斜拉桥模型试验设计

双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计大度桥梁的气动弹性模型在设计的过程中，不仅要满足与实物的相似度，而且还要还要满与整个桥梁的气动外形相似，这种设计的要求很多，这样就增加了整个桥梁气动模型设计的困难。

全桥气动弹性模型设计是大跨度桥梁风洞试验中的重要环节。

本文主要以双斜塔钢箱梁斜拉桥为例，详细介绍了在进行大跨度桥梁风洞试验中使，对于全桥气动弹性模型的设计过程、制作方法、安装和调试方法。

标签大跨度斜拉桥；风洞试验；气弹模型；设计；制造气动弹性模型的设计主要是为了进行桥梁风动试验，这个试验的目的就是能够保证在一定基础上桥梁的稳定性和桥梁的承载性。

这些试验都是在设计大跨度桥梁的时候才进行的，这样就要求我们了解斜拉桥的种类，分为双斜和单斜两种。

对于大跨度桥梁一般都是使用双斜塔的构造模式。

1.大跨度桥梁抗风性能的评估随着建筑业的发展，建筑说技术水平不断提高。

这样在对我国的桥梁建设有一定的影响，现在建设大跨度桥梁都具有轻巧、柔、阻力小等很多特点，这样就会使风能够影响整个桥梁的建设。

这样斜拉桥抗风性能评估成为大跨度桥梁设计的必要环节。

1.1抗风性评估办法整个大桥的抗风性能评估根据数据进行理论分析和根据全桥气动弹性模式的设计和试验。

这种应用风洞试验是目前最可靠评估的手段。

在很多种风洞试验的过程中，全桥气弹模型风洞试验可。

利用一些科技手段能够真实地模拟在自然风作用，对整个桥梁结构的风洞的作用和桥梁结构的主要模型之间的关系。

这种试验能够准确的判断整个桥梁的颤振、抖振、涡激振动及静风稳定性。

是一种最直接和最准确有效的方法。

这样评估大跨度桥梁，全桥气动弹性模型风洞试验是评估其抗风性能的主要手段。

用这种手段的主要原因就是影响整个桥梁的因素主要都是气动外形因素、结构动力抗风特性和自然风特性。

这样对于模型的设计就有一定的要求。

2.全桥气动模型设计办法在进行全桥气动模型的设计中必须同时具备两种要求，对于相对于桥梁的节段模型风洞试验要注意模拟状态下的频率和阻力。

斜拉桥的模型分析第一章建模综述1.1 Midas Civil 简介本次建模分析采用Midas Civil软件，Midas Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。

特别是针对桥梁结构，Midas Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。

1.2 斜拉桥简介斜拉桥是塔、拉索和加劲梁三种基本结构组成的缆索承重结构体系，桥形美观，且根据所选的索塔形式以及拉索的布置能够形成多种多样的结构形式，容易与周边环境融合，是符合环境设计理念的桥梁形式之一。

1.3 建模基本步骤（1)利用斜拉桥建模助手生成斜拉桥二维索塔模型, 并扩建为三维模型；（2)建立主梁横向系, 并生成索塔与桥墩上的主梁支座；（3)输入边界条件；（4)输入荷载及荷载条件；（5)利用未知荷载系数功能计算拉索初拉力；（6)施工阶段分析计算；桥梁基本数据输入Midas Civil基本参数输入荷载及荷载条件选取定义材料及截面特性参数值节点选取，生成单元，建立成桥阶段模型生成模型添加荷载进行分析计算图1桥梁模型建立流程图第二章斜拉桥模型基本参数选取2.1 斜拉桥基本数据表1 斜拉桥基本数据桥梁等级桥梁长度桥面宽度车道数桥梁形式一级420m 15.6m 双向两车道三跨连续斜拉桥图1 斜拉桥示意图2.2 斜拉桥材料特性值对斜拉桥不同部位材料参数基本信息进行选取。

本次模型分析主要选取拉索、桥梁主塔、桥梁索塔、主梁横系梁、索塔横梁、加劲梁等部位纳入分析体系。

选取材料的弹性模量、泊松比、容重等参数，如表2。

在材料对话框中输入如下参数。

表2斜拉桥材料信息参数项目弹性模量（tonf/m²)泊松比容重（tonf/m²)拉索 2.0×1070.3 7.85主梁 2.1×1070.3 7.85索塔 2.0×1050.17 2.5主梁横系梁 2.0×1070.3 7.85索塔横梁 2.0×1050.17 2.5加劲梁 2.0×1050.3 7.85·2.3 斜拉桥截面特性值在截面特性对话框下输入如下参数。

斜拉桥设计摘要：模型是建立在对斜拉桥造价预算基础上的一类数学建模问题。

模型的建立的初衷是对斜拉桥的设计提出合理美观的设计方案，且同时要尽量节省资金。

在对模型的建立与求解的过程之前先是对斜拉桥总体外观进行了设计，确定了水上的桥面长度与引桥的长度，以及引桥的支撑方式。

模型的建立与求解是建立在模型假设的条件基础上，模型假设的提出为解决实际问题提供了方便。

例如，索塔顶部的拉索部分并不是从同一节点引出，但假设同一节点之后更加方便简洁的有助于我们对斜拉桥的拉索的造价进行估算。

在模型中由于索塔个数不同对索塔造价和拉索造价的影响确定了多种方案，从各方案的造价进行比较，确定最佳方案。

关键词：外观假设节点最佳方案一、问题重述如果计划在抚河某处修建一座斜拉桥，斜拉桥示意图和建桥处河道的截面图已分别划出。

给出几项简化假设：（1）在桥面处，索塔造价是同样长度的水上桥面的2倍；（2）100米长斜拉索与10米长水上前面造价相当；（3）索塔造价与离桥面的距离平方成正比；斜拉索造价与其长度成正比；（4）如果有陆地上的引桥的桥面，造价是水上桥面的一半；1，请给出斜拉桥设计图，使其合理美观；2，估算斜拉桥的造价，尽量节省资金。

图1 斜拉桥河流截面图（单位m）二、模型假设1.假设斜拉桥的桥面是水平2.假设斜拉桥的拉索的最大张角是45°3.假设斜拉桥水面上每米的造价是5万元4.假设模型中计算的拉索的个数索塔个数为整数5.假设抚州地区的基岩深度为七米桩基深度为30米6.在抚河剖面上补考虑地形起伏影响基岩距地表都为7米7.斜拉索在索塔上的节点都为塔顶位置8.假设主跨与次跨的长度相同三、符号说明1．i索塔个数2.X∇索塔单边拉索的最大水平距离3.α每个索塔的单边拉索个数l第α个索拉索长度4.α5.t(1) 拉索的总长度6.s表示各部分的造价7.p表示各部分的价格8．H索塔的长度的总和9.W斜拉索桥的总造价四、模型的建立与求解4．1斜拉桥侧面设计图如下：对于索塔个数n 的不同可将拉索桥的图进行适当的改变，下图为索塔n=2时的斜拉桥侧面图4,2斜拉桥造价预算数学计算计算基础拉索的每米的造价：万元5.0510010)1(=⨯=p 索塔每米的造价：万元10)4(2)5(=⨯=p p陆地上引桥部分每米桥面的造价：万元.52)4(5.0)2(==p p引桥部分桥墩每米造价：万元10)5()3(==p p索塔个数i ：x2800i ∇=每个索塔的单边拉索个数:2*d x（拉索的相邻间距）∇=α三角形的余弦公式:︒-+=45cos 2)b (a 22cb c ）（第α个索拉索长度:︒-+=45cos d 22)2(l 22αααh d h ）（拉索的总长度：ααl *411∑==i i t ）（拉索的总造价：)1()1()1(P t s ⨯=引桥总造价：)2()(s(2)p l ⨯=引桥长度引桥支柱长度：25)()(+=桩基深度引桥支柱长度a h引桥支柱造价：)3()()3(p h s ⨯=引桥柱长度河上的桥面造价：)4(8004p s ⨯=）（当300120≤∇-≤X n ）（时， 如图竖直线位置：75'300)12(h X n =∇-索塔底部到防洪水位线的直线距离：12X)12(3'∇-=n h索塔长度：25X ')(+++∇=a h i h当500)12(300≤∇-≤X n 时 如图竖直线位置：索塔底部到防洪水位线的直线距离：h75'=索塔长度：+∇+hih=a(+X25)'当500≤X-n时2(∇)1300≤如图竖直线位置：75"300500)12(h X n =-∇-"h 的值为[]12500)12(3"-∇-=X n h索塔底部到防洪水位线的直线距离："75'h h -=索塔长度：25X ')(+++∇=a h i h则索塔长度函数表达式为：25X ')(+++∇=a h i h所有索塔的长度的总和：∑==、n 1i )(H i h索塔的总造价：)5()5(P H s ⨯= 斜拉索桥的总造价：∑==51)(i i s w4.3斜拉桥的造价预算结果对4.2中的公式用visualbasic 编程计算得到如下结果,计算的程序及程序界面见附录：由表知当索塔n=5时斜拉桥的造价最低，为17960.3万元。

Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2019, 8(2), 244-252Published Online March 2019 in Hans. /journal/hjcehttps:///10.12677/hjce.2019.82030Design and Fabrication of a ScaledCable-Stayed Bridge Demonstrative Modelfor SHM PurposeYe Xia1*, Xudong Jian1, Kun Qian2, Limin Sun1,31Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai2Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA3State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, ShanghaiReceived: Feb. 8th, 2019; accepted: Feb. 26th, 2019; published: Mar. 5th, 2019AbstractThis paper summarized the design logic and fabrication process of a cable-stayed bridge structure model for bridge health monitoring, and the final design scheme is presented. Afterwards, key points and difficulty of fabrication were analyzed, which includes the production of main compo-nents, connection method, simulation of cable, and damage simulation method. Finally, the struc-tural properties of the model were tested by experiments, and the results were found to be in good agreement with the finite element model.KeywordsCable-Stayed Bridge, Structural Health Monitoring, Scaled Model, Design and Fabrication, Minpu Bridge斜拉桥健康监测演示试验模型的设计与制作夏烨1*，简旭东1，钱昆2，孙利民1,31同济大学桥梁工程系，上海2加州大学伯克利分校土木工程系，伯克利，加利福利亚，美国3同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海收稿日期：2019年2月8日；录用日期：2019年2月26日；发布日期：2019年3月5日*通讯作者。

桥梁博士斜拉桥建模实例我们拟定建立以下模型，见下图：参数说明：桥面长度L1=100M，分100个桥面单元，每单元长度1M，桥塔长度L2=50M，分50个竖直单元，每单元长度1M，拉索单元共48个单元，左右对称，拉索桥面锚固端间隔为2 M，桥塔锚固端间隔为1M。

下面介绍具体建立模型的步骤：步骤一，建立桥面单元。

用快速编译器编辑1-100个桥面单元（具体过程略），参见下图：（注：在实际操作中桥面的截面形状可以自己拟定）步骤二：建立桥塔单元。

用快速编译器编辑101-150个桥塔单元（具体过程略），参见下图：（注：在实际操作中桥面的截面形状可以自己拟定，在分段方向的单选框内，一定要选择“竖直”，起点x=49，y=-20，终点x=49，y=30是定义桥塔的位置，这里我把它设在桥面中部，桥面下20米处，因为我做的桥塔截面为2m×2m的空心矩形，所以此处起点和终点x填49，请读者自己理解）步骤三：拉索的建立。

A、先编辑桥塔左边部分24跟拉索单元。

点击快速编译器的“拉索”按钮，在拉索对话框内的编辑内容复选框选择编辑节点号勾上，编辑单元号：151-174，左节点号：1-48/2；右节点号：152-129；（注意：左节点1-48/2代表拉索在桥面的锚固点间距为2M），如下图：在快速编译器中选择“单元”按钮，在“单元”对话框内的复选框内把“截取坐标”勾上，编辑单元号：151-174，然后确定。

如下图：B、建立桥面右半部分的24跟拉索。

在快速编译器中选择“对称”按钮，在“对称”对话框中的编辑内容4个复选框都勾上。

模板单元组：151-174；生成单元组：198-175；左节点号：55-101/2；右节点号：129-152；对称轴x=50，然后确定。

见下图：这样，我们就建好了拉索单元的模型。

现在让我们来看一看整个模型的三维效果图：。

斜拉桥一、教学目标1.认识桥梁的拉力、压力及相互作用，了解桥的一些历史知识2.锻炼学生的动手能力和知识总结能力3.培养学生的观察、分析、总结的思维能力二、教学重难点教学重点：理解压力和拉力的知识教学难点：理解斜拉桥的实验原理三、教学准备教师用学生用/每组备注器材斜拉桥套件、弹簧、剪刀斜拉桥套件、弹簧、剪刀试剂无无注：试剂和器材多备2组四、教学过程（一）回顾回顾上次课所学知识，（1-2个学生回答），教师总结（二）情境引入桥，大家应该都不陌生，那你见过有哪些种类的桥呢？桥一般在哪些地方会用到呢？学生思考回答。

桥主要是为了联通公路连通不了的地方，比如海、河、山或者现在交通中的高架桥、立交桥等。

桥的承受力和稳定性是最重要的，那大家知道建造师一般通过哪些方法来增加桥等稳定性吗？学生思考回答。

（增加桥墩、拱形桥）去年我们国家刚刚建造完成了一座超大规模的举世闻名的大桥，大家知道是什么桥吗？（港珠澳大桥）有没有哪位同学了解港珠澳大桥的？跟大家分享分享。

学生分享。

展示高珠澳大桥的图片，大家仔细观察，有没有发现这座伟大的桥跟之前我们看到的桥有哪些相同的地方和那些不同的地方？想一想这座跨度这么长建在海上的桥是利用什么来增加其稳定性的？学生观察回答。

（有桥墩、有绳索）这种用绳索来增加桥身的稳定性的桥就叫做斜拉桥，今天我们就要一起来探究斜拉桥的结构和特性。

（三）实验过程1.斜拉桥结构分解斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

斜拉桥比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。

斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。

2.拉力和压力验证在我们生活中存在很多的力，大家知道的有哪些力呢？学生思考回答，最常见的重力、摩擦力，当然也有拉力和压力等，桥在运营过程中想要保持足够的稳定，就要确保其受到的各方的力要达到平衡。

实例分析特大桥主塔节段模型试验斜拉桥钢筋混凝土主塔拉索锚固区是将索力安全传递到主塔的重要受力结构，是斜拉桥最关键的受力部位之一。

通过模型试验，可以确定预应力损失及张拉力和伸长量之间的关系，指导后续施工；在足尺模型中模拟实桥最不利工况下索力的最大水平分力，监测模型的应变应力情况，以验证拉索锚固区的安全性；且在地面进行塔柱的足尺模型试验，利于工人对施工工艺的理解，增加其熟练程度、加快施工进度、减小施工风险、保证施工质量，因此斜拉桥主塔拉索锚固区做足尺模型模型试验很有必要。

1 承德三纬路跨滦河特大桥工程主塔概述主塔分上塔柱、中塔柱、下塔柱，主塔桥面以上高为107.1m。

主塔顺桥向为A字型，横桥向夹角为82.334°，塔轴线顺桥向夹角为75°左右，中塔柱为两肢，采用薄壁箱形断面，为拉索锚固区。

根据拉索位置在主塔内设置19φj15.2U 形预应力钢铰线，其中主跨侧共布置54束，边跨侧共布置39束。

桥梁立面图如图1所示：2 模型选取主跨Z4#拉索位于主塔上半部，此处构造较为复杂，环向预应力钢束、斜长的索管及劲性骨架都布置在箱形截面内，足尺模型选在此范围可以检验其施工工艺。

现选取Z4#拉索锚固点以下4.0m、以上0.6m、高度为4.6m的节段作为试验节段。

其中0～1.6m节段中除按设计图纸要求设置劲性骨架、绑扎钢筋外，张拉6束预应力钢绞线，1.6～4.6m节段，按设计图纸要求设置劲性骨架、绑扎钢筋、设置预应力孔道及Z4#索管，可不浇筑混凝土，仅做构造试验使用。

3 试验内容该足尺模型试验内容如下：（1）主塔试验段的普通钢筋、U形预应力钢绞线、环形箍筋、劲性骨架及索管空间位置施工可行性试验；（2）预应力钢绞线伸长量测定；（3）预应力钢绞线与管道壁间摩阻引起的预应力损失测定；（4）模型测点的应力应变测定；（5）主塔钢筋绑扎预偏值测定。

4 试验实施及结果4.1 U形预应力钢绞线伸长量试验4.1.1 钢束张拉控制值。

第15卷第1期1999年3月长 沙 交 通 学 院 学 报JOURNAL OF CHANGSHA COMMUNICATIONS UNIVERSITYV ol.15No.1M ar. 1999文章编号:1000-9779(1999)01-0050-05岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥全桥静动力模型设计颜东煌,田仲初,陈常松,李亚非(长沙交通学院路桥工程系,湖南长沙 410076)摘 要:介绍了岳阳洞庭湖大桥三塔双索面PC斜拉桥全桥静动力模型的设计方法。

提出了刚度相似的方法,有效地解决了模型与实型各部分结构弹性模量相似比不一致的模型设计问题。

关键词:三塔斜拉桥;静动力;模型设计中图分类号:U448.27 文献标识码:A岳阳洞庭湖大桥主桥为130+2!310+130m三塔双索面PC斜拉桥[1,2](图1),为了满足美观的要求,该桥并没有采取空间刚性塔、塔顶对拉索或边跨辅助墩等措施来提高整体结构的刚度,因此,设计上有不少大胆的创新。

为了检验设计计算的正确性,全面探讨三塔斜拉桥结构的整体性能,进行全桥模型试验是很有意义的。

图1 桥型布置图模型缩尺比为30∀1,主梁和塔采用铸铝合金,拉索用高强弹簧钢丝(图2)。

试验内容包括静力和动力两大部分。

静力部分包括施工过程的模拟、成桥状态下位移、内力、应力等各种工况的最不利加载试验以及最大悬臂状态下的稳定试验;动力部分主要测试结构的自振频率、振型和阻尼比。

收稿日期:1998-09-23基金项目: 洞庭湖大桥主桥模型试验研究及理论分析课题的成果之一作者简介:颜东煌(1961#),男,湖南大学在读博士,长沙交通学院副教授.图2 岳阳洞庭湖大桥试验模型1 相似分析对于模型试验,确定模型与实型的相似关系是很重要的,这些相似关系中包括几何尺寸、截面几何特性、材料特性、荷载、内力、应力、应变、位移以及支承条件等物理量,分静力相似和动力相似[3]。

对于全几何相似的静力模型,有如下相似条件: x = y = z = ; q = E ; P = E 2; M = E 3;= E / ; =1; != ; ∀= E ; #=1; ∃=1(1)式中:x 、y 、z 为荷载作用位置;q 、P 、M 为线荷载、集中力和集中弯矩; 、 、E 为材料容重、泊松比和弹性模量;∀、#、!、∃为应力、应变、线位移和角位移; 为几何相似比,即模型尺寸与实型尺寸的比值; x 、 q 、 等为x 、q 、 等物理量模型值与实型值的比值。

大跨度斜拉桥实验室健康监测模型设计与分析1周林仁1，杨鸥2，欧进萍1, 2, 31.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳 (518055)2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 (150090)3.大连理工大学，辽宁大连 (116024)E-mail：hitsgszhou@摘要：本文建立山东滨州黄河公路大桥的实验室监测模型，主要包括实验室缩尺模型、加载系统、传感器系统以及数据采集系统。

采用刚度等效准则设计缩尺模型，为了验证模型设计的正确性，利用ANSYS有限元软件，分别建立了滨州桥和该桥实验室缩尺模型的有限元模型，两有限元模型静、动力特性分析结果及实测数据之间进行对比分析。

推导并给出大型结构模型在不同附加质量下的模态相似关系，利用有限元分析缩尺模型不同配重下的动力特性，其结果表明模型试验中10％～50％配重方案切实可行。

对实验室缩尺模型的附加质量和斜拉索进行简化，有限元静、动力特性分析结果表明简化模型与实桥满足相似关系，说明该简化方法在斜拉桥模型试验中行之有效，对其它大型模型试验具有一定的参考价值。

关键词：斜拉桥，监测模型设计，模态相似，简化模型，有限元分析中图分类号：TU317.11．引言随着近代科技术的发展及新材料的应用，桥梁正向大跨度、轻柔方向发展。

桥梁结构服役时间长，服役环境恶劣，材料老化，长期荷载等因素综合作用在桥梁结构上，引起结构损伤，这些损伤长年累月的积累，使得结构抗力衰减，安全性能及抵抗自然灾害的能力下降，导致结构不能正常工作或在极端情况下发生灾难性的破坏。

为了确保结构使用安全，实时了解结构的工作状况和安全性能十分必要。

在桥梁结构上安装健康监测系统，通过采集桥梁关键构件和关键部位的相关数据，如位移，应力，应变，裂缝开展，索力的变化及结构动力特性参数等，来识别桥梁的损伤位置和严重程度，分析和评定结构的工作状况，安全性能等，为桥梁的运营，修复和加固提出建议。

国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。