基于橋梁試驗模型的應變測量分析

陸冰 邢書冉 楊安琪

1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）2河南省科學院質量檢測與分析測試研究中心（450002）

基于橋梁試驗模型的應變測量分析

陸冰1邢書冉2楊安琪1

1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）2河南省科學院質量檢測與分析測試研究中心（450002）

對橋梁試驗模型中特定節點及位置進行布置，設計橋路進行應變測量，順利采集到集中荷載作用下，橋梁試驗模型特征點位置的應變響應，并對橋梁試驗模型在集中荷載作用下特定節點的應變規律進行研究，將有限元模擬與實際試驗結果相驗證。此外，對橋梁在多種不同工況下特定點的應變進行了測量和研究，結果表明，采用有限元分析方法可以較為準確地反映出橋梁結構的受力特性，由靜力分析得出的結果也能夠為以后對鋼桁架橋的試驗研究提供依據。

電測法；應變測量；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當受到管理養護部門的關注，以保持其在壽命期內良好的工作性能。肖春平、羅士瑾以及眾多的學者都對鋼桁梁橋的設計、評定和加固等方面作過深入的研究[1]。

在鋼結構橋橋梁發展的歷史長河之中，以桿件結構系統為主結構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應力混凝土橋的發展，大跨度鋼桁梁橋的發展受到了一定的限制，因而促使它必須突出創新，在追求完美的技術、經濟和人文環境指標等方面作出更多的努力[2]。如何有效地構建模型，并用實際數據來驗證結果，獲取鋼桁梁橋的不斷完善與發展的優化依據，是研究者們重點關注的問題。

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模型特征點位置的應變響應，并對橋梁試驗模型在荷載作用下特定節點的應變規律進行研究[3]。

1 橋梁模型的受力分析

1）橋梁試驗模型

該試驗研究對象為鋼桁梁橋試驗模型，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構，如圖1所示。

模型規格如圖2（a），橋長（下弦）為300 cm，橋寬（橫梁）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 橋梁試驗模型

圖2 橋梁模型及配重塊

2）橋梁模型的應變測量及分析

選取特定點為測試點，如圖3所示。

圖3 測點位置

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）測點數據記錄見表1、表2、表3。

2 結果與討論

依據各測點位置的應變得到應變分布，如圖5所示。

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

圖5 測點位置應變圖

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 各種工況下的應變值表（1）

表2 各種工況下的應變值表（2）

表3 各種工況下的應變值表（4）

圖6 ANSYS橋梁模型

在所建模型上施加節點約束，左側特定節點施加UX、UY約束，右側特定節點施加UY約束，如圖7所示。

圖7 施加位移約束

2）施加荷載

根據不同的工況分別在作用點上施加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構和斜桿式鋼桁架結構的組合橋梁，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荷載所得的計算結果，根據橋梁模型變形前后的形狀、變形大小、應力的大小分布及最大變形的位置等，判斷出橋梁結構的危險截面。如圖9所示，在汽車靜荷載作用下，橋梁結構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]。由此可得在設定的靜荷載工況下，此橋梁結構滿足剛度要求。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出對稱的趨勢，但略有差異，這是由于橋梁左右結構不完全對稱造成的影響,但影響不是很大。右側橫梁與左側對應位置的橫梁相比變形更小一些，這是因為右側斜桿式鋼桁架結構中斜桿與橫梁構成框架結構，使得右側鋼桁架結構更穩定，所以變形更小。

4 結論

利用有限元分析軟件ANSYS對下承式非對稱結構鋼桁架橋進行了靜力學分析，結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構的受力特性。橋梁左側三角式鋼桁架結構，其上弦受壓、下弦受拉，形成力偶來平衡外荷載所產生的彎矩，由斜腹桿軸力中的豎向分量來平衡外荷載所產生的剪力。鋼桁架結構中，各桿單元均為軸向受拉或軸向受壓構件，使得材料強度得到充分地發揮。右側斜桿式鋼桁架橋結構，雖然比三角式鋼桁架結構規格更多，桿軸內力更大，但與橫梁形成強大的半框架很大程度上提高了上弦壓桿的穩定。靜力分析可以準確地得到鋼桁梁橋的受力特性，從而為橋梁結構的優化提供依據。

[1]鞠萍華,秦樹人,文成.虛擬式動態應變測試儀[J].西南石油學院學報.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,毛愛玲,石振倉.復雜環境下動態應變測試的若干問題研究[J].鋼結構.2006(6)：36-39.

[3]羅士瑾,呂媛媛,盧彭真.有限元法在橋梁結構中的應用[J].市政技術.2005(9)：282-284.

[4]文成.基于虛擬儀器技術的動態應變測量系統設計[J].重慶工業高等專科學校學報.2004(2)：34-36.

[5]王麗明,劉淑娟,王浩.動態應變測試的數據處理[J].機械設計與制造.2003(6)：55.