不同計(jì)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?yàn)檠芯繉?duì)象，采用不同計(jì)算模型進(jìn)行理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行主橋成橋靜力性能試驗(yàn)研究。采用邁達(dá)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(yīng)力測試截面，確定了靜載試驗(yàn)測試內(nèi)容及試驗(yàn)測點(diǎn)布置位置。對(duì)不同計(jì)算模型的計(jì)算值和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

關(guān)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(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(diǎn)。鋼桁梁橋在公鐵兩用橋梁以及跨度大的鐵路橋梁中應(yīng)用廣泛。近年來，鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)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(fù)雜[1]。李佳璐、李運(yùn)生、鄧蓉、孔令宗、徐新利等對(duì)鐵路鋼桁梁橋進(jìn)行了大量的理論分析及荷載試驗(yàn)的研究分析[2-6];但針對(duì)不同計(jì)算模型對(duì)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?yàn)檠芯繉?duì)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(jì)算模型，對(duì)主要控制截面處主桁桿件軸力和下弦桿節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行理論分析并結(jié)合現(xiàn)場靜動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)四種計(jì)算模型進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)[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(jìn)行組裝，鐵路橋的橋面系是采用縱橫梁體系明橋面，50 kg標(biāo)準(zhǔn)軌，桁內(nèi)線路兩側(cè)設(shè)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(shè)置鋼筋混凝土橋面板。主橋3號(hào)墩設(shè)鉸軸固定支座，其余為滑板活動(dòng)支座。

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 平面桿件單元模型

采用邁達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)，桁架單元313個(gè)。

2.1.2 平面梁單元模型

采用邁達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)，桁架梁單元353個(gè)，有限元模型見圖1。

2.1.3 空間桿件單元模型

采用邁達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)，8 771個(gè)單元，其中桁架單元706個(gè)，混凝土板單元693個(gè)，桁架梁單元7 372個(gè)。

2.1.4 空間梁單元模型

采用邁達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)，8 771個(gè)單元，其中混凝土板單元693個(gè)，桁架梁單元8 078個(gè)。

2.2 計(jì)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(shí)橋面系由縱、橫梁和橋面板組成，對(duì)哪些桿件及部位進(jìn)行測試是計(jì)算分析的重點(diǎn)。由于現(xiàn)場試驗(yàn)僅對(duì)公路部分進(jìn)行了荷載試驗(yàn)檢測。為了便于不同計(jì)算模型對(duì)比分析，因此進(jìn)行汽車-超20作用下的桿件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體變形計(jì)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(duì)四種模型綜合計(jì)算分析得到如下結(jié)論：

（1）汽車-超20荷載作用下主桁應(yīng)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(hào)墩頂截面（D截面）。

（2）主桁下弦跨中節(jié)點(diǎn)撓度較大，該次測試應(yīng)對(duì)主桁下弦節(jié)點(diǎn)撓度進(jìn)行測試。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場測試方法

（1）應(yīng)力（應(yīng)變）測試的測試方法。主橋鋼梁應(yīng)力控制桿件采用在鋼梁表面粘貼振弦應(yīng)變計(jì)的方法，在每一測點(diǎn)鋼梁表面粘貼四個(gè)應(yīng)變計(jì)，并配備應(yīng)力（應(yīng)變）數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)動(dòng)態(tài)位移檢測系統(tǒng)進(jìn)行采集。

3.2 測點(diǎn)布置

現(xiàn)場主桁應(yīng)變控制截面測點(diǎn)共計(jì)布設(shè)72個(gè)，主桁撓度測點(diǎn)共計(jì)布設(shè)6個(gè)，測點(diǎn)布置部位如圖3所示。

3.3 試驗(yàn)過程控制

（1）在試驗(yàn)正式開始前，用標(biāo)準(zhǔn)載重加載車對(duì)將要進(jìn)行測試的橋跨結(jié)構(gòu)的測試截面進(jìn)行一級(jí)加載的預(yù)壓加載，預(yù)壓加載試驗(yàn)每一截面的停留時(shí)間不少于20 min。靜載試驗(yàn)前的預(yù)壓加載主要是使較長時(shí)間不受外力作用的橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常受力狀態(tài)，再就是檢查撓度、應(yīng)變測試點(diǎn)位的數(shù)據(jù)是否顯示正常，儀器設(shè)備采集是否正常工作。

（2）預(yù)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(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，方可進(jìn)行正式的靜載試驗(yàn)加載。正式的靜載試驗(yàn)必須按照前期確定的加載方案逐跨進(jìn)行試驗(yàn)加載，每完成一個(gè)工況的試驗(yàn)，要等橋跨結(jié)構(gòu)恢復(fù)到不受力穩(wěn)定狀態(tài)，方可進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)的變化量小于上一個(gè)1 min測點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化量。

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

3.4 靜力試驗(yàn)規(guī)則

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

（2）靜載試驗(yàn)每一級(jí)的加載控制時(shí)間，主要取決于測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化達(dá)到規(guī)范要求的變化范圍內(nèi)，只有測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化值達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，才可以進(jìn)入下一級(jí)的試驗(yàn)加載。

（3）在正式靜載試驗(yàn)加載應(yīng)對(duì)前全部測點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)前初讀數(shù)，以后每一級(jí)加載完成并數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定后才可進(jìn)行下一級(jí)加載

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果分析

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

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

（2）兩空間計(jì)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(dān)部分受力所致;在偏載加載工況下，空間桿件計(jì)算理論值橫向分配系數(shù)更大，空間桿件主桁較小理論應(yīng)變是空間梁單元較小理論應(yīng)變的50%左右。

（3）兩平面計(jì)算模型相比，主桁上下弦桿受力相差較小。

（4）現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與空間梁單元模型計(jì)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(shí)際狀況。

4.2 撓度結(jié)果分析

根據(jù)上述四種計(jì)算模型以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)不同控制截面下各主要桿件的最大撓度進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。由表2可知：鋼桁梁節(jié)點(diǎn)撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)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(jì)算模型相比，鋼桁梁節(jié)點(diǎn)撓度相差較小，這表明鋼桁梁用平面模型計(jì)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(shí)測撓度與空間梁單元模型計(jì)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(shí)際狀況。

5 結(jié)論

針對(duì)四種不同計(jì)算模型理論分析和現(xiàn)場靜載性能試驗(yàn)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(yīng)力測試截面，確定了荷載試驗(yàn)測試內(nèi)容及試驗(yàn)測點(diǎn)布置位置，給出了測試桿件應(yīng)力、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)撓度的理論計(jì)算值;

（2）四種理論計(jì)算模型中，兩平面模型計(jì)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(jì)算出的理論值偏大，相對(duì)現(xiàn)場檢測而言相對(duì)不利。

（3）兩空間模型計(jì)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(shí)際，在實(shí)際的建模計(jì)算過程中，建議利用空間梁單元的建模方式。

（4）現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與空間梁單元模型計(jì)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(shí)際狀況。

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收稿日期：2022-03-29

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