一种互通弯桥结构受力特性的测试方法

本发明涉及一种互通弯桥结构受力特性的测试方法，属于工程结构静动力测试。

背景技术：

1、在大型互通立交工程中，曲线梁桥的几何轴线具有一定曲率，在自重和车辆荷载作用下，弯曲和扭转往往同时发生并相互影响，现有测试方法多沿用直线桥梁常用的分散测点测试方式，通常在主梁跨中截面底板布设单向应变计和挠度计，用于采集竖向挠度和轴向应变。

2、这类测试方式通常将弯曲响应和扭转响应作为相对独立的响应进行处理，车辆偏心荷载作用于曲线梁桥时，由于主梁本身存在几何曲率，主梁产生竖向挠曲的同时，还会出现横向侧移、横截面扭转角变形以及截面约束翘曲应力，桥跨两端内外侧支座的反力也会出现不对称分布，在这种情况下，仅采集跨中的单向应变和位移，得到的纵向应变中同时包含纯弯曲正应变和约束扭转产生的附加翘曲正应变，难以直接分离主梁的纯弯截面刚度和抗扭受力特性，即使增加测点数量或提高荷载等级，也不能消除空间弯扭耦合造成的不同应力成分相互混杂的问题，难以真实反映主梁的空间受力平衡状态，不仅在硬件测点布设与传感采集层面受限，现有的结构刚度反演算法与力学解析模型同样存在不足，例如，授权公告号为cn118913572b的中国发明专利公开了一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法和装置，构建于一维平面梁受力假设，通过支座转角影响线与分布函数优化求解抗弯刚度，然而，互通弯桥固有的空间几何曲率会导致强烈的弯扭耦合与截面约束翘曲效应，该方法既无法扣除曲率诱发反向扭矩对截面弯矩的传导折减，也无法剥离翘曲二次正应变，直接应用于弯梁结构时易造成刚度反演偏差，且难以对支座边界径向自平衡与抗侧倾稳定性进行评定。

3、因此，在空间弯扭耦合以及支座反力不对称分布的工况下，如何准确区分支承反力和截面应变中的不同受力成分，并真实测定弯桥的截面刚度及横向受力平衡状态，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种互通弯桥结构受力特性的测试方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，在互通弯桥的待测跨建立柱坐标系，沿主梁中心轴线布设截面变形观测站，在待测跨两端支承节点处安装多轴测力支座，获取初始自重平衡状态下的几何位移基准与初始支承反力向量；

3、步骤s2，在待测跨施加已知荷载与偏心距的偏心测试荷载，采集截面变形观测站输出的主梁中心竖向挠度与横截面扭转角，采集多轴测力支座输出的外弧侧支座竖向反力、内弧侧支座竖向反力、外弧侧支座径向水平反力与内弧侧支座径向水平反力，并采集跨中截面外侧腹板底边缘的纵向总轴向应变；

4、步骤s3，根据偏心测试荷载确定外施直接偏心扭矩与简支等效跨中弯矩，将外施直接偏心扭矩减去简支等效跨中弯矩沿曲率诱发的几何耦合反向扭矩分量，解算主梁截面的总传导扭矩；基于总传导扭矩、主梁截面主扇形惯性矩与横截面扭转角计算约束扭转翘曲正应变，自纵向总轴向应变中扣除约束扭转翘曲正应变，提取纯弯曲正应变；

5、步骤s4，基于扣除扭矩传导折减后的实际有效弯矩与纯弯曲正应变解算实际有效抗弯刚度；基于总传导扭矩与横截面扭转角解算实际有效抗扭刚度；计算外施直接偏心扭矩除以主梁中心轴线曲率半径所得数值，确定沿曲线径向的折算推力；计算外弧侧支座径向水平反力绝对值与内弧侧支座径向水平反力绝对值之和，除以外施直接偏心扭矩沿曲线径向折算推力，输出径向约束协调系数，并输出由实际有效抗弯刚度、实际有效抗扭刚度与径向约束协调系数构成的互通弯桥结构受力特性测试结果。

6、优选的，步骤s1中建立柱坐标系与获取初始支承反力向量包括：步骤s11，建立柱坐标系，将沿主梁横截面向外的方向定义为径向水平坐标，沿主梁中心轴线切线方向定义为环向角坐标，沿重力方向定义为竖向坐标；在测试的跨中截面与两端四分点截面分别架设非接触式光学变形观测站，测定主梁内弧侧边缘、中心轴线与外弧侧边缘的空间几何位移基准；步骤s12，在测试两端桥墩的支承节点处分别安装三分力压电测力支座，在无外载初始自重平衡状态下采集各测力通道输出的初值并完成零点漂移补偿，得到由外弧侧支座竖向反力初值、内弧侧支座竖向反力初值、外弧侧支座径向水平反力初值与内弧侧支座径向水平反力初值组成的初始支承反力向量。

7、优选的，步骤s2中施加偏心测试荷载并采集数据包括：步骤s21，将试验加载车移动至待测跨的跨中截面，使试验加载车的车体载荷中心向主梁外弧侧偏离主梁中心轴线达设定偏心距，以施加空间偏心静载；步骤s22，在静载稳定状态下，触发多通道同步数据采集，记录截面变形观测站输出的主梁中心竖向挠度与横截面扭转角，记录多轴测力支座输出的外弧侧支座竖向反力、内弧侧支座竖向反力、外弧侧支座径向水平反力与内弧侧支座径向水平反力，并利用粘贴于跨中截面外侧腹板底边缘的三向应变花中沿主梁纵向切线方向布置的测向通道读取纵向总轴向应变。

8、优选的，步骤s3中解算主梁截面的总传导扭矩包括：步骤s31，计算试验加载车的轴荷总重与设定偏心距的乘积，确定外施直接偏心扭矩；步骤s32，计算轴荷总重与跨径弧长的乘积的四分之一，确定简支等效跨中弯矩；步骤s33，计算简支等效跨中弯矩与跨径弧长的乘积，除以主梁中心轴线曲率半径的2倍，得到几何耦合反向扭矩分量；步骤s34，将外施直接偏心扭矩减去几何耦合反向扭矩分量，得到主梁截面的总传导扭矩。

9、优选的，步骤s4中解算实际有效抗弯刚度包括：步骤s41，计算总传导扭矩与跨径弧长的乘积除以主梁中心轴线曲率半径的2倍，得到扭矩沿曲线轴线传导产生的弯矩折减量；步骤s42，将简支等效跨中弯矩减去弯矩折减量，确定主梁截面承受的实际有效弯矩；步骤s43，计算实际有效弯矩与梁底边缘至截面中性轴竖向距离的乘积，除以纯弯曲正应变，求解出主梁截面的实际有效抗弯刚度。

10、优选的，步骤s4中解算实际有效抗扭刚度包括：将实测的横截面扭转角乘以4作为截面扭转变形特征量，计算总传导扭矩与跨径弧长的乘积除以截面扭转变形特征量，求解出主梁截面的实际有效抗扭刚度。

11、优选的，步骤s4中输出径向约束协调系数包括：步骤s44，计算外施直接偏心扭矩除以主梁中心轴线曲率半径所得的数值，确定外施偏心荷载沿曲线径向的折算推力；步骤s45，将待测跨两端支承节点处外弧侧支座径向水平反力绝对值与内弧侧支座径向水平反力绝对值求和，得到支座径向总推力；步骤s46，计算支座径向总推力与外施偏心荷载沿曲线径向的折算推力的比值，输出表征支座边界横向自平衡约束状态的径向约束协调系数；同时计算外弧侧支座径向水平反力与内弧侧支座径向水平反力沿柱坐标系径向水平坐标带有方向正负号相加所得的代数和，以代数和趋于零作为平衡判定基准，校核端部支承的径向水平力平衡状态。

12、优选的，步骤s3中还包括主梁截面变形分解：将截面变形观测站测得的主梁中心竖向挠度确定为纯竖向弯曲位移分量；计算横截面扭转角与主梁截面顶板总宽度乘积的二分之一，确定主梁外侧边缘由截面扭转产生的附加下沉量，完成主梁截面纯受弯变形分量与纯受扭变形分量的解耦分离。

13、优选的，步骤s4之后还包括曲线梁桥空间平衡状态评定：比对实际有效抗弯刚度与设计抗弯刚度基准值，比对实际有效抗扭刚度与设计抗扭刚度基准值；结合径向约束协调系数与各支承节点处的竖向反力差值，监测内外侧支座的反力分化程度与内弧侧支座卸载状态，依据支座接触面横向滑移阻抗演变，评定互通弯桥在偏心荷载作用下的抗侧倾平衡裕度与空间受力稳定性。

14、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

15、1、在互通弯桥结构受力特性的测试中，通过同步获取测试跨两端支承节点处的竖向反力和径向水平反力，并结合几何曲率对主梁受力的影响确定总传导扭矩，能够避免将曲线梁桥的弯曲与扭转简单作为相互独立的受力状态进行判断，由此可更真实地反映偏心荷载作用下内外侧支座反力的不对称变化以及主梁的实际扭转受力情况，提高曲线梁桥空间受力状态测试结果的准确性。

16、2、通过对主梁中心竖向挠度和横截面扭转角进行分解，并从纵向总轴向应变中扣除约束扭转翘曲正应变，能够减少截面扭转及翘曲对应变测试结果的干扰，使提取的纯弯曲正应变更能反映主梁实际的受弯响应，从而降低约束扭转二次应力对抗弯刚度测试结果的影响。

17、3、通过分别考虑扭矩传导对实际有效弯矩的影响以及横截面的实际扭转变形，可分别求得实际有效抗弯刚度和实际有效抗扭刚度，减少偏心荷载作用下弯曲与扭转相互影响造成的刚度测试偏差，使所得刚度参数更接近主梁截面的实际受力和变形状态，提高曲线梁桥抗弯、抗扭性能测试的可靠性。