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足尺剪式桥梁试验与数值研究
作者：
Yuki Chikahiroa, Ichiro Ariob , Masatoshi Nakazawac , Syuichi Onod , Jan Holnicki-Szulce, Piotr Pawlowskie,Cezary Graczykowskie, Andrew Watsonf.
a.水环境与土木工程学院，信州大学，日本长野
b.土木与环境工程系，广岛大学，东广岛日本
c.土木与环境工程系、东北学院大学，tagajo日本
d.Fuji日本建筑机械化研究所，日本，
e.波兰科学院基础技术研究所，华沙，波兰
f.航空和汽车工程系，拉夫堡大学，拉夫堡，英国
摘要：
移动桥是一种可展开桥梁的使用剪刀等机制来实现其有效性能的结构形式，桥在展开状态有一个紧凑的尺寸可以方便地运送到需要它的地方，它的快速部署能力使得这种类型的桥梁对于自然灾害频繁的地区非常有用，使车辆跨越地形这种已被认为不可逾越的理念成为可能，在以前的研究中，对一个小规模的人行桥梁进行了实验和分析，为了考虑增加尺寸的桥梁，评估小规模桥梁设计和分析技术是否适用于更全面的桥梁是必要的。在本文中，我们考虑一个全面部署的桥梁与较低的甲板和两个剪刀单位，它允许一个轻型车辆通过。我们进行了轻型车辆荷载试验来分析其基本结构特点。此外，本文先提出建立在理论上的设计方法和数值模型的基础上的实验工作，随后与实验值的验证和比较。
关键词：
全面移动式桥、剪刀式应急桥、剪叉机构、车辆荷载试验
- 简介
剪刀机构最基本的形式由两个线性元素以及一个重要的在中心提供的铰链连接组成。在完全展开状态下，两个成员处于字符“X”创建的展开单剪刀单元。这个基本剪刀单位由两个铰链连接到下一个单位，如图1所示。这个结构是可展开的，从充分扩展状态到折叠状态有一个很大的长度。在非扩展或紧凑的状态，结构可以很容易地运输或存储重复利用。因此，在非常有限的空间运输和储存，这种机制是特别有用的结构系统。
这种剪刀式机构的概念是由E. P.Pinero提出的，一位来自西班牙的建筑师。他把这个想法应用到可展开的屋顶结构，并在1961获得专利[1]。经过这次成功的应用，T. R. Zeigler和F. Escring着眼于几何布局，设计了剪刀单元，提出了可展开穹顶机构[2,3]。最近，Saito [4]分析了弦支剪结构的强度和稳定性。的确,剪刀式结构越来越广泛地应用于机械与航天工程领域[5,6]。然而，在土木工程领域方面，也有一些出版的文献，包括专利——探索剪刀机构桥梁的应用[7,8]。目前，具有快速展开系统的现有桥梁主要分类以下四类[9]：（1）迅速架设隙桥，（2）车辆起步桥，（3）跨河解决方案和（4）堤道。在紧急情况下使用的主要临时桥梁，如贝利和中梁桥，被列为（1）；他们是预制桁架式桥梁，在一定程度上需要施工场地和现场重型机械。甚至手动架设一些装配式桥梁是可能的，它需要一些受过训练的人力资源，有时超过100 [10]。
作者在对前人的研究和折叠结构控制的基础上[13,14]，重点介绍了剪刀机构并且提出了一种新概念的折叠紧急桥称为移动桥（这里称为MB）[11、12]，这些文件显示了一个最佳的形状框架的梁结构。MB这个框架是利用剪刀机构的集合。剪刀机构在桥梁上的成功应用可以产生具有下列属性的结构：
bull;相比传统临时桥，减少运输时间相比，
bull;易于扩展和折叠只有一个控制力，
bull;扩展和折叠状态相比，尺寸效率提高。
图一
此外，为了减少复杂的结构，个别组件的数量，以及手动操作所需的完整部署的水平应尽量减少。这减少了桥梁结构部署和折叠以及需要专家操作的时间。这些优点如果实现，可以解决临时桥梁施工现场通常需要重型机械和广泛的施工区域的实际问题。因此，MB建设更简单，更快速，相比于上述临时桥梁。
MB相比贝利型和其他桥梁具有减少活负载和跨度的能力，因为没有抵抗弯矩的上下弦杆构件，由此产生较轻的桥梁，可以组装更快，其部件可以在轻型车辆中运输。规模较小的临时桥梁，如MB在灾区有更大潜力，即使它能承受的活载比其它较大的临时架桥要小。
为了构建一个设计方法，以前的实验和分析设计了一个小规模的行人类型的MB [15]，如图2所示。这座步行桥被定义为一个上层桥梁，因为行人行走的表面是校准的的顶部铰链线。该研究检查了MB在两套机械条件下基本的机械和结构特性。在部署阶段，桥只支持在一端导致悬臂边界条件。一旦部署，桥梁有两个支持，因此部署，第二个条件是简支梁的情况下，其中的支持水平和垂直位移约束。
至于更大车辆规模的剪刀式桥梁，它要考虑结构尺寸对设计方法的影响，并评估以前得到的人行结构结果是否可以适用。因此，在本文中，我们介绍了由两剪式单元组成的MB（这里称为MB1.0）。本文介绍了一种MB1.0实验结果验证了设计的简化理论模型和数值模拟。车辆荷载的实验测试提供了车辆行驶在桥上的应力分布和应力变化，它允许对桥梁的机械特性和安全系数进行评价。
- 基于平衡方程的剪刀结构建模
在这一部分中，介绍一种基于作者的前期工作的剪式结构横向荷载建模的基本方法[16,17]。
2.1剪刀结构的基本理论概念
一个两剪式单元结构，节点力都作用在铰链枢纽上，并在支座处受压，如图3所示，所有成员都有相同的长度和相同的倾角theta;，从垂直方向测量。一个剪式单元的长度和高度定义为lambda;和2h。图3（b）显示两个剪式单元，左手剪刀单元由节点A、CL、D、F和GL组成，第二剪刀单元由节点C、B、E、G R和H组成. 所有节点作为铰链。所有荷载加载于节点的位置，因此没有弯矩传输或应用在这些节点上。
图二
左侧单元水平（H）和垂直（V）平衡方程如下：
(1)
: (2)
力矩平衡的关节A，CL，F和GL表示为：
: (3)
: (4)
: (5)
: (6)
力矩平衡方程的方程（3）-（6）可线性组合如下所示产生以下方程:
图三
其中=。可以看出，与方程。事实上，它是明确的，只有两个独立方程。看着左手单元形成成员（G L）和（C，F，L）我们可以获得每个成员对D的力矩平衡方程:
(7)
(8)
（1）、（2）、（7）、（及）（8）可以矩阵形式表达，以式（第9）。
类似的表达可以衍生为右手剪装置：
在节点C和G，外部力量，，,与内力和，，，（见图3）平衡，合力可以分解为每个单独的单位的力，因此可以表示为：
取代式（9）及（10）放入入Eq.（11）及重新排列得到：
如果矢量{ AB }系数矩阵的行列式[P]不是0，支座反力有唯一解（且有意义），此外，如果外力已知，则方程12可以直接接出来。
2.2带横向荷载的剪式桥梁理论模型
上述分析推广到集中荷载横向布置在桥面上。简化的理论模型与布置在MB1.0上的荷载都显示在图4（a）和（b）。图4（a）示出了单点荷载的理论模型，图4（b）示出了两点荷载。由车辆荷载引起的外部节点力通过甲板板传递到结构的节点上。在这里，它假定的节点力作用在结构上，只有在垂直方向上，可以通过以下方式获得的甲板板的反作用力计算。
当车辆移动到桥上或开始退出结构，它使一个个单一的点联系起来并产生点荷载，横跨荷载P1距离边缘点的距离为x，如图4所示（a）。节点力V1至V3的计算通过公式表四给出。
表一
当车辆完全在桥上，它有两个接触点，创建一个两点加载，如图4所示（b）。由表五中给出的公式计算节点力V1至V3。
表二
用与建立方程（9）-（11）的类似的方法建立横向荷载的平衡方程是可行的。即，受车辆荷载影响的节点力重新计算VA→V Aminus;V 1、V B→V Bminus;V 2和V C→V Cminus;V 3。{AB}和{CG}用下列关系重新定义为{AB}*和{CG}*:
,
用与求解Eq.（12）相同的的方式找到{ AB}是可能的，通过求解下列方程：
(14)
这种分析使荷载作用下的桥梁节点力的计算成为可能。
- 全尺寸移动桥车辆荷载实验
在本节中，我们使用全尺寸移动桥MB1.0进行了静力荷载试验。本实验的目的是评估一个剪叉机构桥梁车辆荷载作用下的潜力。
3.1实验桥概述
MB1.0的示意图展示在图五中，MB1.0是一个两剪单元和下甲板桥，在运输线表面与下铰线对齐。图5（a）显示了从其存储状态到完全展开的桥梁部署过程。一旦完全建成在役状态，桥将允许交通通行，如图5所示（b）。当接近完全扩展的形式，桥梁成为简支梁桥。MB1.0配备了可折叠面板来实现部署过程，在完全伸展时，MB1.0总长度为7米，高度为2米，所有部件的总重量是8.6kN。
所有剪叉成员在每个铰接部分用铁针和杆件连接起来，每个剪叉成员间的孔都用套管或连接件连接起来，（见图五（c））。主框架的主要部分和甲板板由铝合金造成来降低结构自重。主框架的主要部分是由铝合金A6N01制成，甲板用合金A6063制成，主框架部分的截面特性：它是用A6N01造成，面积= 28.0cm2，I = 1146.3cm4。A6N01材料性能:E = 62.5GPa和= 180MPa。甲板板的截面性是= 30.4cm2，I= 182.7 cm4。A6063材料性能的E = 68GPa和= 110.0Mpa.连板的宽度是保持在最低限度，以减少重量,它稍大于车辆的轮胎宽度。
3.2车辆荷载试验概述
在本节中，将对实验条件进行描述。
3.2.1测量方法和测量要点
在车辆荷载试验中，测量车辆通过桥梁时发生的应变值。我们重点测试车辆在两个关键位置的上桥情况，这是第一个单元的面板和MB1.0中间的中心。测量进行了五次，以评估静态应变值相对于车辆位置的变化，如表3所示。在位置A和B，前轮和车辆中心分别放在甲板板中心的位置，在位置C–E，前轮，车辆中心和后轮的位置分别放在在MB1.0中间。
图6显示了实验装置和单点应变测量仪，当车辆前轮在MB1.0中间时，测量仪具有5mm长度，在这里，每个节点的名称从A到H以与第二节相同的方式定义。应变计位于枢轴D和E的上部和下部表面，铰链连接A、B、C和G（见图6）。此外，为了评估甲板板的影响，应变计位于每个甲板板的上表面和下表面的中心，并从其中心偏移的位置为正负800毫米。各构件和甲板板的应变计均设置在其中心轴线上。
图四
图五
表三
3.2.2加载条件
两种车辆，街道和广告车，用于加载测试，街道是轻型车辆，广告车是一个标准尺寸的汽车。 街道的长度times;宽度times;高度为3195times;1395times;1870毫米，而广告车的长度times;宽度times;高度为4370times;1895times;1510毫米。加载条件包括全重和轴重总结在表4。案例1和2指的是街道车总重量为9.6kN和11.8kN，案例3描述了广告面包车总重量为13.8kN，其中包括驾驶员的重量。案例1与2区别在于汽车总负载，而案件3还包括扩展轴距。
表四
3.3实验结果
3.3.1在MB1.0中心的应变值–车辆分布
图7（a）–（c）显式当车辆在位置d-MB1.0中心时,应变值的分布。图7（a）描绘了两构件AG和BG以正三角形式接触支架的测量结果。图7（b）描述了两构件CF和CH在两端自由边界条件下以倒三角形式的测量结果，和图7（c）所描述的是甲板板的测量结果。水平轴显示从距离闸门测量的应变计的位置，垂直轴
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