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摘要:随着土木工程建设的不断发展,结构的形式与功能日趋复杂,人们对现代工程的质量和寿命越来越重视。我国目前仍是一个发展中国家,经济还不算发达,修筑一项工程理所当然地希望能长久使用。因此如何充分发挥结构的潜力、产生更大的经济效益尤为重要。
关键词:结构模型;土木工程;检测;分析
一、基本概念
结构模型是指一切以缩小比例(与全尺寸的原型相比)制成并用以作试验的,其试验结果必须以模拟理论来加以转换的结构构件或构件的组合体。按照模型分析的要求,设计、制作结构模型,配置相应的荷载及测量装置的过程,称为模型化过程。在模型化过程中,按照模拟要求进行改变的物理量,称为模拟量。
在科学上,以下三个关于模型的概念是比较明确的。
(l)数学模型是描述所研究现象的固有形状和单值条件的物理变量之间的数学关系式(通常是微分方程)。
(2)计算模型是建立在数学模型及其变换基础上的,可直接用于数值计算的代数方程组。
(3)物理模型是将所研究对象根据相似理论的原则按比例制成的物体或系统。而被研究的对象,则称为模型的“原型”。
模型试验是按一定的几何、物理关系,用模型代替原型进行测试研究,并将研究结果用于原型的试验方法。就结构工程而言,模型试验有以下的主要作用。
(l)对复杂的、尚未或难以建立准确数学模型的结构的力学行为进行研究,为设计或施工方案提供参考和依据,直接服务于工程目的。
(2)为建立新的理论或计算(数学)模型提供依据。
(3)检验新的理论或计算(数学)模型的正确性或实用性。在结构研究方面,通过模型分析可以帮助建立新的、特殊结构的数学模型。通过模型分析可以显示结构受力后的变化特征,使研究者抓住主要矛盾,提出合理的基本假定。建立合理的数学模型并进行数学分析。特别对于非完全弹性的结构体系、结构形式与尺寸超出常规的结构,各种异形的壳体、实体结构等,模型分析的作用是较大的。它不但是数学分析的出发点,而且也同时在终点与数学分析再次相遇,作为对数学分析结果进行控制性校验的有力手段。在工程设计方面,模型分析除作为独立的分析方法与数学分析相对比、相补充外,还用于确定持殊体型结构的风荷载分布,地震反应、港口构筑物的波浪冲力等等。特别对下面一些建筑物、构筑物,模型分析是常用的辅助分析手段:高层建筑、塔式结构、高耸构筑物及各种大跨度桥梁;形状特殊的壳体结构及壳体的组合;核动力结构,包括反应堆结构、核动力站的安全壳体结构等;具有复杂几何形状的结构板、块体及它们的组合;复杂体型的、曲线走向的桥梁;各种大坝;特殊防护结构,特殊用途(军事、科研等)设施的、承受特殊作用力的结构。
模型分析的测量与数据采集技术,还可用于对现存实际建筑物、结构物的评估。这时的测试对象,己不是缩小比例的模型,而是原型本身。在现实生活中常遇到要求对已有结构物的强度,耐久性,适用程度进行评价。旧有结构物的原始资料如图纸,材料测定报告等可能已散失,隐蔽工程又无从确认;在长期使用过程中曾受过人为的或自然力的损伤,而这一损伤又没有准确的记录;某些外力的损伤也难以用数字或公式描述(如火灾、爆炸、台风等)。种种原因造成结构的不安全,使得人类迫切希望了解结构的现存能力。此外对实际结构的测量,也可看作是一种比率为1:1的模型分析。因此结构模型分析理所当然包括工程检测。
二、模型分析的优点与存在的问题
模型分析最大的优势就是节约资金与人力。例如做某一原型的1/20比例的模型,那么它耗用的材料就只有原型的(1/20)3=1/8000。试验用的均布荷载总量,根据受力面积的缩小比例,缩小为(1/20)2=1/400。假如仅作弹性阶段的试验,那么可以考虑用弹性模量较原型低的材料来做模型,加载还可以按二者的弹性模量之比再减少。若原型是一个钢筋混凝土结构,用有机玻璃来做它的弹性阶段的模型,那么均布荷载的总量就可以,进一步由1/400减为1/3000左
右。考虑一个结构的模型分析,有以下几方面的问题必须加以注意。
为了减小材料用量及荷载值,模型应当力求小些。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,而使试验的精度下降。图1表示模型比例与模型成本的曲线关系。当缩小比例超过一个合理的限值后,其模型成本反而上升。当然制作模型的成本并非决定模型比例的唯一因素。因为模型分析的最终目的是要求得结构的受力状态,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减,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,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(即代表自重)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(相当于线尺寸的缩减倍率)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,會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、极限延伸率等参量仍然相协调,从而会产生更大的矛盾。
图1模型比例与模型成本的曲线关系
模型分析本身,当然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,当试件绝对尺寸减小时,其单位强度也有可能上升。这就是常说的体积效应。类似诸多因素,都很难在模型分析过程中完全消除。
三、模型结论
结构模型试验所采用的模型,是仿照真实结构按一定的相似关系复制而成的代表物,它具有真实结构的全部或主要特征。只要设计的模型满足相似条件,则通过模型试验所获得的数据和结果就可以直接推算到相应的真实结构上去。
结构模型试验与真实结构试验相比有以下特点。
(l)经济性好。由于结构模型一般都是缩尺模型,因此模型的几何尺寸比真实结构小得多,所以模型制作容易、装拆方便、节省材料、节约经费。
(2)针对性强。结构模型试验可以根据试验的目的,突出主要设计因素,忽略次要因素,并可以改变其某些主要因素进行多个模型的对比试验。
(3)数据准确。由于试验模型小,一般可以在试验条件好的室内进行试验,因此可以严格控制其主要参数,避免许多外界因素的干扰,保证了试验数据的准确性。
由于本次试验的模型尺寸和加载严格按照相似理论进行,因此试验结果能够较真实地反映实桥受力状态的作用。
试验结果和理论计算结果吻合较好,说明模型设计合理,试验方案可行,试验结果能够较准确地反映结构的实际受力特性。同时也表明,设计所采用的计算理论、计算模型和软件能够准确模拟该拱桥的受力行为,能够正确反映结构的荷载状况,计算结果可靠。
试验结果与有限元计算結果相符较好,模型在试验荷载下的应力水平均不高。试验结果表明模型结构的受力是较为合理的,进而可以推定认为原结构的受力也是比较合理的。
绝大部分的实测值比理论值略小,说明实测工作存在着一些不可避免的误差。如应变片和挠度计方位以及模型尺寸不可能完全精确等。
参考文献
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