荷載橫向分布計算的偏心壓力法模型實驗教學法研究

陳建兵，喬光華

(蘇州科技學院土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

荷載橫向分布計算的偏心壓力法模型實驗教學法研究

陳建兵，喬光華

(蘇州科技學院土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

為易于學生理解“橋梁工程”中的荷載橫向分布計算原理，根據偏心壓力法計算荷載橫向分布的方法進行模型橋梁的加載實驗，測試各主梁所分擔的荷載。通過對比分析實驗與理論荷載橫向分布影響線的分布情況，幫助學生理解橋梁空間計算中的荷載橫向分布問題，及認識將空間的荷載橫向分布計算簡化為平面計算的原理。經實踐檢驗，該教學方法具有良好的效果，在強化學生知識的同時還培養了學生的能力。

橋梁工程;荷載橫向分布;偏心壓力法;模型實驗;教學方法

0 引言

“橋梁工程”是我國高校土木工程專業的一門重要課程，而“荷載橫向分布計算”章節又是“橋梁工程”課程中最重要的一部分教學內容。在橋梁設計計算時，橋梁結構上的可變荷載是如何傳遞的、各主梁承擔多少可變荷載，這些問題必須按照荷載橫向分布方法來計算。鑒于橋梁結構受力和變形的空間計算理論的復雜性，采用將復雜的空間問題轉化為平面問題來求解的計算方法，也就是將橋梁結構的影響面函數分離為兩個單值函數的乘積。[1]盡管把荷載橫向分布計算分析簡化為了平面問題，但在教學過程中，學生對這一問題仍然是一知半解。如何加強學生對橋梁荷載橫向分布計算教學內容的掌握、引導與其他知識的融匯貫穿，這是荷載橫向分布計算教學過程中必須思考并加以改進的問題。

實踐或實驗性教學往往會增加學生對事物的感性認識和直觀感悟，幫助其理解理論知識和抽象問題，所以在“橋梁工程”荷載橫向分布計算的理論教學的同時，又進行了模型橋梁荷載橫向分布測試的加載實驗。本文僅對“偏心壓力法”求解荷載橫向分布系數的模型實驗教學方法及效果進行分析。

1 偏心壓力法的基本概念

具有可靠的橫向連接的T形梁橋，其寬跨比小于0.5時，在跨中車輛荷載作用下剛性中橫梁一直保持直線形狀，其各主梁跨中撓度橫向變化規律類似于一般材料力學中的桿件偏心受壓的情況，這就是偏心壓力法計算荷載橫向分布的基本概念和計算假定。[1]

根據偏心壓力法的基本概念和理論，求出各主梁跨中截面在單位荷載作用下其荷載橫向影響線豎標值的計算公式，若各主梁的截面均相同，則其橫向影響線的控制坐標值計算公式[1]為

其中:n為梁數;ai為所求梁到橋軸線的距離;ak為所加荷載作用點到梁軸線的距離。

利用式(1)計算出荷載橫向影響線，根據荷載沿橫向的最不利位置計算出相應的荷載橫向分布系數，從而求得各主梁所受的最大荷載。

若在計算公式推導中考慮主梁的抗扭剛度，則其偏心壓力法的計算公式[1]可修正為

其中:β為抗扭修正系數。

2 教學實驗模型實驗概況

2.1 實驗模型設計

為便于模型實驗結果和理論計算結果對比分析，根據教學內容，設計制作了一個有機玻璃模型實驗橋。實驗橋為5梁式T梁橋結構，共設置2道端橫梁和3道中橫梁，模型實驗橋梁的縱、橫截面布置及尺寸如圖1所示。有機玻璃材料性能試驗結果為抗拉強度75 MPa、抗壓強度136 MPa，彈性模量26 500 MPa。上翼板、梁肋及橫梁之間采用高強度粘結劑粘結。[2]

圖1 實驗模型尺寸

2.2 實驗方案

為驗證教材中偏心壓力法計算荷載橫向分布影響線求解方法，通過實驗測定荷載作用下結構各主梁跨中截面的撓度，根據各梁撓度分布情況，推導出荷載作用在跨中某位置的荷載橫向實際影響線及各梁所分擔的荷載。實驗加載采用杠桿原理對模型橋進行單點加載，加載裝置如圖2。分別對1號、2號、3號梁跨中截面梁肋處加載。[3]

圖2 加載裝置

2.3 測試內容及加載設備

1)測試內容。采用百分表測試各工況荷載作用下T形模型實驗梁橋各梁肋跨中截面的撓度，百分表布置如圖3所示。

圖3 撓度測點布置圖

2)加載設備。加載杠桿、砝碼、吊桿等，加載設備布置形式如圖2所示。

2.4 實驗教學要求

實驗教學通常采用以下方式:一是任課教師做演示試驗，學生僅僅參觀試驗過程，這種方式不能完全起到幫助學生理解教學內容和專業知識的作用;二是任課教師僅作為指導教師，由學生親自動手操作，這種實驗教學方式從前期的準備到后期的實驗總結，均由學生自己完成，實驗過程中學生是實驗的主導者，碰到問題會積極主動去思考、解決，因此該過程會加深學生對橋梁專業知識的理解及掌握。

在偏心壓力法荷載橫向分布的實驗過程中，為使所有學生均能參與實驗，在實驗前將學生每4人編成1個實驗小組，其中2人進行加載控制，2人進行百分表的讀數和記錄。

3 模型實驗及計算結果

由于模型結構具有對稱性，所以僅測試1號梁、2號梁、3號梁在加載工況下的跨中截面各梁肋的撓度，加載過程如圖2所示。由于各梁跨中撓度大小與該梁所分擔的荷載大小成正比[4]，因此可以通過各梁所測試的撓度來計算主梁的荷載橫向分布影響線。

設每片梁的跨中撓度為fi，模型橋梁的各梁跨中撓度總和為∑fi，則可計算出在每一加載工況下，某一片主梁的跨中荷載橫向影響線在各主梁處的豎標值ηi=fi/∑fi，計算結果如圖4所示。

利用式(1)、式(2)分別計算該模型橋的跨中荷載橫向分布影響線，計算結果如圖4所示。

圖4 各梁橫向影響線

由圖4可知，實驗結果與式(1)和式(2)計算所得的荷載橫向分布規律一致，其與式(1)計算結果偏差較大，與式(2)計算結果偏差較小，造成這種情況的原因可能是模型梁橫梁剛度達不到假設的無窮大要求，但在計算中認為其剛度無窮大，同時也驗證了考慮主梁抗扭剛度的修正偏心壓力法所得到的結果更切合實際。

4 模型實驗教學法的效果及啟示

4.1 教學效果

在每次的荷載橫向分布教學內容結束后，學生總是不能透徹理解橋梁荷載橫向分布影響線，在作業或平時課堂提問時經常會給出錯誤結果。但是在學生親自進行了橋梁模型實驗后，他們直觀地看到模型橋在某片主梁上加載時其相鄰的主梁也會發生變形，并不是想象中的將荷載加在某片梁上則荷載即由該片梁全部承擔。同時，根據測試的撓度變化結果進行計算，得出在加載荷載作用下，各主梁所分擔的荷載大小，在加載點位置發生變化時各主梁所分擔荷載大小的變化情況。

在后續的課堂教學調查中了解到，通過模型橋梁荷載橫向分布實驗后，學生基本能夠掌握、理解該部分的教學內容，后期的“橋梁工程”課程設計效果也驗證了這一點。

在蘇州科技學院已連續進行多年的荷載橫向分布模型橋梁實驗教學方法逐年完善，并取得了良好的效果。

4.2 教學啟示

“橋梁工程”課程中的部分章節比較抽象，對于剛剛接觸“橋梁工程”課程的學生來說，由于缺乏工程實踐及空間想象力，學習較為困難，因此，在教學過程中可以采用一些輔助的教學方法和手段，幫助學生理解“橋梁工程”的基本知識和構造，有助于培養學生學習“橋梁工程”的興趣和習慣。筆者認為合理的教學方法和手段對學生學習“橋梁工程”課程、理解“橋梁工程”的專業知識具有極大的促進作用。

5 結語

“橋梁工程”是一門實踐性很強的課程，此特點決定了其授課方式不能僅采用傳統教學模式和方法，而應采用多種教學方法相結合，在課堂內講授理論知識的同時，與模型實驗、模型制作等教學方法相結合，或者增加其他實踐教學環節，以提高學生對“橋梁工程”的學習興趣，加強對學習內容的理解，從而提高“橋梁工程”課程的教學質量。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]陳建兵，李淑琴，萬水，等.懸臂波形鋼腹板組合箱梁模型試驗研究[J].中外公路，2010，4(4):59 -63.

[3]曹國輝，賀冉，劉輝.T形梁橋荷載橫向分布實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2009，28(4):40 -42.

[4]孫訓方.材料力學[M].北京:高等教育出版社，2009.

Research on Model Test Teaching of Eccentric Compression Method for the Calculation of Transverse Load Distribution

CHEN Jianbing，QIAO Guanghua

(School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011)

To make students understand the calculation principle of transverse load distribution in the bridge engineering easily，the load test on model bridge was carried out by referring to the eccentric compression method to calculate transverse load distribution coefficient.The influence line of transverse load distribution from the test and theory calculation was compared with each other，which aimed at helping students master transverse distribution problem in the calculation of spatial bridge，what's more，it will be helpful for students to understand the principle of simplifying the calculation of transverse load distribution in space into plane calculation.The results in practice showed that this teaching method had a good effect on strengthening students'knowledge，as well as their ability.

bridge engineering;transverse load distribution;eccentric compression method;model test;teaching method

G642.423

B

1671-0436(2014)03-0093-04

2014-04-20

陳建兵(1968— )，男，副教授。

責任編輯:唐海燕