基于MIDAS的鋼桁梁檢測靜載輪位模型優(yōu)化

朱莉鵬（沈陽鐵路局工務(wù)檢測所，沈陽110031）

基于MIDAS的鋼桁梁檢測靜載輪位模型優(yōu)化

朱莉鵬
（沈陽鐵路局工務(wù)檢測所，沈陽110031）

鐵路鋼桁梁橋靜載試驗(yàn)中，利用Midas建立仿真模型，并提取桿件的最不利荷載輪位及其影響線，在這一過程中，發(fā)現(xiàn)最不利荷載輪位中所有試驗(yàn)編組的集中荷載均未通過桁梁節(jié)點(diǎn)的問題，通過分析其問題原因，優(yōu)化Midas模型，解決了靜載試驗(yàn)加載輪位錯(cuò)誤的問題，提取出合理影響線，通過現(xiàn)場測試對比實(shí)測值與理論值，驗(yàn)證結(jié)果良好。

靜載檢測;MIDAS;鐵路;鋼桁梁;加載輪位;模型優(yōu)化

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.124

1 引言

對于運(yùn)營線路上的特大橋、大橋以及重要橋梁，規(guī)定每10年進(jìn)行一次常規(guī)綜合檢定，靜載測試作為其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為評估橋梁結(jié)構(gòu)承載能力提供結(jié)論支撐，而試驗(yàn)列車加載位置的準(zhǔn)確與否，直接影響測試結(jié)論的真實(shí)性與可信度。

2 模型概述

2.1 計(jì)算模型

以下承式鋼桁梁為例，結(jié)構(gòu)對稱：左右兩片桁架，縱梁、橫梁、軌道均為對稱布置；傳力順序：軸重→鋼軌→枕木→縱梁→橫梁→主桁節(jié)點(diǎn)→主桁桿件→端節(jié)點(diǎn)→支座。

對于鐵路鋼桁梁這種結(jié)構(gòu)對稱、荷載受力傳遞明確的桁架結(jié)構(gòu)，在早期橋梁的設(shè)計(jì)過程中，采用平面理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；現(xiàn)行《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函[2004]120號）[1]中各項(xiàng)檢定指標(biāo)亦采用平面理論，例如，桁梁桿件影響線、承載力檢算的基本公式等。基于MIDAS建立平面模型具有單元節(jié)點(diǎn)少，荷載施加方便，工作量小等特點(diǎn),目前，大多采用平面模型進(jìn)行理論計(jì)算。

2.2 測試模型

按照桿件類型和受力特點(diǎn)，選取弦桿中跨下弦拉桿、跨中上弦壓桿，腹桿中第一壓桿（橋門架）、第一拉桿、吊桿、反復(fù)應(yīng)力桿（交叉桿）等部位進(jìn)行測試。參考控制桿件影響線及加載效率要求，選取鐵路列車編組：1×DF8月+6×C80月滿載車，列車首尾車軸間長度89.965m，長度能夠覆全橋。該橋結(jié)構(gòu)對稱，荷載對稱，故選取半跨進(jìn)行測試。

3 MIDAS模型優(yōu)化及靜載輪位的確定

3.1 計(jì)算模型單元類型的選取

在結(jié)構(gòu)力學(xué)原理中，認(rèn)為鋼桁梁桿件為二力桿，僅受軸力，節(jié)點(diǎn)為鉸接，不傳遞彎矩。而實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)板處經(jīng)過鉚釘群或螺栓群作用后，桿件間并非純鉸接或純剛接,節(jié)點(diǎn)連接主要體現(xiàn)剛接特性，故利用MIDAS軟件建立模型的過程中，鋼桁梁桿件選取梁單元?jiǎng)傂赃B接。在基于MIDAS建立的平面模型中，施加移動(dòng)荷載的前提是先設(shè)置車道，軟件默認(rèn)僅梁單元可設(shè)為車道單元，否則無法施加移動(dòng)荷載，因此，下承式鋼桁梁的車道設(shè)置在下弦桿（梁單元）上。

3.2 計(jì)算模型中最不利荷載輪位的提取過程

利用MIDAS軟件確定靜載試驗(yàn)列車加載輪位的步驟：（1）建立橋梁平面模型；（2）選取全橋下弦桿（梁單元）設(shè)置車道，施加自定義試驗(yàn)列車（現(xiàn)行最不利荷載試驗(yàn)工況）；（3）運(yùn)行分析；（4）在分析結(jié)果中，通過移動(dòng)荷載追蹤器，分別提取重要典型桿件內(nèi)力最不利時(shí)的荷載工況，即靜載試驗(yàn)的加載位置。

3.3 計(jì)算模型中提取靜載輪位時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題

在結(jié)構(gòu)力學(xué)原理[2]中，桁架結(jié)構(gòu)屬于節(jié)點(diǎn)受力，靜載輪位中以試驗(yàn)列車的某一輪軸壓在桁梁節(jié)點(diǎn)處為特征。按平面理論分析，桁梁桿件的影響線頂點(diǎn)必在節(jié)點(diǎn)上，只有當(dāng)某一集中荷載作用在影響線頂點(diǎn)時(shí)，才有可能引起臨界荷載，即最不利荷載位置，也就是我們要提取的靜載輪位。而基于MIDAS建立的平面模型所提取的靜載輪位出現(xiàn)了試驗(yàn)列車所有輪軸均未壓在桁梁節(jié)點(diǎn)上的情況（見圖1），并且其給出的影響線頂點(diǎn)不在節(jié)點(diǎn)位置，而在桿件中點(diǎn)，依據(jù)影響線初步判斷，結(jié)論違背常識(shí)。

圖1 優(yōu)化前、后對比

3.4 計(jì)算模型問題原因分析

在MIDAS軟件中，梁單元本身具有傳遞彎矩、軸力、剪力的特性，故而使理論上的二力桿件，在桿中表現(xiàn)出了彎矩的受力特性，最終所提取的最不利加載輪位，以試驗(yàn)列車某一輪軸壓在桿件跨中為特征，而不是試驗(yàn)列車的某一輪軸壓在桁梁節(jié)點(diǎn)為特征，造成了與結(jié)構(gòu)力學(xué)原理相互矛盾的情況（見圖1a）。

3.5 計(jì)算模型優(yōu)化方法

基于上述問題，對仿真模型進(jìn)行優(yōu)化。將梁單元視為簡支梁，在MIDAS移動(dòng)荷載分析控制數(shù)據(jù)菜單中，梁單元加載位置按所有點(diǎn)加載，每個(gè)線單元上影響線點(diǎn)的數(shù)量默認(rèn)為3，這3個(gè)點(diǎn)分別為梁單元端點(diǎn)和梁單元中點(diǎn)，分別對應(yīng)軸力、剪力，以及彎矩。現(xiàn)將每個(gè)線單元上影響線點(diǎn)的數(shù)量調(diào)整為2，這2個(gè)點(diǎn)僅為梁單元的端點(diǎn)，這2個(gè)節(jié)點(diǎn)僅傳遞軸力和剪力，按節(jié)點(diǎn)法受力分解，經(jīng)優(yōu)化后桿件內(nèi)部就僅傳遞軸力了（見圖1b）。

3.6 計(jì)算模型優(yōu)化前后對比

提取跨中下弦桿件L3、L4的加載輪位。橋梁計(jì)算長度為47.3456m（英制梁），自定義試驗(yàn)列車為1DF8月+3C80月，列車首尾全長53.965m，該橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)。

1）經(jīng)優(yōu)化后其中一個(gè)集中荷載作用在L3節(jié)點(diǎn)上，即影響線的頂點(diǎn)上。影響線頂點(diǎn)豎標(biāo)相差4.82%。

2）經(jīng)優(yōu)化后跨中下弦桿件L3、L4的影響線的形狀、面積均發(fā)生了改變。影響線形狀由三角形變?yōu)榈妊菪危绊懢€面積相差1.17%。

3.7 優(yōu)化模型理論計(jì)算值與實(shí)測值對比

對比各桿件計(jì)算值與實(shí)測值：除第二壓桿U4L3實(shí)測值略大于計(jì)算值，經(jīng)推算至“中-活載”為62.63MPa,遠(yuǎn)小于鋼材材料容許應(yīng)力170 MPa，其余實(shí)測值均小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足要求。各節(jié)點(diǎn)撓度實(shí)測值小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)豎向剛度滿足要求。通過對比分析，可見主桁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度有一定的儲(chǔ)備，同時(shí)也反映出結(jié)構(gòu)本身高跨比較大，屬超靜定結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。

表1 主輪位下各桿件實(shí)測值與理論計(jì)算值 MPa

4 結(jié)語

MIDAS模型經(jīng)優(yōu)化后，主測桿件靜載輪位及其影響線更加合理，更符合平面理論下的桁架結(jié)構(gòu)。由于計(jì)算模型優(yōu)化前后其模型本質(zhì)是不同的，前者按梁考慮桿件傳遞彎矩，后者按桿考慮僅傳遞軸力，雖然計(jì)算結(jié)果相差不大，但容易掩蓋錯(cuò)誤的本質(zhì)，正所謂“失之毫厘謬以千里”。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試，對比分析實(shí)測值與計(jì)算值，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、豎向剛度安全可靠。

【1】鐵運(yùn)函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].

Steel Truss Girder Detection Based on MIDAS Static Load Wheel Model Optimization

ZHU Li-peng
(Shenyang Railway Bureau Work Section Testing Division,Liaoning Province,Shenyang110031,China)

In the rail way steel truss static load test, the simulation model which is based on MIDAS, it can extract the unfavorable load wheel andinfluence line of the bar. In this process,we found that all concentrated loads organized in testing have not pass the truss nodes in unfavorable loadwheel. This paper via analysing the reason, optimizing the MIDAS model, solves the static load test wheel loading problem, giving a reasonableaffecting line.Compared the test value with theoretical value by field test ,a satisfying result is verified.

static load test;MIDAS; railway; steel truss beam; loaded wheel;model optimization

U446.1

A

1007-9467（2016）12-0060-02

2016-10-17

朱莉鵬（1979～），男，遼寧沈陽人，工程師，從事橋梁檢測數(shù)據(jù)分析研究。