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港口航道工程综合试验指导书高桩码头上部结构受力特性试验及板桩码头受力特性试验组长：刘硕组员：刘逸洲、沈曙东、王开元、林坦、鄢拓涵指导老师：肖一波港口航道工程综合试验指导书试验1高桩码头上部结构受力特性试验一、试验目的、要求高桩码头上部结构受力特性试验主要是通过试验了解板梁式高桩码头的结构组成、传力机理，了解在垂直外荷载作用下板梁式高桩码头结构的受力特性，包括面板、纵梁、横梁等的受力特性。1.在垂直荷载作用下码头面板振弦式应变计的频率测试；2.在垂直荷载作用下码头纵梁振弦式应变计的频率测试；3.在垂直荷载作用下码头横梁振弦式应变计的频率测试。二、试验设备、仪器高桩码头模型、振弦式应变计、采点箱、振弦频率仪、计算机、垂直加压系统、电源、台秤、铅块。其中高桩码头模型按照相似定律采用一定的相似比尺设计制作。三、试验原理高桩码头是应用广泛的主要码头结构型式之一。它的工作原理是通过桩台把码头上的荷载分配给桩，桩再把这些荷载传到地基中。板梁式高桩码头上部结构主要由面板、纵梁、横梁、桩帽和靠船构件组成。本次试验采用板梁式高桩码头结构型式。试验模型主要由面板、纵梁、横梁、桩帽、桩和靠船构件等组成，面板、纵梁、横梁均采用连续结构，纵横梁采用不等高的连接方式，横梁搁置在桩帽上。前门机轨道梁下布置一对双直桩，后门机轨道梁下布置一对叉桩，中纵梁下布置单直桩。靠船构件采用悬臂梁式。整个上部构件采用整体连接方式，见图1-1所示。垂直方向的荷载，包括上部结构自重力、固定设备自重力、堆货荷载、起重运输机械荷载、铁路荷载等以均布力和集中力的形式由面板→纵梁→横梁→桩基→地基。港口航道工程综合试验指导书1:31:3.51:3.5泥面线桩帽横梁直桩斜桩纵梁面板图1-1高桩码头结构断面图四、试验步骤1、在面板、纵梁、横梁表面各测点部位粘贴振弦式应变计，测点布置如图1-2所示；2、用引线将振弦应变计与采点箱相连，并将采点箱、振弦频率仪、计算机连接起来；3、开启振弦频率仪、计算机电源，打开计算机内已安装的XP99型振弦频率仪的联机软件searialport；4、按动振弦频率仪的Ec功能键，选择Ec9命令菜单，进入100点自动扫描自动定时测量状态，再按下RET键，开始进行测量；5、待数据测量完毕后，按动Pr键，选择Pr8命令菜单，进入串口向计算机送数状态，再按下RET键，开始向计算机送入数据；6、打开联机软件searialport操作菜单下的从仪器中接收数据子菜单，端口选用com1，波特率选择2400，起始点号选择000，终止点号选择034，并确定。此时计算机自动读取振弦频率仪测定的数据，待数据读取完毕后存盘；7、将自控行车移动到设计的试验点位置，施加垂直荷载Pi；8、重复4～6步骤；9、卸荷；10、重复4～9步骤，直至设计荷载试验完毕。港口航道工程综合试验指导书应变计图2码头后方码头前沿高桩码头纵梁、横梁、面板应变计布置图图1-2高桩码头纵梁、横梁、面板应变计测点布置图五、试验记录及成果整理、分析1.根据试验记录的结果，应用振弦传感器的工作原理，将各测点的试验频率值换算成各测点的应变值；2.计算相应测点的弯矩值，并绘制出试验荷载下面板、纵梁、横梁的弯矩图；3.结合港口水工建筑物所学的有关高桩码头的相关知识，根据高桩码头模型的工作状态，应用相关知识或相关的计算软件，对所做的试验进行理论分析计算，对比试验结果。六、分析思考题1．为什么每次施加荷载前均需测定初始频率值？答：根据振弦式应变计的工作原理，22210()kfkff。故每次加载均需测定初始频率值。2．仪器开始采集数据时，码头面上是否允许有人群荷载和其他荷载？答：不允许。当仪器开始采集数据时，若码头面上有人群荷载或其他荷载时，振弦式应变计测得的结构振动频率值就不单单是垂直集中荷载引起的，还包括人群荷载或其他荷载引起的结构振动频率值，因此得到的实验数据统计分析达不到实验目的。所以仪器开始采集数据时，码头面上不允许有人群荷载和其他荷载。3．为什么强调振弦式应变计的粘贴方向？答：振弦式应变计粘贴在结构上，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计能够同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。结构某一点各个方向的应变值是不一样的，这跟结构所用材料的泊松比等因素有关。七、注意事项1、试验所加荷载为10～20kg左右的铅块若干块，在试验过程中要轻拿轻放，注意安全，避免意外事故发生；2、每次外加荷载试验完毕后，卸除的铅块宜放置在模型以外的空置场地上，不可放置在码头面上；3、注意振弦应变计粘贴时，胶水涂层应厚薄均匀，并且粘贴要牢固；港口航道工程综合试验指导书4、测量数据时，若发现振弦频率仪显示屏所显示的数据为“ErrL”，需要检查振弦应变计的被测信号是否开路、短路或测得数值越限。此时若做数值存贮，将以0计。八、编写试验报告1、试验名称、试验日期、试验小组、试验者及同组成员；2、试验目的、要求；3、试验的基本原理；4、试验设备及仪器；5、试验步骤；6、试验记录数据及其计算，并根据计算结果绘制试验荷载下纵、横梁的弯矩图。7、讨论分析思考题。试验2板桩码头受力特性试验一、试验目的、要求板桩码头受力特性试验主要是通过试验了解有锚板桩码头的结构组成，了解有锚板桩墙后土压力的分布规律、板桩墙在外荷载作用下的变形规律及板桩墙的内力变化规律，了解在外荷载作用前后锚杆轴力的变化情况。1、在外荷载作用下板桩墙的变形测试；2、板桩墙后土压力的测试；3、锚杆拉力的测试；4、在外荷载作用下板桩墙的内力测试。二、试验设备和仪器板桩码头模型、振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计、千分表、采点箱、振弦频率仪、计算机、水平加压系统（千斤顶、振弦应式反力计）、电源、台秤、铅块。其中板桩码头模型按照相似定律采用一定的相似比尺设计制作，振弦式钢筋计和振弦式土压力计在制作模型时已经安装，详见图2-1、2-2。三、试验原理港口航道工程综合试验指导书板桩码头是利用板桩墙下部打入土中，上部安装各种锚碇结构（对有锚板桩而言）以维持其稳定。本次试验模型采用单锚板桩结构型式。主要构件由板桩墙、帽梁、导梁、锚杆和锚碇板组成。板桩墙由下部打入地基的钢筋混凝土板桩构成连续墙；钢导梁采用10号槽钢，位于锚杆穿过板桩处；拉杆采用直径为25mm的钢筋制作，拉杆上装有紧张器；锚碇板采用混凝土板；板桩顶端用现浇钢筋混凝土做成帽梁。板桩墙相当于一个竖直放置的梁，上端由拉杆拉紧，下端支承在地基中。板桩墙承受墙前土压力、墙后土压力、水压力、船舶荷载等水平荷载。拉杆作为板桩墙和锚碇结构之间的传力构件，将板桩墙上的水平荷载传递给锚碇结构，再将荷载传给后方地基。单锚板桩在水平力的作用下，由于单锚板桩墙上的锚碇结构的固定作用，使得板桩墙上端受到约束而不能自由移动，从而在上端形成一个铰接的支承点，而板桩墙的下端由于其入土深度不同产生不同的工作状态：第一种工作状态：板桩入土不深，由于墙后主动土压力的作用，板桩产生弯曲变形，并围绕板桩上端支承点转动。此时板桩中只有一个方向的弯矩且数值最大，入土部分位移较大。属于自由支承情况，按底端自由支承的弹性线法计算。第二种工作状态：其入土情况和受力情况介于第一和第三种工作状态之间。第三种工作状态：随着板桩入土深度增加，入土部分出现与跨中相反方向的弯矩，板桩弹性嵌固于地基中，入土部分位移小。按底端嵌固支承的弹性线法或竖向弹性地基梁法计算。第四种工作状态：与第三种工作状态类似，但入土深度更大，固端弯矩大于跨中弯矩。作用于板桩墙的土压力分布根据施工方法、拉杆位置及锚着点的水平位移、板桩入土深度、板桩刚度与地基之间的关系等因素的变化而不同，分为两类：①以顶端位移为主的情况，板桩墙的主动土压力呈线性分布，如同刚性墙的情况；②以弯曲变形为主，墙后主动土压力为“R”型分布。板桩墙属于柔性薄壁结构，在土压力等侧向荷载作用下，其轴线将发生挠曲变形，呈复杂的曲线形状。四、试验步骤港口航道工程综合试验指导书1、在板桩墙前泥面以上沿高程方向（以板桩墙桩尖为基准面）按一定的间距安装百分表；2、在板桩墙前泥面以上沿高程方向（以板桩墙桩尖为基准面）按一定的间距粘贴振弦式应变计；3、用引线将振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计与采点箱相连，并将采点箱、振弦频率仪、计算机连接起来；4、将千斤顶及振弦式反力计按照试验设计施加水平荷载的位置安装好，并将振弦式反力计与振弦频率仪（单点）连接起来；5、开启振弦频率仪、计算机电源，打开计算机内已安装的XP99型振弦频率仪的联机软件searialport；6、调零百分表；7、按动振弦频率仪的Ec功能键，选择Ec8命令菜单，进入20点自动扫描自动定时测量状态，再按下RET键，开始进行测量；8、待数据测量完毕后，按动Pr键，选择Pr8命令菜单，进入串口向计算机送数状态，再按下RET键，开始向计算机送入数据；9、打开联机软件searialport操作菜单下的从仪器中接收数据子菜单，端口选用com1，波特率选择2400，起始点号选择000，终止点号选择019，并确定。此时计算机自动读取振弦频率仪测定的数据，待数据读取完毕后存盘；10、用单点频率仪读取振弦式反力计的初始频率值；11、施加水平荷载Hi；12、读取加荷后振弦式反力计的频率值；13、重复7～9步骤；14、读取百分表的读数并记录；15、卸荷；16、重复6～15步骤，直至设计荷载试验完毕。五、试验记录及成果整理、分析1、板桩墙的变形：将所测得的位移绘制成板桩墙的变形曲线；2、板桩墙上的土压力：由振弦式土压力计测得各测点的频率换算成各测点的土压力，绘制作用于板桩墙上的土压力曲线（包括加荷前的曲线和加荷后的曲线）。3、锚杆拉力（轴力）：根据振弦式钢筋计测得在外荷载作用下的频率，计算各拉杆的轴力，并与加荷前拉杆轴力比较。港口航道工程综合试验指导书4、板桩墙上的弯矩变化：根据振弦式应变计在外荷载作用下的频率变化，换算成板桩墙的弯矩，绘制板桩墙在外荷载作用下弯矩图。5、结合港口水工建筑物所学的有关板桩码头的相关知识，根据单锚板桩墙模型的工作状态，选用合适的计算方法和板桩码头计算软件，对所做的试验进行理论分析计算，对比试验结果。六、分析思考题1、为什么每次荷载试验均需要测定初始频率值？答：根据振弦式应变计的工作原理，22210()kfkff。故每次加载均需测定初始频率值。2、板桩墙后的土压力分布与哪些因素有关？答：板桩墙一般属于柔性结构，在土压力作用下其轴线将发生挠曲变形，作用在板桩墙上的土压力分布也随墙体的变形而变化。这种土与墙相互作用的复杂性，给确定板桩墙上的土压力带来很大的困难。一般地，认为作用于板桩墙上的实际土压力将视施工方法、锚杆装设处的水平位移、锚杆位置高低、板桩入土深度、板桩刚度与地基土性质之间的关系等因素有关.3、板桩墙的变形为何会呈复杂的曲线形状？答：板桩墙一般属于柔性结构，在土压力作用下其轴线将发生挠曲变形，作用在板桩墙上的土压力分布也随墙体的变形而变化。这种土与墙相互作用的复杂性，导致板桩墙的变形呈复杂的曲线形状。4、其它条件不变的情况下，若拉杆的位置在垂直方向上、下移动一定距离，对板桩墙的变形、弯矩是否会产生影响？答：会有影响。拉杆作为板桩墙和锚定结构之间的传力构件，将板桩墙上的水平荷载传递给锚定结构，当然会影响板桩墙的变形和内力。实际上我们在计算板桩墙内力时，我们常常假定拉杆与板桩墙呈铰接连接，板桩墙受到铰接的约束而不能自由移动。若拉杆的位置在垂直方向上下移动，则相当于改变板桩墙的上部约束，必然会引起板桩墙变形和内力的变化。5、为什么强调振弦式应变计的粘贴方向？答：振弦式应变计粘贴在结构上，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计能够同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振港口航道工程综合试验指导书弦的振动频率。结构某一点各个方向的应变值是不一样的，这跟结构所用材料的泊松比等因素有关。拉力计板桩码头结构断面图槽钢说明:图中单位为mm。拉杆紧张器连接铰土压力计锚碇板钢筋砼板桩系船柱护舷黄土回填图