不同計算模型的大跨連續(xù)鋼桁梁橋靜力性能研究

摘要 文章以某公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋為研究對象，采用不同計算模型進行理論分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，進行主橋成橋靜力性能試驗研究。采用邁達斯建立連續(xù)鋼桁梁橋不同有限元模型，分別為平面桿件單元模型、平面梁單元模型、空間桿件單元模型、空間梁單元模型，通過分析，得到了車輛荷載作用下的應力測試截面，確定了靜載試驗測試內(nèi)容及試驗測點布置位置。對不同計算模型的計算值和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)果進行綜合對比分析。

關鍵詞 連續(xù)鋼桁梁橋;平面桿件單元;平面梁單元;空間桿件單元;空間梁單元

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0178-03

引言

鋼桁架是鋼桁梁橋的主要受力結(jié)構(gòu)，鋼桁架結(jié)構(gòu)主要承受汽車、火車等外力產(chǎn)生的彎矩和剪力的作用。鋼桁梁橋具有剛度大、重量小、組裝快捷、用鋼量少、外形美觀等優(yōu)點。鋼桁梁橋在公鐵兩用橋梁以及跨度大的鐵路橋梁中應用廣泛。近年來，鋼桁梁橋的設計跨徑逐年增大，鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)形式也越來越多樣化，鋼桁梁橋的承受外力作用也變得更加復雜[1]。李佳璐、李運生、鄧蓉、孔令宗、徐新利等對鐵路鋼桁梁橋進行了大量的理論分析及荷載試驗的研究分析[2-6];但針對不同計算模型對鋼桁梁橋的受力性能研究卻很少見。該文以某公鐵兩用大橋為研究對象，分別采用平面桿件單元、平面梁單元、空間桿件單元和空間梁單元建立四種計算模型，對主要控制截面處主桁桿件軸力和下弦桿節(jié)點位移進行理論分析并結(jié)合現(xiàn)場靜動載試驗數(shù)據(jù)，對四種計算模型進行科學評價[7-11]分析。

1 工程概況

某公鐵兩用橋結(jié)構(gòu)形式為（120+3×180+120）m五孔平弦連續(xù)鋼桁梁，邊跨跨度為120 m，中跨跨度為180 m，橋梁總長782 m，公路、鐵路分兩層布置，上層為公路，下層為鐵路;鋼桁梁上下兩層高度為18 m，桁架結(jié)構(gòu)寬度為11 m，桁架節(jié)段長度為10 m。采用拼接形式進行組裝，鐵路橋的橋面系是采用縱橫梁體系明橋面，50 kg標準軌，桁內(nèi)線路兩側(cè)設置人工走道;主橋公路面寬19.5 m，雙向四車道，橋面系由縱梁、橫梁及托架組成，其上設置鋼筋混凝土橋面板。主橋3號墩設鉸軸固定支座，其余為滑板活動支座。

2 計算分析

2.1 計算模型

2.1.1 平面桿件單元模型

采用邁達斯/Civil 2021建立連續(xù)鋼桁梁橋平面桿系有限元模型，桁架結(jié)構(gòu)的上下弦桿、斜豎桿建立桁架單元模型。整橋模型共有158個節(jié)點，桁架單元313個。

2.1.2 平面梁單元模型

采用邁達斯/Civil 2021建立連續(xù)鋼桁梁橋平面梁單元有限元模型，桁架結(jié)構(gòu)的上下弦桿、斜豎桿建立梁單元模型。整橋模型共有198個節(jié)點，桁架梁單元353個，有限元模型見圖1。

2.1.3 空間桿件單元模型

采用邁達斯/Civil 2021建立連續(xù)鋼桁梁橋空間桿件單元有限元模型，桁架結(jié)構(gòu)的上下弦桿、斜豎桿建立桿件單元模型，縱橫梁建立梁單元模型，橋面混凝土面板建立板單元模型。整橋模型共有5 017個節(jié)點，8 771個單元，其中桁架單元706個，混凝土板單元693個，桁架梁單元7 372個。

2.1.4 空間梁單元模型

采用邁達斯/Civil 2021建立連續(xù)鋼桁梁橋空間梁單元有限元模型，桁架結(jié)構(gòu)的上下弦桿、斜豎桿建立桿件縱橫梁梁建立梁單元模型，橋面混凝土面板建立板單元模型。整橋模型共有5 017個節(jié)點，8 771個單元，其中混凝土板單元693個，桁架梁單元8 078個。

2.2 計算分析

鋼桁梁主桁包括上弦桿、下弦桿、豎桿、斜桿眾多桿件，同時橋面系由縱、橫梁和橋面板組成，對哪些桿件及部位進行測試是計算分析的重點。由于現(xiàn)場試驗僅對公路部分進行了荷載試驗檢測。為了便于不同計算模型對比分析，因此進行汽車-超20作用下的桿件應力及結(jié)構(gòu)整體變形計算分析，分析云圖以空間梁單元為例，橋跨結(jié)構(gòu)整體變形如圖2所示。

經(jīng)過對四種模型綜合計算分析得到如下結(jié)論：

（1）汽車-超20荷載作用下主桁應變控制截面包括第一跨跨中截面（A截面）、第二跨跨中截面（B截面）、第三跨跨中截面（C截面）、2號墩頂截面（D截面）。

（2）主桁下弦跨中節(jié)點撓度較大，該次測試應對主桁下弦節(jié)點撓度進行測試。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 現(xiàn)場測試方法

（1）應力（應變）測試的測試方法。主橋鋼梁應力控制桿件采用在鋼梁表面粘貼振弦應變計的方法，在每一測點鋼梁表面粘貼四個應變計，并配備應力（應變）數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行測量分析。

（2）撓度測試。主橋撓度測試截面的撓度采集采用多點動態(tài)位移檢測系統(tǒng)進行采集。

3.2 測點布置

現(xiàn)場主桁應變控制截面測點共計布設72個，主桁撓度測點共計布設6個，測點布置部位如圖3所示。

3.3 試驗過程控制

（1）在試驗正式開始前，用標準載重加載車對將要進行測試的橋跨結(jié)構(gòu)的測試截面進行一級加載的預壓加載，預壓加載試驗每一截面的停留時間不少于20 min。靜載試驗前的預壓加載主要是使較長時間不受外力作用的橋跨結(jié)構(gòu)進入正常受力狀態(tài)，再就是檢查撓度、應變測試點位的數(shù)據(jù)是否顯示正常，儀器設備采集是否正常工作。

（2）預壓加載完成后，車輛退出橋面以外，并等待橋跨結(jié)構(gòu)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，方可進行正式的靜載試驗加載。正式的靜載試驗必須按照前期確定的加載方案逐跨進行試驗加載，每完成一個工況的試驗，要等橋跨結(jié)構(gòu)恢復到不受力穩(wěn)定狀態(tài)，方可進行下一工況的加載，以免影響測試數(shù)據(jù)的異常。橋跨結(jié)構(gòu)不受力狀態(tài)的穩(wěn)定情況判斷方式為各測點在不受力狀態(tài)后數(shù)據(jù)變化量很小，即最后的1 min測點數(shù)據(jù)的變化量小于上一個1 min測點數(shù)據(jù)的變化量。

（3）對于在外觀檢查時發(fā)現(xiàn)存在有裂縫的位置，在靜載試驗加載的前、中、后應對裂縫寬度和長度作相應記錄，在外觀檢查時沒有發(fā)現(xiàn)裂縫的橋梁，在靜載試驗加載中、加載后觀察梁體是否產(chǎn)生新增裂縫，并作相應記錄。

3.4 靜力試驗規(guī)則

（1）靜載試驗的實施時間應該選擇在空氣溫度上下浮動小于2 ℃和橋梁梁體溫度變化較穩(wěn)定的時候試驗。靜載試驗在采集測點位置撓度、應變數(shù)據(jù)的同時，還要時刻監(jiān)測所處環(huán)境的地面溫度變化情況。

（2）靜載試驗每一級的加載控制時間，主要取決于測點數(shù)據(jù)變化達到規(guī)范要求的變化范圍內(nèi)，只有測點數(shù)據(jù)變化值達到相對穩(wěn)定，才可以進入下一級的試驗加載。

（3）在正式靜載試驗加載應對前全部測點進行試驗前初讀數(shù)，以后每一級加載完成并數(shù)值相對穩(wěn)定后才可進行下一級加載

4 結(jié)果分析

4.1 應力結(jié)果分析

根據(jù)上述四種計算模型以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對不同控制截面下各主要桿件的最大應變進行分析，分析結(jié)果見表1。由表1可知：

（1）空間桿件單元計算模型各控制截面桿件軸向應變最大，空間模型可以體現(xiàn)應力在橫橋向的分配。

（2）兩空間計算模型相比，上弦桿比下弦桿承受的力要小，這是由橋面板分擔部分受力所致;在偏載加載工況下，空間桿件計算理論值橫向分配系數(shù)更大，空間桿件主桁較小理論應變是空間梁單元較小理論應變的50%左右。

（3）兩平面計算模型相比，主桁上下弦桿受力相差較小。

（4）現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與空間梁單元模型計算出的理論值比較接近，這說明采用空間梁單元模型比較符合工程實際狀況。

4.2 撓度結(jié)果分析

根據(jù)上述四種計算模型以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對不同控制截面下各主要桿件的最大撓度進行分析，分析結(jié)果見表2。由表2可知：鋼桁梁節(jié)點撓度實測值均小于理論計算值。

由表2可得出如下結(jié)果：

（1）空間桿件單元模型理論撓度值最大。

（2）兩平面計算模型相比，鋼桁梁節(jié)點撓度相差較小，這表明鋼桁梁用平面模型計算分析，采用桿件單元或梁單元都能得到較理想的結(jié)果。

（3）現(xiàn)場實測撓度與空間梁單元模型計算出的理論值比較接近，這說明采用空間梁單元模型比較符合工程實際狀況。

5 結(jié)論

針對四種不同計算模型理論分析和現(xiàn)場靜載性能試驗研究，主要結(jié)論如下：

（1）通過有限元建模分析，得到了汽車-超20荷載作用下的應力測試截面，確定了荷載試驗測試內(nèi)容及試驗測點布置位置，給出了測試桿件應力、關鍵節(jié)點撓度的理論計算值;

（2）四種理論計算模型中，兩平面模型計算出的理論值比較接近，可以采用平面梁單元的建模方式和平面桿件單元的建模方式，均能得到較理想的理論值，但平面單元計算出的理論值偏大，相對現(xiàn)場檢測而言相對不利。

（3）兩空間模型計算出的理論值相差較大，相比較而言空間梁單元模型比較結(jié)合實際，在實際的建模計算過程中，建議利用空間梁單元的建模方式。

（4）現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與空間梁單元模型計算出的理論值比較接近，這說明采用空間梁單元模型比較符合工程實際狀況。

參考文獻

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收稿日期：2022-03-29

作者簡介：鄭德馨（1986—），男，本科，中級工程師，研究方向：道路橋梁檢測及技術(shù)研發(fā)。