三維鋼桁架橋靜力理論模型與試驗分析

郭智剛，林自煒，楊浩琳，鄒 丹，陸 斌

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418;2.中交第三航務(wù)工程局有限公司 廈門分公司，福建 廈門 361006; 3.武漢建策工程咨詢有限公司，武漢 430056)

三維鋼桁架橋靜力理論模型與試驗分析

郭智剛1，林自煒2，楊浩琳3，鄒 丹1，陸 斌1

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418;2.中交第三航務(wù)工程局有限公司 廈門分公司，福建 廈門 361006; 3.武漢建策工程咨詢有限公司，武漢 430056)

設(shè)計了三維鋼桁架橋模型并進行靜力試驗分析，同時采用Matlab軟件編制程序建立三維鋼桁架橋靜力有限元模型，按照試驗靜力加載工況對有限元模型進行加載分析。分析不同的單元類型、邊界條件、截面尺寸對結(jié)果的影響，并與試驗結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，在垂直荷載作用下，采用桿單元和梁單元計算的位移結(jié)果都比較接近，模型采用鉸接的計算結(jié)果比固結(jié)大，單肢角鋼的模型剛度是雙肢角鋼的模型剛度的50%。理論模型在固結(jié)、雙肢角鋼條件下與試驗結(jié)果接近。

三維鋼桁架橋； 靜力理論模型； 試驗分析

0 引 言

鋼桁架橋以其跨越能力強、施工速度快、承載能力強、耐久性高普遍應(yīng)用于鐵路橋梁。同時，桁架的特點十分明顯，各桿件受力均以單向受拉或受壓為主。因此，高校結(jié)構(gòu)試驗普遍采用鋼桁架橋模型。然而，目前國內(nèi)高校結(jié)構(gòu)試驗[1-4]所用的鋼桁架橋模型為二維模型，與實際鋼桁架橋不一致。為了讓軌道交通專業(yè)的學(xué)生熟悉鋼桁架橋的受力特性，有必要設(shè)計三維鋼桁架橋模型[5-13]，對三維鋼桁架橋模型進行受力分析。

本文首先設(shè)計三維鋼桁架橋模型并進行靜力測試，同時采用Maltab軟件編制程序[8]建立三維鋼桁架橋靜力模型，按照試驗靜力加載工況對數(shù)值模型進行加載分析。分析在不同邊界條件、不同截面尺寸對結(jié)果的影響，并與試驗結(jié)果進行比較。

1 試驗分析

1.1模型設(shè)計

設(shè)計的三維鋼桁架橋模型如圖1所示，主桁架尺寸如圖2所示，上平縱聯(lián)尺寸如圖3所示，下平縱聯(lián)尺寸如圖4所示。

圖1 三維鋼桁架橋模型圖

圖2 主桁架圖(mm)

圖3 上平縱聯(lián)尺寸圖(mm)

圖4 下平縱聯(lián)尺寸圖(mm)

1.2試驗

1.2.1試驗測點

試驗布設(shè)的測點不宜過多，但要保證觀測質(zhì)量。主要測點的布設(shè)應(yīng)能測試出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力應(yīng)變和最大位移。三維鋼桁架橋模型測點布置為1/6、2/6、3/6、4/6、5/6等關(guān)鍵位置，測點對稱布置。測點為圖5中的2、3、4、5、6點。

圖5 三維鋼桁架橋模型測點示意圖

1.2.2試驗荷載

本次試驗荷載布置在跨中，加載順序為0、150、300、600、960 N。試驗加載如圖6所示。

圖6 三維鋼桁架橋模型靜力加載試驗

1.3試驗結(jié)果

三維鋼桁架橋模型節(jié)點2～6的位移如表1所示。

表1 三維鋼桁架橋模型節(jié)點2～6節(jié)點位移 μm

從表1可以看出，位移結(jié)果并不對稱。其誤差為：①兩片主桁架在焊接過程中有偏差導(dǎo)致結(jié)果本身并不對稱；②鋼材本身有缺陷，在焊接過程中有殘余應(yīng)力；③在施加荷載過程中壓力作用點有所偏移，分配到桿上的荷載并不對稱。

2 靜力理論模型分析

2.1有限元模型

為了讓學(xué)生能夠通過理論知識了解鋼桁架橋模型的受力特性，采用Matlab軟件編制程序[14-15]建立三維鋼桁架橋靜力有限元模型。首先將模型離散化，寫出每個單元的單元剛度矩陣，然后集成整體剛度矩陣，引入邊界條件，按照試驗靜力加載工況對數(shù)值模型進行加載，最后求解方程。

根據(jù)三維鋼桁架橋模型的單元類型、桿件截面類型、模型約束條件等變量，考慮8種工況進行分析，并與試驗結(jié)果進行比較。工況類型見表2。

2.2結(jié)果分析

2.2.1單元選擇的影響

表3為桿單元和梁單元的位移結(jié)果，分別對應(yīng)工況4和8，其他工況結(jié)果比較類似。從表3可以看出，采用桿單元和梁單元計算的位移結(jié)果比較接近，即在垂直荷載作用下，梁單元的轉(zhuǎn)角對位移的影響很小。

表2 工況類型

表3 工況4、8各節(jié)點位移 μm

2.2.2約束的影響

表4為模型在鉸接和固結(jié)2種情況下的桿單元的位移結(jié)果，分別對應(yīng)工況1和2，其他工況結(jié)果比較類似。從表4可以看出，模型采用鉸接的計算結(jié)果比固結(jié)大。

表4 工況1、2各節(jié)點位移 μm

2.2.3截面的影響

表5為模型在鉸接、桿單元情況下，采用單肢角鋼和雙肢角鋼兩種位移結(jié)果，分別對應(yīng)工況1和3，其他工況結(jié)果比較類似。從表5可以看出，單肢角鋼的面積是雙肢角鋼面積的2倍，即單肢角鋼的模型剛度是雙肢角鋼的模型剛度的50%。

表5 工況1、工況3各節(jié)點位移 μm

2.2.3理論與試驗結(jié)果的比較

試驗?zāi)Ｐ偷倪吔鐥l件為固結(jié)，但由于誤差并沒有完全真實模擬固結(jié)情況。同時，截面為雙肢角鋼，但是雙肢角鋼并沒有完全焊接在一起，也不能完全與雙肢角鋼模型的剛度吻合。因此，將試驗結(jié)果與8種工況進行比較分析(見表1與表3～5)，與試驗結(jié)果最接近的是第4、8工況的結(jié)果，即為固結(jié)、雙肢角鋼條件。但有所偏差，是由于試驗?zāi)Ｐ偷恼`差導(dǎo)致。

3 結(jié) 語

本文對三維鋼桁架橋模型模型進行靜力測試，并采用Maltab軟件編制程序建立三維鋼桁架橋靜力模型，分析在不同邊界條件、不同截面尺寸對結(jié)果的影響，并與試驗結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，在垂直荷載作用下，采用桿單元和梁單元計算的位移結(jié)果比較接近，模型采用鉸接的計算結(jié)果比固結(jié)大，單肢角鋼的模型剛度是雙肢角鋼的模型剛度的50%。理論模型在固結(jié)、雙肢角鋼條件下與試驗結(jié)果接近。下一步工作是需要對模型進行修正，與試驗結(jié)果吻合。

[1] 趙東旭,孫立權(quán),楊建梅，等.工科類綜合型專業(yè)實驗教學(xué)設(shè)計的新模式[J].實驗室研究與探索,2016(7):214-217.

[2] 何麗明,蔣 群,閆曉梅，等.實驗教學(xué)對提高本科生科研素質(zhì)的探索[J].實驗室研究與探索,2016(8):197-199，216.

[3] 陳 煜,李樹奎,姜春鳳.演示實驗教學(xué)在工科通識課程中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2015(12):160-163.

[4] 陳雷雷,李 俊,沈妙妙.建模與仿真課程設(shè)計的教學(xué)實踐與探索[J].實驗室研究與探索,2014(7):210-213.

[5] 邢華雷.鋼管拱桁架擬動力試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與試驗過程模擬分析[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[6] 淡丹輝,何廣漢.基于靜態(tài)應(yīng)變測量的橋梁結(jié)構(gòu)傳感器布置法[J].工程設(shè)計CAD與智能建筑,2002,63(2):53-56.

[7] 左 云,陳明憲,趙躍宇.橋梁健康監(jiān)測及傳感器的優(yōu)化布置[J].公路,2004(4):90-94.

[8] 唐亞鳴,張河.信息傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息,2003(5):48-50.

[9] 崔 飛,袁萬城,史家鈞.傳感器優(yōu)化布設(shè)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,27(2):165-169.

[10] 徐鶴龍.基于正則化方法的有限元模型修正[D].上海:上海師范大學(xué),2013.

[11] 駱勇鵬.基于響應(yīng)面法的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型靜動力修正方法研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2013.

[12] 袁向榮,劉 輝,胡幫義，等.基于Midas的懸臂鋼桁梁有限元分析及螺栓剛度識別[J].實驗室研究與探索,2016(8):116-120.

[13] 朱新圓,阿肯江·托呼提.鋼桁架結(jié)構(gòu)損傷識別的頻響函數(shù)曲率法[J].實驗室研究與探索,2014(6):40-44.

[14] 吳青鳳.基于Matlab和實驗平臺的機構(gòu)運動分析[J].實驗室研究與探索,2014(8):140-143.

[15] Kattan P I.Matlab有限元分析與應(yīng)用[M].韓來彬譯.北京：清華大學(xué)出版社,2004.

Experimental Analysis and Statically Theoretic Model for the 3-Dimensional Steel Truss Bridge

GUOZhigang1,LINZiwei2,YANGHaolin3,ZOUDan1,LUBin1

(1.School of Railway Transportation,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;2.Xiamen Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Xiamen 361006,Fujian,China;3.Wuhan Jet Con Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)

The model of steel truss bridge for structural experiment of domestic colleges is 2-dimensional model,which is not inconsistent with the actual steel truss bridge.Therefore,a 3-dimensional steel truss model could be redesigned and analyzed for static test.Meanwhile,the 3-dimensional steel truss static finite element model was established by the Matlab software and analyzed in accordance with the static test loading conditions.The effect of experimental result was analyzed by the different element types,boundary conditions and sectional sizes.The results show that the displacement results computed by truss element are relatively closed to results computed by beam element.The displacement data by hinge condition are larger than data by fixed condition.The stiffness of single model is 50% of the stiffness of coupled model.The experimental data under fixed condition and coupled model are in agreement with the theoretical results.

three-dimensional steel truss model; static theory model; experiment and analysis

2016-10-10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB036300);上海市高校青年教師培養(yǎng)資助項目(ZZyy15111);校級重點課程建設(shè)項目(KC20151502);校級教學(xué)改革研究項目(JG20161502);校企合作實驗項目(XQ161061)，本科畢業(yè)論文重點項目(T165012)，大學(xué)生創(chuàng)新活動項目(DCX2015249、DCX2015250、DCX2015251、DCX2015243、DCX2016334、DCX2016337、PE2016227、SH2016078)

郭智剛(1984-)，男，湖北黃岡人，博士，講師，研究方向：橋梁健康監(jiān)測、軌道工程。

Tel.：15021713884；E-mail：zhigangguo@sit.edu.cn

TU317+.1

：A

1006-7167(2017)07-0024-03