一种可调节跨径的试验拱座平台及其试验方法
阅读说明：本技术 一种可调节跨径的试验拱座平台及其试验方法 (Test arch support platform with adjustable span and test method thereof ) 是由 杨俊� 周建庭 李世亚 罗超 辛景舟 曾勇 王邵锐 张兰 刘增武 范永辉 张永水 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可调节跨径的试验拱座平台,包括两个可相对移动的基座以及位于两个基座之间的拱桥结构,所述拱桥结构的端部设有一体成型的凸块,所述基座内嵌有能够调节角度的紧配结构,所述紧配结构上固定有与凸块相配合的凹块,所述凸块与凹块配合形成连接块,所述拱桥结构外滑动连接有套设在连接块上的套筒限位件,所述套筒限位件与基座上的套筒连接结构相卡紧,且套筒限位件固定在紧配结构上。利用拱桥结构外滑动连接的套筒限位件套设在连接块外侧实现在试验过程中桥梁不会向下滑移,保证其拱桥结构与基座连接的稳定性,再搭配基座上的套筒连接结构与套筒限位件相卡紧,而套筒限位件是固定在紧配结构上,这样,两者共同承担传力作用以保证其刚度。(The invention discloses a span-adjustable test arch support platform which comprises two bases capable of moving relatively and an arch bridge structure positioned between the two bases, wherein an integrally formed convex block is arranged at the end part of the arch bridge structure, a close-fitting structure capable of adjusting the angle is embedded in each base, a concave block matched with the convex block is fixed on each close-fitting structure, the convex block and the concave block are matched to form a connecting block, a sleeve limiting part sleeved on the connecting block is connected to the outer side of the arch bridge structure in a sliding mode, the sleeve limiting part is clamped with a sleeve connecting structure on each base, and the sleeve limiting part is fixed on the close-fitting structure. The sleeve locating part sleeve of the outer sliding connection of the arch bridge structure is sleeved on the outer side of the connecting block to realize that the bridge cannot slide downwards in the test process, so that the stability of the connection of the arch bridge structure and the base is ensured, the sleeve connecting structure on the base is matched with the sleeve locating part to be clamped with each other, and the sleeve locating part is fixed on the close-fitting structure, so that the sleeve locating part and the base jointly bear the force transmission effect to ensure the rigidity of the sleeve locating part.)
技术领域
本发明涉及桥梁试验测试的技术领域，具体涉及一种可调节跨径的试验拱座平台及其试验方法。
背景技术
随着我国国民经济水平的发展，结构美观、受力合理的拱结构建筑物不断涌现，因此，在土木工程专业教学中的拱结构受力特性就显得尤为重要。然而《结构力学》中拱结构方面理论教学相对较难，学生理解上存在一定难度。在日益重视实践教育的背景下，拱结构的模型试验就成为结构试验教学的重要内容之一。
拱结构有优美的弧线，但也就是因此，在拱结构试验设计过程遇到了较多的难题，如何加载、如何测试、如何满足教学多次试验需要、如何将试验与理论教学内容结合是该装置主要解决的问题。
为了解决以上技术问题，中国专利文件（CN201909739U）公开了一种拱结构试验装置，包括拱结构模型、加载装置和测试装置三个部分。装置中的反力架横梁和竖直螺杆共同作用形成反力，反力直接作用在拱结构上形成竖向压力，该压力大小通过压力传感器准确测试出来。
但是，上述方案中的拱结构是固定在装置上的，因此，只能适用于一种跨径的拱桥结构，另外，如果需要更换不同跨径的拱桥结构就需要将拱桥结构与固定在装置之间的连接结构敲破，这样，就导致拱桥结构不能够重复运用，由此增加了不必要的成本，同时浪费了不少的精力和时间。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种可快速更换不同跨径的桥梁并对其进行拱桥结构模型试验的可调节跨径的试验拱座平台及其试验方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种可调节跨径的试验拱座平台，包括两个可相对移动的基座以及位于两个基座之间的拱桥结构，所述拱桥结构的端部设有凸块，所述基座内嵌有能够调节角度的紧配结构，所述紧配结构上固定有能够与凸块相配合的凹块，使得所述凸块能够与凹块固定配合形成连接块，所述拱桥结构的两端部分别可滑动套设有套筒限位件，使得能够通过滑动套筒限位件对凸块与凹块固定配合形成的连接块加以套设限位以限制凸块与凹块松脱，且基座的紧配结构上还设有用于与套筒限位件进行可拆卸连接的套筒连接结构。
本方案通过移动两个基座，改变两个基座之间的距离，便于安装不同尺寸的拱桥结构，以适应测试不同尺寸的拱桥结构的试验；利用基座上可调节角度的紧配结构调节拱桥结构起拱倾角，避免安装的拱桥结构端部向下弯曲下挠；同时，利用拱桥结构端部的凸块与紧配结构上的凹块能够固定配合形成连接块，保证拱桥结构与基座的连接；利用拱桥结构外滑动连接的套筒限位件套设在连接块外侧实现在试验过程中桥梁不会向下滑移，保证其拱桥结构与基座连接的稳定性，再搭配基座上的套筒连接结构与套筒限位件相连接，两者共同承担传力作用以保证其刚度。
进一步，所述套筒连接结构包括两个对称设置且与基座转动连接的顶杆，所述顶杆远离基座的端部下表面呈倾斜面，所述套筒限位件顶部设有卡槽，所述顶杆插入卡槽内。
这样设计，通过两个呈对称设置的顶杆对套筒限位件形成夹持状态，对套筒限位件加强固定；在操作时，通过顶杆插入套筒限位件的卡槽内，通过卡槽对顶杆进行限位，保证顶杆与套筒限位件相抵，因此，在桥梁做压力测试时，顶杆与套筒限位件配合能够提高桥梁径向的支撑力。
进一步，所述紧配结构包括内嵌在基座内的起拱面钢板，通过固定螺杆和固定螺母相配合将起拱面钢板与不同厚度的调节钢板相连，所述调节钢板上表面呈一定角度倾斜，所述凹块固定在调节钢板上。
这样设计，通过更换不同厚度的调节钢板调节整个紧配结构的倾斜角度，使得紧配结构能够与桥梁的端部紧密贴合，再通过固定螺杆和固定螺母相配合将起拱面钢板与调节钢板之间固定连接，能够提高其稳定性。
进一步，所述基座固定在拱脚锚固座内，所述拱脚锚固座放置在底板砼上，通过长螺杆和第一螺母相配合将拱脚锚固座与底板砼相连。
这样设计，通过拱脚锚固座对基座进行保护，通过长螺杆穿过拱脚锚固座与底板砼，再用第一螺母锁紧长螺杆上下两端，使得拱脚锚固座与底板砼能够紧密连接，保证桥梁受力后，通过拱脚锚固座传递至底板砼上，其拱脚锚固座承担传力作用。
进一步，两个拱脚锚固座之间设有四根钢绞绳，所述钢绞贯穿所述拱脚锚固座，所述钢绞绳两端分别锚固在拱脚锚固座上。
通过钢绞绳穿过两个拱脚锚固座，再通过将钢绞绳两端锚固在拱脚锚固座上，将其预应力锁住，对拱脚锚固座提供水平反力，分担长螺栓的剪力，保证稳定性。
进一步，所述拱脚锚固座底部两侧分别设有用于顶升的顶升孔，所述拱脚锚固座上设有与顶升孔相配合的吊环。
这样设计，在一次试验完成后，可在顶升孔处用千斤顶顶升拱脚锚固座，并配合吊环与试验室行车起吊，来移动拱脚锚固座以适应不同跨径的拱桥结构试验。
一种可调节跨径的试验拱座平台的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：准备试验之前，获取试验拱座平台的结构尺寸数据，所述结构尺寸数据包括两个基座、拱桥结构、两个拱脚锚固座以及底板砼的尺寸数据；
步骤二：根据试验要求，将拱脚锚固座移动至试验设定位置，通过长螺杆与第一螺母配合实现将拱脚锚固座固定在底板砼上；
步骤三：调节基座上的紧配结构的倾斜角度，使得紧配结构上的凹块能够与拱桥结构端部的凸块相配合形成连接块，推动拱桥结构外的套筒限位件套设在连接块上，且滑动套筒限位件对凸块与凹块固定配合形成的连接块加以套设限位，以限制凸块与凹块松脱，再通过紧配结构上的套筒连接结构与套筒限位件进行连接后，进行拱桥结构试验测试；
步骤四：在完成测试后，将套筒连接结构与套筒限位件之间进行拆卸，移动套筒限位件远离连接块，再将连接块内的凹块与凸块径向方向移动拆分，使得拱桥结构端部与基座分离，同时，拆卸长螺杆及第一螺母将拱脚锚固座与底板砼分离，再通过试验室行车起吊进行下一试验。
进一步，在步骤二中，钢绞绳的两端分别穿过两个拱脚锚固座，且钢绞绳的两端锚固在拱脚锚固座上，在拱桥结构的试验加载过程通过钢绞绳进行体外预应力的张拉提供水平力。对拱脚锚固座提供水平反力，分担长螺栓的剪力，保证稳定性。
进一步，在步骤三中，根据试验要求，将提前准备的调节钢板通过固定螺杆和固定螺母配合与起拱面钢板紧密连接。
进一步，在步骤三中，通过套筒连接结构中可转动的顶杆与套筒限位件上的卡槽相卡接，实现顶杆与套筒限位件相抵固定。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在试验过程中，通过基座上的凹块与拱桥结构上的凸块可拆卸连接，能够快速安装拆卸基座与拱桥结构，更换不同尺寸的拱桥结构以进行不同的试验，同时为了保证拱桥结构与基座之间连接的刚度，通过可沿拱桥结构滑动的套筒限位件套设在凹块与凸块配合形成的连接块上，这样能够锁死凹块与凸块的连接，再利用基座上的套筒连接结构锁死套筒限位件，进而保证整体的刚度，因此，整体能够达到快速更换拱桥结构的效果；同时，利用拱脚锚固座实现带动基座沿长度方向移动，调节两个拱脚锚固座之间距离，以适应不同跨径的拱桥结构，进行不同拱桥结构的试验。
2、本发明通过调整拱脚锚固段下底面的角度，使其与起拱面钢板顶面紧密贴合，有利于调整起拱倾角；起拱面钢板和传力支架焊接并嵌入钢筋混凝土基座内，有利于力的传递；其四地锚螺栓通过紧配构造和试验室地板紧密连接，有利于地锚螺栓均匀受力。
3、本发明拱桥结构受力时，通过拱脚锚固座上的钢绞绳产生很大的水平推力，传统做法是将拱脚锚固座固定于底板砼上，用于抵抗水平推力，本试验平台采用长螺杆和钢绞绳共同承受水平推力，同时，拱脚锚固座距离可根据实际需要进行可控调节，增强安全性，实用性，降低试验成本，符合经济、环保、适用的原则。
附图说明
图1为本发明可调节跨径的试验拱座平台的结构示意图。
图2为图1中A1处的局部放大图。
图3为本发明可调节跨径的试验拱座平台中紧配结构的结构示意图。
图中：基座1、拱桥结构2、紧配结构3、凸块4、凹块5、套筒限位件6、顶杆7、拱脚锚固座8、吊环9、长螺杆10、顶升孔11、钢绞绳12、起拱面钢板13、调节钢板14、底板砼15。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本实施例：参见图1至图3，一种可调节跨径的试验拱座平台，包括两个可相对移动的基座1以及位于两个基座1之间的拱桥结构2，拱桥结构2的端部设有一体成型的凸块4，基座1内嵌有能够调节角度的紧配结构3，紧配结构3上固定有能够与凸块4相配合的凹块5，使得所述凸块4能够与凹块5固定配合形成连接块，拱桥结构2的两端部分别可滑动套设有套筒限位件6，使得能够通过滑动套筒限位件6对凸块4与凹块5固定配合形成的连接块加以套设限位以限制凸块4与凹块5松脱，且基座1的紧配结构3上还设有用于与套筒限位件6进行可拆卸连接的套筒连接结构。
本方案通过移动两个基座1，改变两个基座1之间的距离，便于安装不同尺寸的拱桥结构2，以适应测试不同尺寸的拱桥结构2的试验；利用基座1上可调节角度的紧配结构3调节拱桥结构2起拱倾角，避免安装的拱桥结构2端部向下弯曲下挠；同时，凹块5内贯穿有一通孔，该通孔内壁两侧朝内倾斜设置，在安装时，拱桥结构2端部凸块4径向移动，使得凸块4插入紧配结构3上的凹块5内，两者固定配合形成连接块，保证拱桥结构2不会向水平方向移动；利用拱桥结构2外滑动连接的套筒限位件6套设在连接块外侧实现在试验过程中拱桥结构2不会向下滑移，保证其拱桥结构2与基座1连接的稳定性，再搭配基座1上的套筒连接结构与套筒限位件6相连接，或者套筒限位杆6还可通过螺栓的连接方式固定在基座1上，这样，两者共同承担传力作用以保证其刚度。
作为优选，套筒连接结构包括两个对称设置且与基座1转动连接的顶杆7，顶杆7远离基座1的端部下表面呈倾斜面，套筒限位件6顶部设有卡槽，顶杆7插入卡槽内。
这样设计，通过两个呈对称设置的顶杆7对套筒限位件6形成夹持状态，对套筒限位件6加强固定；在操作时，通过顶杆7插入套筒限位件6的卡槽内，通过卡槽对顶杆7进行限位，保证顶杆7与套筒限位件6相抵，因此，在桥梁做压力测试时，顶杆7与套筒限位件6配合能够提高桥梁径向的支撑力。
作为优选，紧配结构3包括内嵌在基座1内的起拱面钢板13，通过固定螺杆和固定螺母相配合将起拱面钢板13与不同厚度的调节钢板14相连，调节钢板14上表面呈一定角度倾斜，凹块5固定在调节钢板14上。
这样设计，通过更换不同厚度的调节钢板14调节整个紧配结构3的倾斜角度，使得紧配结构3能够与桥梁的端部紧密贴合，再通过固定螺杆和固定螺母相配合将起拱面钢板13与调节钢板14之间固定连接，能够提高其稳定性。
作为优选，基座1固定在拱脚锚固座8内，拱脚锚固座8放置在底板砼15上，通过长螺杆10和第一螺母相配合将拱脚锚固座8与底板砼15相连。
这样设计，通过拱脚锚固座8对基座1进行保护，通过长螺杆10穿过拱脚锚固座8与底板砼15，再用第一螺母锁紧长螺杆10上下两端，使得拱脚锚固座8与底板砼15能够紧密连接，保证桥梁受力后，通过拱脚锚固座8传递至底板砼15上，其拱脚锚固座8承担传力作用。
作为优选，两个拱脚锚固座8之间设有四根钢绞绳12，钢绞绳12贯穿两个拱脚锚固座8，钢绞绳12两端分别锚固在拱脚锚固座8上。
通过钢绞绳12穿过两个拱脚锚固座8，通过将钢绞绳12两端锚固在拱脚锚固座8上，将其预应力锁住，对拱脚锚固座8提供水平反力，分担长螺栓的剪力，保证稳定性。
作为优选，拱脚锚固座8底部两侧分别设有用于顶升的顶升孔11，拱脚锚固座8上设有与顶升孔11相配合的吊环9。
这样设计，在一次试验完成后，可在顶升孔11处用千斤顶顶升拱脚锚固座8，并配合吊环9与试验室行车起吊，来移动拱脚锚固座8以适应不同跨径的拱桥结构2试验。
一种可调节跨径的试验拱座平台的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：准备试验之前，获取试验拱座平台的结构尺寸数据，所述结构尺寸数据包括两个基座1、拱桥结构2、两个拱脚锚固座8以及底板砼15的尺寸数据；
步骤二：根据试验要求，将拱脚锚固座8至指定位置，通过长螺杆10与第一螺母配合实现将拱脚锚固座8固定在底板砼15上；
步骤三：调节基座1上的紧配结构3的倾斜角度，使得紧配结构3上的凹块5能够与拱桥结构2端部的凸块4相配合形成连接块，推动拱桥结构2外的套筒限位件6套设在连接块上，且通过滑动套筒限位件6对凸块4与凹块5固定配合形成的连接块加以套设限位，以限制凸块4与凹块5松脱，再通过紧配结构3上的套筒连接结构与套筒限位件6进行连接后，进行拱桥结构2试验测试；
步骤四：在完成测试后，将套筒连接结构与套筒限位件6之间进行拆卸，移动套筒限位件6远离连接块，再将连接块内的凹块5与凸块4径向方向移动拆分，使得拱桥结构2端部与基座1分离，同时，拆卸长螺杆10及第一螺母将拱脚锚固座8与底板砼15分离，再通过试验室行车起吊进行下一试验。
作为优选，在步骤二中，钢绞绳12的两端分别穿过两个拱脚锚固座，且钢绞绳12的两端锚固在拱脚锚固座8上，在拱桥结构2的试验加载过程通过钢绞绳12进行体外预应力的张拉提供水平力。对拱脚锚固座8提供水平反力，分担长螺栓的剪力，保证稳定性。
作为优选，在步骤三中，根据试验要求，将提前准备的调节钢板14通过固定螺杆和固定螺母配合与起拱面钢板13紧密连接。
作为优选，在步骤三中，通过套筒连接结构中可转动的顶杆7与套筒限位件6上的卡槽相卡接，实现顶杆7与套筒限位件6相抵固定。
通过对模型试验拱座结构进行整体有限元计算，对局部承压、抗倾覆稳定性进行手算，得到以下结论：
1）在250t水平力和250t竖向力荷载工况下，结构最大水平位移0.22mm；拱脚斜面边缘处和底部锚孔垂直与水平推力方向处出现为微裂缝，裂缝位置处钢筋应力不大；其余结构应力较小能够满足要求。
2）在250t水平力和250t竖向力荷载工况下，并仅考虑一排锚杆受力情况下，结构最大水平位移0.63mm；底部锚孔处垂直与水平推力方向出现贯穿裂缝，裂缝处有钢筋最大应力109MPa；其余结构应力较小能够满足要求。
3）极限工况下，结构最大水平位移0.88mm；此时的荷载为917.5t水平力和917.5t竖向力，钢筋最大应力为318MPa，M70钢螺杆最大应力为214MPa，定位支架最大应力为42MPa；拱脚斜面边缘处、拱脚作用位置和底部锚孔处垂直与水平推力都出现了裂缝。
4）反力墙侧拱座单个螺杆最大水平力为为65.7t，出现在仅一排锚杆工况下中间两根锚杆位置，单个螺栓抗剪强度验算能够满足要求，其安全系数为3.4。
5）拱座局部承压能够满足规范要求，其中塔架预埋件局部承压安全系数为23.9、拱脚预埋件局部承压安全系数为17.5、顶升孔局部承压安全系数为7.4。
拱座整体倾覆稳定性能够满足规范要求，其抗倾覆稳定系数为1.8。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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