翟书毓

摘 要：本文以近几年国内一些小型地震、高架桥等超载坍塌事故为切入点，结合实际大跨度结构的使用，借助《理论力学》《结构力学》等课程学习内容，尝试着将桁架予以简化，展开简易的实验模拟。在总结前人经验的基础上结合所学知识，进行物理实验设计予以检验，旨在为相似桥梁的质量、防震、减压等研究提供一定的参考依据。

关键词： 高架桥梁; 平面桁架; 抗震

1 创新点

本课题研究最大限度贴近社会发展、人们生活实际，因为近年来随着交通道路事业的推进建设，对一些传统的高发的桥梁道路交通事故起到了较好的控制和监控、规避。但是，也衍生了一些新问题、新安全隐患，尤其是一些不可控因素。理论上讲，尽管很多高架桥坍塌事故中，多半与工程质量本身无关。这种行为因素不可控，但从桥梁结构视角来分析，理论上的确可以优化，至少可以有效避免此类事件再次发生，即及时发现问题并快速解决。

2 研究过程

2.1 实验装置与材料

本次大跨度结构的设计，搭接加载受力装置。由于条件受限，所以主体材料选用了桐木材质，搭建桁架模型。整个大跨度结构桥梁的主体，规格如下：模型长度尽量控制在1250±2 mm 范围内，宽度尽量控制在 120±1 mm以内。此外，整体高度控制在 150mm 范围内。

其次，上述搭建的简易模型上表面跨中应有不小于120*120mm的加载平面。

再者，使用到的主体材料，即桐木。规格如下：1*55mm 、2*2mm 、2*4mm 、2*6mm 、2*8mm。

最后，专门准备了502胶，砂纸、美工刀、钢尺和铅笔等。

2.2 加载试验方式

如开篇归纳总结，静定状态下，即静加载——模型结构跨中顶部施加50N加载快竖向静力加载。

此外，冲击加载——保持竖向50N静力荷载不变，将拉索与模型下部跨中加载点相连，将质量为3kg实心钢球拉升至一定角度标高，后突然释放。

实际操作中，为了最大限度增强实验过程的可参考性，所以整个过程严格遵照图纸设计。但是，操作中，也综合考虑到了可能出现的系列不可控因素。对此，做出以下调整。针对结构跨度大、距离长这种事实情况，为了尽量规避结构的剪切力的影响，所以构件采用L型或者T型，决定大量使用拉条，在承压大的构件中采用管状的制作方式。

2.3 实验过程

切割所需长度的木条。

粘接组合成结构。结构质量：131g 。

静加载试验——将模型居中放置在加载台座上并侧向固定，模型结构跨中顶部施加50N加载快竖向静力加载。

观察整个过程，一般情况下可以发现，在最初几秒时，有一定的晃动但很快能稳定下来并承重10分钟以上。冲击加载试验——保持竖向50N静力荷载不变，将拉索与模型下部跨中加载点相连，将质量为3kg实心钢球拉升至一定角度标高，后突然释放。

观察现象：30度时有明显晃动，拉条开始变形60度时有较大晃动，但无任何构件的断裂，撕裂、脱胶，结构垮塌。

关于结构受力的计算，如下：

由于结构对称，只需算一半，求个杆件的轴力（设—为压力+为拉力）。

已知，150/290 *Nab+25=0

Nab= —48.3N

270/290 *Nab+Nac=0

Nac=50N

数据参考：桐木弹性模量5000MPa  强度20MPa

所以，ab管状构件足够承力  bc构建多余

实际检验分析如下：

切除构件，静加载试验。观察现象：在最初几秒时，有一定的晃动但很快能稳定下来并承重10分钟以上。

2.4 结果分析

本次实验装置的设计与大跨度结构的优化分析所设计的结构基本达到预期目标。但是，由于结构质量过大，耗材过多，所以本研究选择了桐木材料。尽管计算结果大体满足实际要求，但由于结构的做工不够细致，粘接失误导致结构不太对称。

所以，为了做进一步检验，在原有理论架构的基础上，对桁架结构再次优化。如图3.7所示。

本部分引入遗传算法工作原理，旨在针对本次既有实验装置条件下的大跨度结构进行二次优化。其一，围绕着优化的可行性展开;其二，围绕着下述三角桁架的实际可操作性展开;其三，围绕着映射唯一性问题展开。

围绕着上述关于大跨度结构桥梁的设计情况，对其截面积并行设计。在固定的位置点上进行拓扑及截面积两个变量的并行设计。需要满足的条件，即要求优化后的桁架形式必须要满足桁架重量、最大位移，即误差范围控制到最小。所以，只需要计算出各已知固定点的作用大小的竖向荷载即可，直接获取截面积。

基于上述研究，对大跨度结构有了重新的认识，设计了新的结构

受力分析：（设—为压力，+为拉力）。所以，改进点在于，增强桁架结构的稳定性，围绕着设计细节进行考量。

在实际计算中，由于本次并未针对三角桁架进行实验设计，但围绕着前文描述与规律总结，基本可以得知。针对本大跨度结构受力的计算。首先，根据已知的横轴X（单位：mm），确定载荷。然后根据梁所受的力画出剪力和弯矩图。

3 结论与展望

通过本研究，再次加深认识，即桥梁结构失稳破坏，很多情形下的主要原因就是桥梁结构内部抗力失效，即处于突然崩溃状态。所以，一旦发生失稳破坏，整个结构便会倒塌。以近期江苏省无锡市高架桥坍塌事故来看，尽管直接致因是大货车严重超载，但倒塌原理与上述如出一辙，即整个结构被瞬间破坏。此情形下的破坏性，远比一般的因年久强度破坏更加危险。与之相对而言，一些典型的道路桥梁工程，出于多方考虑，相比较于强度更看重结构的稳定性。所以，大跨度结构凭借其刚度大、敏感性弱等优点，被界内广泛应用。正因如此，大跨度结构的主要技术点在于结构的稳定程度，所以实际设计与工程施工中，难点也体现于此。鉴于此，本研究立足国内该领域的建设实际、技术流程，通过实验设计与操作验证，有了一定的发现，即大跨度结构跨度大，所以上部载荷也就越重。针对这一点，可以继续参照图3.4-3.8。杆件节点复杂，所以才需要有效的面外作用力予以支撑。对此，本实验设计也是围绕此展开，因而成为了整个结构稳定分析的设计关键。界内诸多研究表明，平面桁架结构失稳集中分布两大形式，分别是平面内失稳和平面外失稳。

未来，我们将继续深入研究大跨度桥梁的结构优化设计问题。例如将优化算法的代码真正实现，用于寻找已知限制条件下的最优结构。另外，我们将尝试对桥梁结构进行三维建模，对桥梁各结构进行深入地力学分析，进而寻找更加优秀的解决方案。

参考文献：

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