基于MIDAS 研究方法對大型鋼結構平臺荷載受力分析及安全檢測

陳慧 CHEN Hui

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

在眾多的鋼結構中，安全檢測往往是對原材料和連接部位進行檢測，很少對其的服役情況進行模擬荷載，因此無法得到實際荷載的應變參數。本項目依托樂業大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺的檢測，利用軟件MIDAS 對鋼結構進行有限元分析，設定2 種最不利的工況，分級荷載，荷載結果參數和理論結果參數進行比對，充分論證結構的安全性能，同時也為運營維保期提供參考。

1 工程簡介

樂業大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺工程位于廣西樂業縣同樂鎮大石圍景區，長80m，寬10m，右懸挑段長34.0m（從V 字撐支座起算）。主結構采用空間鋼桁架結構，基礎采用嵌巖獨立基礎+抗拔錨桿。主體結構采用Q345鋼材+C35 混凝土基礎+HRB400 錨桿；設計安全等級：二級；設計活載：3.5kN/m2。單次最大接納總人數為280 人，其中一層同一時間最大聚集人數不得超過80 人，二層不得超過150 人（懸挑景觀平臺實景全貌見圖1）。

圖1 懸挑景觀平臺實景全貌

2 MIDAS 建模及模擬工況分析

2.1 有限元建模

采用MIDAS/Civil 2019 通用有限元分析軟件對該結構建模，按照實際結構尺寸模擬，采用該模型進行設計荷載及試驗荷載內力、試驗荷載反應和自振特性的分析計算。有限元模型如圖2 所示。

圖2 結構有限元模型

2.2 試驗跨及測點布置

根據該結構的結構形式、受力特點、現場條件對鋼結構進行荷載試驗抽檢，抽檢數為2 跨，分別左懸挑結構和右懸挑結構（見圖3 軸力分布-活荷載滿載布置）。由軸力分布圖3 可知，最大軸力出現在懸挑根部上下弦桿以及斜撐處，故選取懸挑根部截面（弦桿和斜撐）作為荷載試驗控制截面（C-C 和B-B），監測其應變和撓度，懸挑端部截面（D-D 和A-A）則監測其撓度。選取的測試構件及其編號（應變測點編號）見圖4 和圖5，位移測點編號見圖6。（注：黑點 為應變貼片點，箭頭為位移監測點）

圖3 軸力分布-活荷載滿載布置

圖4 右懸測點布置（工況一）

圖5 左懸測點布置（工況二）

圖6 結構撓度測點布置

2.3 控制內力值及加載效率

式中：ηq——靜力試驗荷載效率；Ss——靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力、應力或變位的最大計算效應值；S′——檢算荷載產生的同一加載控制截面內力、應力或變位的最不利效應計算值；μ——按規范取用的沖擊系數。

②試驗加載采用分級加載的方式，共分4～5 級加載，逐級卸載。

根據計算結果，加載荷載為3.5kN/m2，試驗時采用水配重作為試驗荷載，并分5 級加載。加載面積為：右懸挑結構端部10m×10m 的范圍，左懸挑結構端部10m×4m 的范圍。本次試驗中測試截面（構件）的內力控制值及加載效率，見表1 所示。

表1 各控制截面（構件）內力值及加載效率

2.4 加載工況及位置

荷載試驗采用右懸挑結構端部（10m×10m 范圍）加載3.5kN/m2和左懸挑結構端部（10m×4m 范圍）加載3.5kN/m2兩種工況，采用水配重均布加載，布置如圖7 所示。所有工況均按5 個加載等級加載，逐級卸載。

圖7 左懸挑結構加載示意圖（工況一、工況二）

2.5 荷載試驗理論計算結果

荷載試驗各測點在各加載等級荷載下的應變和撓度理論計算結果見表2～表3，對稱測點的理論值相同，摘取其中一側數值表述。

表2 右懸挑結構應變及撓度測點計算結果（工況一）

表3 左懸挑結構應變及撓度測點計算結果（工況二）

3 荷載試驗及結果分析

3.1 試驗實施順序

①根據MIDAS 建模的結果，標注測量點和壓載水箱位置；②安裝水箱、安裝應變片、高程標志點；③記錄測量點原始外觀情況，測量其高程和坐標、應變的值；④第一級至第五級逐級注水加載，分別記錄外觀變化情況、高程數值、坐標偏移值、應變數值；⑤整理檢測數據，分析結果，撰寫檢測報告。

3.2 試驗結果分析

下列表格中：①表中測試數據，正號表示上升，負號表示下沉；②撓度校驗系數=彈性撓度實測值/撓度計算值；③相對殘余撓度=殘余撓度值/總撓度實測值。

3.2.1 右懸挑結構應變結果及分析 各加載等級下右懸挑結構的應變實測值，滿載下應變校驗、殘余系數詳見表4。

表4 右懸挑結構應變結果（工況一）

右懸挑結構試驗結果表明：各加載等級下，右懸挑結構各控制截面縱向應變校驗系數為0.77～0.85，均小于1.0，說明試驗跨結構的實際強度滿足設計要求；右懸挑結構各控制截面相對殘余應變均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內。

3.2.2 右懸挑結構撓度結果及分析 各加載等級下右懸挑結構的撓度實測值，滿載下撓度校驗、殘余系數詳見表5。

表5 右懸挑結構撓度結果（工況一）

右懸挑結構試驗結果表明：各加載等級下，各控制點撓度校驗系數在0.75～0.83 之間，均小于1.0，說明試驗跨結構的剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內。

3.2.3 左懸挑結構應變結果及分析 各加載等級下左懸挑結構的應變實測值，滿載下應變校驗、殘余系數詳見表6。

表6 左懸挑結構應變結果（工況二）

左懸挑結構試驗結果表明：各加載等級下，各控制截面縱向應變校驗系數為0.78～0.86，均小于1.0，說明試驗跨結構的實際強度滿足設計要求。各控制截面相對殘余應變均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內。

3.2.4 左懸挑結構撓度結果及分析 各加載等級下左懸挑結構的撓度實測值，滿載下撓度校驗、殘余系數詳見表7。

表7 左懸挑結構撓度結果（工況二）

左懸挑結構試驗結果表明：各加載等級下，各控制點撓度校驗系數在0.78～0.79 之間，均小于1.0，說明試驗跨的結構剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內。

4 試驗結論

整個加載過程中，未發現結構有明顯異常響聲或異常變形情況。荷載試驗前后對結構測試截面及附近進行觀測，未發現明顯肉眼可見裂縫。左右懸挑所有試驗點在各級加載下，各控制點撓度校驗系數和截面縱向應變校驗系數在0.75～0.86 之間，均小于1.0，說明試驗跨的結構剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內，鋼結構的質量滿足服役要求。

5 結語

本文通過闡述樂業大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺的檢測試驗，該試驗通過利用軟件MIDAS 對鋼結構進行有限元建模分析，確立鋼結構受力薄弱位置和理論應變，同時通過分級載荷試驗，記錄試驗期間位移沉降值和應變值，通過試驗數據和理論數據比較，充分論證結構的安全性能；同時，也通過此次的試驗，論證檢驗了工程材料和施工工藝的質量，也為運營期的維修保養提供了可靠的數據。