大跨度预应力斜腿刚构桥的整体模型试验．兰州铁道学院学报，1995．12，14(4)：21-26
[22] 孙传洲．曲线斜拉桥的实桥试验、模型试验及结构分析．国外桥梁，2001．1，15(5)：15-23
[23] 李德寅，王邦楣，林亚超．结构模型试验．北京：科学出版社，1996
[24] 杨景义，王信义．试验模态分析．北京：北京理工大学出版社，1990
[25] 范立础．桥梁抗震．上海：同济大学出版社，1997
[26] 张令弥，刘福强．大跨径斜拉桥相似模型结构动态特性试验的分离模态法．振动、测试与诊断，1999，19(6)：128-132
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[29] 曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析．天津：天津大学出版社，2001
[30] 戴诗亮．随机振动实验技术．北京：清华大学出版社，1984
[31] 俞载道，曹国敖．随机振动理论及其应用．同济大学出版社，1988
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