桥梁模型试验

关于桥梁的模型试验的分析
摘要:桥梁模型试验是科技工作者来分析复杂桥梁结构受力分析的重要手段，一般而言，桥梁模型试验一是验证设计理论；另一是确定复杂结构细节的受力状态。

本文通过对模型分析中和基本问题加以阐述，以为了我们对模型试验有一个基本的了解，便于使模型试验设计得合理，从而得到我们预期的效果。

关健词：桥梁，模型试验，基本问题
一、引言
随着桥梁建设的不断发展，结构的形式与功能日趋复杂，对现在工程的质量和寿命越来越重视。

我国是一个发展中的国家，经济还不发达，当然希望一项工程能长久使用。

因此如代何充分发挥结构的潜力、产生更大的经济效益尤为重要。

在国内的桥梁工程中，存在着不容忽视的质量问题，使人们对结构的检测、监测和相应的试验有了一个新的认识，目前结构的质量的评定、运营期的工作状况检测与试验研究，正在一步一步发发展起来，这项工作正不为工程结构寿命的延长、效益的进一步发挥提供技术的可靠保障。

工程结构检测也已在各个领域里得到广泛的
应用。

然而，在现在生活中的绝大多数情况下，不可能用实际的建筑物当试验对象，进行直到破坏阶段的荷载试验，特殊的工程结构物，就更不允许进行有可能造成结构损伤和试验。

应该说没有人会为了弄清一座高大建筑物或异形大桥、大坝的受力状态，而去花同样多的时间和金钱去修建一座专供试验用
的同样的结构物。

这时结构模型试验分析的优点就显示出来，特别是对于造价大，工期长的建筑物、构筑物，可以给出直观可靠的结果，而且比原武型本身的费用要少很多
二、结构模型试验
结构模型分析，就是以所要研究的实际桥梁为原型，运用模拟理论出各个有关物理量的缩小比例并按此比例做成结构模型；对结构测得的反应来推断原型在实际荷载作
用下的反应的一种方法。

赵煜老师做的一个汉中市西二环大桥全桥模型试验，采用1：20的比例，该模型是目前国内规模最大的全桥静动力试验模型。

结构模型的研究工作在桥梁工程中起着非常突出的作用，现在各个学校的桥梁试验室和科研机构很多都在做
模型试验。

结构模型的一般定义是：模型是一个结构或一部分结构的任何物理模拟。

最通常的情况模型将按缩小的比例制造。

自然，这个定义同样适用于任何材料制成的结构
模型。

而在模型试验中的定义为：一个结构模型是作试验用的，且在整理分析试验结果时，必须使用相似定律。

1.结构模型试验的意义
一般可以从五个方面加以说明结构模型
试验的意义：（1）模型试验作为一种研究手段，可以晋严格控制试验对象的主要参数，不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确（2）模型试验有利于在复杂的试验过
程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象在内的联系，并且有时可用来对原型所得的结论进行校验（3）由于模型与原型相比，尺
寸一般都是按比例缩小的（只在少数特殊情况下按比例放大。

例如模拟合成材料纤维的应力情况等），因此制造容易、装拆方便、
试验人员久较之实物试验，节省资金、人力和时间（4）模型试验能预测尚未建造出来
的实物对象或根本不能进行直接研究的实
物对象的性能，有时则用于探索一此未尽了解的现象或结构的基本性能或其极限值（5）当其他各种分析方法不可能采用时，模型试验就成了现象相似性问题唯一的和最为重
要的研究手段。

2.模型试验的特点
结构的模型试与原形结构的试验相比较，具有下述特点：（1）经济性好，由于结构模
型的几何尺寸一般比原型小很多，因此模型的制作容易，装拆方便，节省材料、劳力的时间，并且同一个模型可进行多个不同目的试验（2）针对性强，加强模型试验可以根
据试验的目的，突出主要因素，简略次要因素。

这对于结构性能的研究，新型结构的设计，结构理论的验证和推动新的计算理论的发展都具有一定的意义（3）数据准确，由
于试验模型小，一般可在试验环境条件较好的室内进行试，因此可以严格控制其主要参数，避免许多外界因素的打扰，保证了试验结果的准确度。

总之，结构模型试的意义不仅可以确定
结构的工作性能和验证有限的结构理论，而且可使人们从结构性能有限理论知识中解
放出来，将其应用于大量实际结构有待探索的领域中去。

但模型试验的不足之处在于它必须建立在合理的相似的条件基础上，因此，它的发展必须依赖相似理论的不断完善与
进步。

3．模型试验的应用
工程结构模型试验归纳起来，主要应用于以下几个方面：低替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。

许多受力复杂，体积较大的构件或结构物，往往很难进行实物试验。

这是因为现场试验条件复杂，试验荷载维以实现，室内足尺试验又受经济能力和室内的空间限制，所以常用模型试验代替。

对于某些重要的复杂结构，模型试验则作为实际结构试验的辅助试验。

在实际结构试验之前先通过模型试验获得必要的参考数据，以指导实际结构试验工作顺利进行。

作为结构分析计算的辅助手段。

当设计
较复杂的结构时，理论计算存在着一定的局限性，往往是通过模型试验做结构分析，弥补设计上存在的不足，核算设计计算方法的适用性。

验证和发展结构计算理论。

新的设计计算理论和方法的提出，能常需要一定的结构来验证，由于模型试验具有较强的针对性，故而得到广泛的应用。

模型试一般包括模型设计、模型测试和模型分析等几个方面，其中，模型设计最为重要。

4．模型试验理论基础
模型试验理论是以相似原理和量纲分析为基础，以确定模型设计中必须遵循的相似准则为目标。

模型的相似要求和相似常数。

这里所讲的相似是指模型物理现象相似，是指除了几何相似之外，在进行物理过程的整个系统中，在相应的时刻第一过程和第二过程相应的物理量之间的比例应保持常数。

5．结构模型的分类
在桥梁结构模型有以下几种：（1）弹性
模型（2）强度模型（3）动力模型（4）温
度模型（5）光弹模型
6．模型试验的目的
一般而言, 模型试验研究的目的有两点。

一是验证设计理论；另一是确定复杂结构细节的受力状态。

桥梁结构多数是高次超静定结构或三维弹性体，除非进行理论研究，
设计计算多数采用简化方法。

不同结构有不同的简化方法。

通常情况是首先把空间问题简化为平面问题，然后再对平面问题进行
简化计算。

如悬索桥和斜拉桥均采用单索面代替双索面进行分析，甚至不考虑荷载的横向布置、剪滞效应、加劲梁全截面参加工作等。

内力计算方法亦有简化分析方法可循。

尽管计算机技术已十分先进，有些仿真计
算软件已可做到内力(应力)、变形可视化的程度，但对某些复杂的结构构造细节仍无法通过计算机很好地模拟出受力状态。

比如，材料性能不均匀(尤其以混凝土材料为甚)、复杂而庞大的构造细节等均因难以建立有效、合理的数学模型而通过计算机求解。

模型试验虽是一门古老的技术，但从上述分
析看,仍可在桥梁结构工程技术发展和进步
方面起到不可替代的作用。

模型试验可以验证设计计算方法的有效性和正确性，又可
直观地给出复杂细节的受力状态。

计算机不能替代模型试验研究，二者紧密结合才可为桥梁技术的发展带来更大辉煌。

7．设计模型注意的一些问题
(1)模型设计的程序
模型设计一般应遵循以下程序: ①根
据委托方要求、研究目的, 选择模型类型;
②根据原型规模及加载能力和经济等各种
因素确定几何相似常数CL , 定出模型的几
何尺寸; ③根据相似条件定出各相似常数;
④绘模型加工、测点布置及载荷布置图。

(2)模拟关系的调整
在模型设计中应特别注意, 对于薄壁结构, 尤其象钢结构的有些构件, 壁厚很小, 按比例减小则更薄, 甚至薄到无法加工。

因此, 如果这类杆件主要是受拉、压作用, 如主桁腹杆等, 可考虑用模型和实型面积成
比例的原则来设计, 这就可自由选择模型
板厚, 使之满足加工要求。

如是受弯杆件, 则杆件应力仅与截面惯性矩有关。

因此, 只要保持杆件的模型和原型各部分的惯性矩
相似就可以。

8．模型试验的优点与缺点
模型分析最大的优点就是节约资金与人力，可以按原型的比例选择合适的缩小比例，可以很灵活的选用。

同时有几个方面应加以注意。

为了减少材料用量及荷载值，模型应力要求小些。

但过于细小的模型，常因制作精度的原因反而增大成本，同时模型过于细小会带来加载与测量上的种种不便函，而使试验精度下降。

所以必须综合考虑制作、加载、测量，采集等各个环节的要求来决定模型的制作比例。

有些量在模型化过程中的缩小，会导致模型的受力状态与原型的受力状态之间不一致。

也就是说不存在一个能百分之百模拟原型的结构模型。

最明显的是结构物的自重和自重应力的关系。

当用与原型材料相同的材料制作模型时，其体积将按线尺寸缩小比例的立方缩小，同时，结构的断面面积则按该比例的平方缩小。

因此，自重在模型内产生的应力要小于原型内的自重应力。

在实际的模型化过程中，如要保持模型与原型与原型的自重应力一致，就必须采用一种比重比原型材料大若干倍的材料来制
作模型，才能使模型与原型的自重应力相等。

但是这样做了以后，会发现很难。

同时做到保持这两种材料的其它特性，如弹性模量、泊松比、强度、屈服极限、极限延伸率参量仍然相协调，从而会产生更大的矛盾。

模型分析本身也存在技术上的精度问题。

从材料性质、加工制作、加载过程，测量及数据的采集等各个方面，都存在产生误差的根源。

即使采用完全相同的材料，当试件尺寸减小时，其单位强度也有可能上升。

这就是常说的体积效应。

还有很多这样的因素，都很难在模型分析过程中完全消除，这就要求我们不断寻求一些更行之有效的方法来克服这
些不利的方面，使模型试验达到我们期望的效果。

三、总结
桥梁模型试验的确定和设计，是对结构的一次再分析过程，目的在于准确的反映原型的工作性能。

但对于复杂的体形的众多杆件的大型空间结构还是很难实现的。

所以，设计出准确合理的模型是我们面临的主要问题。

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