斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置及其试验方法

本发明涉及桥梁结构设备技术领域，具体涉及到一种斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置及其试验方法。

背景技术：

在索梁锚固结构的研究工作中，综合考虑试验场地、试验设备、可操作度和成本等要求，索梁锚固结构缩尺试验成了一种主流趋势。而要进行索梁锚固结构缩尺试验研究，就必须要有一套模型试验加载系统。索梁锚固结构在工程中主要分为四类：锚箱式、耳板式、锚管式和锚拉板式。目前国内锚箱式索梁锚固结构皆以单拉索钢锚箱为主，即一个钢锚箱仅一个导索管，这个导索管仅通过一块锚垫板锚固一根斜拉索。针对这种传统的单拉索钢锚箱索梁锚固结构，其模型试验则有两种方式：一是取索梁锚固区处的部分结构作为试件，将模型试件按照原拉索方向竖起，下端焊接在底座上，用液压千斤顶沿索梁锚固结构的原拉索方向直接施加推力来模拟斜拉索索力，如上海长江大桥索梁锚固模型试验；二是将索梁锚固区的梁体简化为工形梁或箱梁，在梁端焊接竖向立柱和设置斜支撑作为反力架，搭配反力墙，用千斤顶张拉模拟拉索实现加载，如苏通长江大桥索梁锚固区试验。两种方式皆通过千斤顶实现单一拉索的模拟。

现对于一种双拉索钢锚箱，即一个钢锚箱有两个导索管，这两个导索管通过两块锚垫板锚固两根斜拉索，此型式大幅度提升了索力效率，这种结构适合于大宽度大跨度的公铁同层斜拉桥，如宜宾临港公铁两用长江大桥。若继续采用传统的千斤顶模拟斜拉索索力实现加载，由于第一种方法的千斤顶直接作用于加载底座和千斤顶分配梁之间，千斤顶的推力由千斤顶分配梁传递给锚箱，而大量程的索力又需多个千斤顶同时作用于千斤顶分配梁，此时则会出现加载力分布不均匀的情况；第二种方法则侧重于斜拉索线形的模拟，在千斤顶的直接张拉下，此时的斜支撑反力架与模型试件极易发生扭转。故而传统的加载方式会使得模拟出的索力与实桥索力差距较大，且其建模耗时长、成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置及其试验方法，适用于双拉索钢锚箱的模型试验研究，可避免传统的千斤顶模拟张力时出现诸如加载力模拟不到位、试验过程易出纰漏等多种外在因素引起的试验结果准确性不高的问题，同时具有建模耗时短、试验成本低的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置，包括设于电液伺服作动器下方的钢箱梁段、固定于所述钢箱梁段内的锚固机构、用于固定所述钢箱梁段的锚固装置；所述锚固机构具有两块锚垫板，可同时固定两根斜拉索；所述锚垫板垂直所述电液伺服作动器的加载方向设置；所述电液伺服作动器的横梁与所述锚垫板之间设有传力钢架。

作为上述方案的进一步技术方案，所述锚固装置包括底座板、大三角支撑板和小三角支撑板；所述底座板固定设置，所述大三角支撑板固定连接于所述钢箱梁段的顶板和所述底座板之间，所述小三角支撑板所述固定连接于所述钢箱梁段的腹板和所述底座板之间。

作为上述方案的进一步技术方案，所述大三角支撑板并排设置多个，相邻的大三角支撑板之间固定连接有连接板。

作为上述方案的进一步技术方案，所述传力钢架、钢箱梁段、锚固机构和锚固装置均为钢结构。

作为上述方案的进一步技术方案，所述电液伺服作动器为电液伺服长柱压力试验机。

所述的斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置的试验方法，包括如下步骤：

确定实际桥梁的索梁锚固结构的最大索力f0；

确定实际桥梁的索梁锚固结构的实际尺寸与缩尺模型的几何尺寸相似系数λ1，由此得出实际桥梁的索梁锚固结构的实际尺寸与缩尺模型的荷载相似系数λp＝λ1²，故而得出缩尺模型的设计荷载为f1＝f0/λp；

以电液伺服长柱压力试验机作为电液伺服作动器以加载压力，重复至少2次预加载并卸载后，进行正式单调静力加载，具体为：

预加载并卸载：采用设计荷载f1的50％进行分级预加载并分级卸载，重复至少2次；

正式单调静力加载：在0～f1区间，分级加载压力；在f1～屈服荷载区间，分级加载压力至屈服荷载；且在f1～屈服荷载区间的分级加载压力小于在0～f1区间的分级加载压力；

预加载和正式单调静力加载中，每级荷载加载后稳载一定时间，再进行读数，同时观察试件的变形、开裂情况。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明通过电液伺服作动器搭配传力钢架来模拟索力，将缩尺试验模型倒放使得钢箱梁段的加载面向上，并设计相应的锚固机构，使得加载过程得以实现，从而减小模拟索力与实桥索力的差距。这种加载装置的设计更适合于双拉索钢锚箱的模型试验研究，它的结构设计合理，操作方法相较于传统方式更为简便，避免了诸如加载力模拟不到位、试验过程易出纰漏等多种外在因素引起的试验结果准确性不高的问题，同时具有建模耗时短、试验成本低的优点。本发明可应用在电液伺服作动器上模拟斜拉索索力以研究双拉索钢锚箱索梁锚固结构的静力行为和疲劳性能评估。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中传力钢架的结构示意图。

图3为本发明中钢箱梁段的结构示意图。

图4为本发明中锚固机构的结构示意图。

图5为本发明中锚固装置的立体结构示意图。

图6为本发明中锚固装置的俯视结构示意图。

图中各标号的释义为：电液伺服作动器的横梁1，传力钢架2，钢箱梁段3，锚固机构4，螺栓5，锚固装置6，底板301，腹板302，顶板303，锚垫板401，底座板601，大三角支撑板602，连接板603，小三角支撑板604。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以便对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的了解。

显然，对这些实施例的说明是示意性的，并不构成对本发明的具体限定，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明所述的斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置包括电液伺服作动器、传力钢架2、钢箱梁段3、锚固机构4和锚固装置6。

所述锚固机构4与所述钢箱梁段3的腹板302焊接在一起形成一个索梁锚固梁段的缩尺试验模型。所述钢箱梁段3的下部与所述锚固装置6焊接到一起，所述锚固装置6则通过螺栓5固定到试验场地。所述锚固机构4的顶部具有两块锚垫板401，可同时固定两根斜拉索。锚垫板401水平设置，所述电液伺服作动器的横梁1通过所述传力钢架2实现对所述锚垫板401的加载，所述电液伺服作动器的力的加载方向与所述锚垫板401垂直。

本发明与传统的千斤顶模拟张力不同，本发明通过电液伺服作动器搭配传力钢架2来模拟索力，将缩尺试验模型倒放使得钢箱梁段3的加载面向上，并设计相应的锚固机构4，使得加载过程得以实现，从而减小模拟索力与实桥索力的差距。这种加载装置的设计更适合于双拉索钢锚箱的模型试验研究，它的结构设计合理，操作方法相较于传统方式更为简便，避免了诸如加载力模拟不到位、试验过程易出纰漏等多种外在因素引起的试验结果准确性不高的问题，同时具有建模耗时短、试验成本低的优点。本发明可应用在电液伺服作动器上模拟斜拉索索力以研究双拉索钢锚箱索梁锚固结构的静力行为和疲劳性能评估。

基于相似原理，当缩尺试验模型的几何尺寸相似系数为λ1时，可得荷载相似系数λp＝λ1²，应力相似系数λσ＝λ1，应变相似系数λε＝λ1，角位移相似系数λψ＝λ1，线位移相似系数λδ＝λ1。故而在相似荷载作用下，缩尺试验得到的应力分布情况直接反映了实桥的应力水平，从而通过方案设计、理论分析，提出了一套由电液伺服作动器、传力钢架2、缩尺试验模型、锚固装置6组成的空间加载装置。

加载方案基于双拉索钢锚箱的理论锚固点(即图1中的p点)空间位置固定的原则，将其所承受的两根平行斜拉索拉力等效为分布荷载压力作用于两块锚垫板401上，将锚垫板401作为加载面，采用电液伺服作动器搭配传力钢架2和锚固装置6对缩尺试验模型进行空间加载，模拟实际加载效应。综合考虑试验场地和试验设备，选取了一个索梁锚固段、悬臂状态的梁段，其能很好地模拟实际桥梁的边界条件。

缩尺试验模型的下端为固定端，将固定端与锚固装置6焊接。缩尺试验模型的上端则为加载端，在锚垫板401与电液伺服作动器的横梁1之间设置与加载区域同平面尺寸的传力钢架2，然后启动电液伺服作动器，由电液伺服作动器的横梁1通过传力钢架2对缩尺试验模型进行加载动作。

所述锚固装置6包括底座板601、大三角支撑板602、连接板603和小三角支撑板604。底座板601水平设置，其上开设有通孔，用于螺栓5穿过，与试验场地固定。底座板601上靠近所述钢箱梁段3的顶板303的一侧焊接大三角支撑板602，大三角支撑板602与钢箱梁段3的顶板303焊接。大三角支撑板602并排设置多块，多块大三角支撑板602之间焊接多个连接板603以加强大三角支撑板602的刚度。底座板601上对应所述钢箱梁段3两侧的腹板302焊接小三角支撑板604，小三角支撑板604与钢箱梁段3的腹板302焊接。

斜拉索与桥面实际是有一个夹角的，这个夹角在实际选取的模型中表现为锚固机构4沿斜拉索的方向(即电液伺服作动器的加载方向)与钢箱梁段3的轴线方向之间的一个夹角α，为便于加载及让电液伺服作动器搭配的传力钢架2很好地模拟斜拉索索力，钢箱梁段3的选取必须保证锚垫板401的加载面与传力钢架2垂直，此时只需使得钢箱梁段3的固定端与钢箱梁段3的底板301之间的夹角β＝90—α。

通过锚固装置6的大三角支撑板602群来平衡电液伺服作动器与传力钢架2空间加载产生的竖向分力，同时避免缩尺试验模型的下部与底座板601脱离；通过锚固装置6的侧向小三角支撑板604群来限制缩尺试验模型的侧向位移，通过底座板601将加载反力有效传递至试验场地。整个锚固装置6使得缩尺试验模型在传力钢架2的顶推作用下处于自平衡状态。

本发明有着明确直接的受力机理，将由钢箱梁段3和锚固机构4焊接成的缩尺试验模型通过锚固装置6和螺栓5锚固在试验场地，此时索梁锚固结构的加载接触面(锚垫板401)与电液伺服作动器的加载方向垂直。由于整个缩尺试验模型已被锚固装置6约束，则传力钢架2直接将电液伺服作动器的荷载作用在锚固机构4。

对缩尺试验模型及加载反力系统的各部分构件、接触方式及边界条件进行非线性有限元分析。理论分析结果与试验实测结果比较表明：该加载装置受力明确，反力体系在2.5倍设计最大主缆力工况下仍处于弹性受力状态，具有足够的承载力且刚度满足要求，可安全有效地对缩尺试验模型进行加载。

本发明中所述缩尺试验模型的试验缩尺比例采用1:3。缩尺试验模型设计图纸采用宜宾临港长江大桥工程图纸，试验采用的模型构件均为钢结构，各板件之间的接触以焊接形式连接。

本实施例的加载方案为：实际桥梁的索梁锚固结构的最大索力为f0＝1500t，按缩尺比例进行换算，基于相似原理，当缩尺试验模型的几何尺寸相似系数为λ1时，可得荷载相似系数λp＝λ1²，本实施例缩尺比例1：3，即实际桥梁的索梁锚固结构的实际尺寸与缩尺模型的几何尺寸相似系数λ1＝3，可得实际桥梁的索梁锚固结构的实际尺寸与缩尺模型的荷载相似系数λp＝λ1²＝3²＝9，故而缩尺模型的设计荷载为f1＝f0/λp＝1500t/9≈167t。

本实施例采用两个荷载工况：预加载荷载采用1倍设计荷载——167t(工况ⅰ)，屈服荷载采用2.5倍设计荷载——420t(工况ⅱ)。本发明所述的斜拉桥索梁锚固结构缩尺试验模型加载装置的具体加载试验方法如下：

以10000kn电液伺服长柱压力试验机作为电液伺服作动器(型号：waw-j10000)以加载压力。重复至少2次(优选为2次)预加载并卸载后，进行正式单调静力加载。

预加载方法：采用设计荷载f1的50％(约840kn)进行预加载及卸载，重复至少2次(优选为2次)；具体加载及卸载操作为：先按100kn/级进行加载，直至900kn，然后按100kn/级进行卸载，以消除试件的非弹性变形。

正式单调静力加载具体步骤如下：

(1)0～工况ⅰ区间压力的加载：按200kn/级加载压力至1600kn，最后一步按70kn/级记载压力至设计荷载1670kn；

(2)工况ⅰ～工况ⅱ区间压力的加载：在1670kn～2000kn区间，按200kn/级加载压力至2000kn；在2000kn～4200kn区间，按100kn/级加载压力至屈服荷载4200kn，此区间极易出现屈服现象，故缩短此区间的加载增量级以便于观察试件外观变化及其荷载—位移曲线关系。

预加载和正式单调静力加载过程中，每级荷载加载后稳载10分钟，再进行读数，同时观察试件有无变形、开裂等异常情况。

为便于加载并保障试验结果的可靠性，筑模前先确定一个角度合适的含锚固机构4的钢箱梁段3，此钢箱梁段3倒放后应使得锚固机构4的的加载接触区域(两块锚垫板401)与电液伺服作动器的加载方向垂直。本实例中锚固机构4沿斜拉索的方向(即电液伺服作动器的加载方向)与钢箱梁段3的轴线方向之间的夹角α＝33.646°，此时只需设计钢箱梁段3的固定端与钢箱梁段3的底板301之间的夹角β＝90°－α＝90°－33.646°＝56.535°即可。缩尺试验模型选取一个索梁锚固段、悬臂状态的梁段，此时的钢箱梁段3的腹板302高度由设计图纸确定，钢箱梁段3的顶板303长度据横隔板间距确定，钢箱梁段3的底板301则通过β＝56.535°来确定其长度，此时的钢箱梁段3模型尺寸就是合适的试验尺寸。

再将锚固机构4与钢箱梁段3焊接形成一个缩尺试验模型。为进行稳定加载，将筑好的缩尺试验模型焊接到锚固装置6上并通过螺栓5与试验场地进行锚固。此时缩尺试验模型与锚固装置6组装完毕，接下来便是进行加载动作：

将传力钢架2准确置于锚固机构4的两块锚垫板401上，注意将传力钢架2与两块锚垫板401的外围尺寸完全对齐；再将组装完毕的模型推进电液伺服长柱压力试验机处，此时电液伺服长柱压力试验机的加载方向与锚固机构4的加载区域(锚垫板401)垂直，启动电液伺服长柱压力试验机按既定的加载方案进行加载动作。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之类。