基于橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)變測量分析

陸冰 邢書冉 楊安琪

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）2河南省科學(xué)院質(zhì)量檢測與分析測試研究中心（450002）

基于橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)變測量分析

陸冰1邢書冉2楊安琪1

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）2河南省科學(xué)院質(zhì)量檢測與分析測試研究中心（450002）

對橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭刑囟ü?jié)點(diǎn)及位置進(jìn)行布置，設(shè)計(jì)橋路進(jìn)行應(yīng)變測量，順利采集到集中荷載作用下，橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞卣鼽c(diǎn)位置的應(yīng)變響應(yīng)，并對橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诩泻奢d作用下特定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究，將有限元模擬與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證。此外，對橋梁在多種不同工況下特定點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行了測量和研究，結(jié)果表明，采用有限元分析方法可以較為準(zhǔn)確地反映出橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，由靜力分析得出的結(jié)果也能夠?yàn)橐院髮︿撹旒軜虻脑囼?yàn)研究提供依據(jù)。

電測法；應(yīng)變測量；有限元模擬

0 前言

在鐵路橋梁和公鐵二用橋梁方面，鋼桁梁橋是首選橋型，一些19世紀(jì)建造的鐵路桁梁橋由于及時評定和合理加固時至今日仍然在使用中。因此，對鋼桁梁橋的評定和加固工作應(yīng)當(dāng)受到管理養(yǎng)護(hù)部門的關(guān)注，以保持其在壽命期內(nèi)良好的工作性能。肖春平、羅士瑾以及眾多的學(xué)者都對鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)、評定和加固等方面作過深入的研究[1]。

在鋼結(jié)構(gòu)橋橋梁發(fā)展的歷史長河之中，以桿件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為主結(jié)構(gòu)形式的鋼桁梁橋占有較為重要的地位。但是隨著斜拉橋和預(yù)應(yīng)力混凝土橋的發(fā)展，大跨度鋼桁梁橋的發(fā)展受到了一定的限制，因而促使它必須突出創(chuàng)新，在追求完美的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和人文環(huán)境指標(biāo)等方面作出更多的努力[2]。如何有效地構(gòu)建模型，并用實(shí)際數(shù)據(jù)來驗(yàn)證結(jié)果，獲取鋼桁梁橋的不斷完善與發(fā)展的優(yōu)化依據(jù)，是研究者們重點(diǎn)關(guān)注的問題。

文章通過對橋梁模型的受力分析和有限元模擬，研究集中荷載作用下橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞卣鼽c(diǎn)位置的應(yīng)變響應(yīng)，并對橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤奢d作用下特定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究[3]。

1 橋梁模型的受力分析

1）橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該試驗(yàn)研究對象為鋼桁梁橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，所用橋梁模型左半部為三角式，右半部為斜桿式的組合式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

模型規(guī)格如圖2（a），橋長（下弦）為300 cm，橋?qū)挘M梁）40 cm，高（豎桿）為40 cm，斜桿為50 cm，上弦長240 cm，如圖2（b）所示。為用于模擬汽車荷載配重，其規(guī)格為，總荷載為3 000 N，共28塊配重塊，每個配重塊100 N,用于裝載配重塊的小車為200 N。

圖1 橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 橋梁模型及配重塊

2）橋梁模型的應(yīng)變測量及分析

選取特定點(diǎn)為測試點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)位置

選取橋梁中間橫梁為荷載作用位置，荷載F為3000 N，如圖4所示。

圖4 荷載作用位置

3）測點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄見表1、表2、表3。

2 結(jié)果與討論

依據(jù)各測點(diǎn)位置的應(yīng)變得到應(yīng)變分布，如圖5所示。

由圖5可以看出，靠近中間處應(yīng)變值最大橋梁變形最大，整體呈現(xiàn)出對稱的趨勢。在x軸關(guān)于橋梁中間橫梁對稱位置的應(yīng)變有一些許差異，這是由于橋梁右側(cè)部分斜桿與左側(cè)斜桿位置不對稱引起的。三角式鋼桁架橋因受壓斜桿數(shù)量較少，支撐橫梁的豎桿只承受局部荷載，不支撐橫梁，導(dǎo)致整體鋼桁架撓曲線不平順，并在弦桿中產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力。與三角式鋼桁架相比較，橋梁右側(cè)斜桿式結(jié)構(gòu)中豎桿內(nèi)力較大，斜桿與橫梁形成半框架，提高了上弦壓桿的穩(wěn)定。另外，每個測點(diǎn)位置的應(yīng)變值隨著測點(diǎn)上作用的荷載線性增大而呈現(xiàn)出線性遞增，所以可以通過增加鋼橫梁的強(qiáng)度來滿足車輛載重大幅增加的需要[4]。

圖5 測點(diǎn)位置應(yīng)變圖

3 基于ANSYS的有限元分析

1）使用ANSYS軟件，建立圖6所示橋梁模型

表1 各種工況下的應(yīng)變值表（1）

表2 各種工況下的應(yīng)變值表（2）

表3 各種工況下的應(yīng)變值表（4）

圖6 ANSYS橋梁模型

在所建模型上施加節(jié)點(diǎn)約束，左側(cè)特定節(jié)點(diǎn)施加UX、UY約束，右側(cè)特定節(jié)點(diǎn)施加UY約束，如圖7所示。

圖7 施加位移約束

2）施加荷載

根據(jù)不同的工況分別在作用點(diǎn)上施加900 N、1 600 N、2 300 N、3 000 N的荷載，如圖8所示。

圖8 在中間橫梁上施加荷載

集中力作用下的位移圖如圖9所示。

圖9 集中力作用下位移圖

3）求解分析

對于三角式鋼桁架結(jié)構(gòu)和斜桿式鋼桁架結(jié)構(gòu)的組合橋梁，在中間橫梁上受到汽車靜荷載的情況下，使用有限元分析靜態(tài)荷載所得的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)橋梁模型變形前后的形狀、變形大小、應(yīng)力的大小分布及最大變形的位置等，判斷出橋梁結(jié)構(gòu)的危險截面。如圖9所示，在汽車靜荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的最大變形位置處于跨中，它的位移大小為9.87×10-4m，滿足安全要求[5]。由此可得在設(shè)定的靜荷載工況下，此橋梁結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。由橋梁模型的變形圖可以看出，橋梁模型左右變形情況基本呈現(xiàn)出對稱的趨勢，但略有差異，這是由于橋梁左右結(jié)構(gòu)不完全對稱造成的影響,但影響不是很大。右側(cè)橫梁與左側(cè)對應(yīng)位置的橫梁相比變形更小一些，這是因?yàn)橛覀?cè)斜桿式鋼桁架結(jié)構(gòu)中斜桿與橫梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，使得右側(cè)鋼桁架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，所以變形更小。

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件ANSYS對下承式非對稱結(jié)構(gòu)鋼桁架橋進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明使用有限元分析方法可以確切地反映出鋼桁架橋橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性。橋梁左側(cè)三角式鋼桁架結(jié)構(gòu)，其上弦受壓、下弦受拉，形成力偶來平衡外荷載所產(chǎn)生的彎矩，由斜腹桿軸力中的豎向分量來平衡外荷載所產(chǎn)生的剪力。鋼桁架結(jié)構(gòu)中，各桿單元均為軸向受拉或軸向受壓構(gòu)件，使得材料強(qiáng)度得到充分地發(fā)揮。右側(cè)斜桿式鋼桁架橋結(jié)構(gòu)，雖然比三角式鋼桁架結(jié)構(gòu)規(guī)格更多，桿軸內(nèi)力更大，但與橫梁形成強(qiáng)大的半框架很大程度上提高了上弦壓桿的穩(wěn)定。靜力分析可以準(zhǔn)確地得到鋼桁梁橋的受力特性，從而為橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)。

[1]鞠萍華,秦樹人,文成.虛擬式動態(tài)應(yīng)變測試儀[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào).2006(5)：102-104.

[2]肖春平,韓曉林,李愛群,杜東升,曹忠明,趙肇,季新強(qiáng),毛愛玲,石振倉.復(fù)雜環(huán)境下動態(tài)應(yīng)變測試的若干問題研究[J].鋼結(jié)構(gòu).2006(6)：36-39.

[3]羅士瑾,呂媛媛,盧彭真.有限元法在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].市政技術(shù).2005(9)：282-284.

[4]文成.基于虛擬儀器技術(shù)的動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2004(2)：34-36.

[5]王麗明,劉淑娟,王浩.動態(tài)應(yīng)變測試的數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2003(6)：55.