基于桥梁试验模型的应变测量分析

陆冰 邢书冉 杨安琪

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）2河南省科学院质量检测与分析测试研究中心（450002）

基于桥梁试验模型的应变测量分析

陆冰1邢书冉2杨安琪1

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）2河南省科学院质量检测与分析测试研究中心（450002）

对桥梁试验模型中特定节点及位置进行布置，设计桥路进行应变测量，顺利采集到集中荷载作用下，桥梁试验模型特征点位置的应变响应，并对桥梁试验模型在集中荷载作用下特定节点的应变规律进行研究，将有限元模拟与实际试验结果相验证。此外，对桥梁在多种不同工况下特定点的应变进行了测量和研究，结果表明，采用有限元分析方法可以较为准确地反映出桥梁结构的受力特性，由静力分析得出的结果也能够为以后对钢桁架桥的试验研究提供依据。

电测法；应变测量；有限元模拟

0 前言

在铁路桥梁和公铁二用桥梁方面，钢桁梁桥是首选桥型，一些19世纪建造的铁路桁梁桥由于及时评定和合理加固时至今日仍然在使用中。因此，对钢桁梁桥的评定和加固工作应当受到管理养护部门的关注，以保持其在寿命期内良好的工作性能。肖春平、罗士瑾以及众多的学者都对钢桁梁桥的设计、评定和加固等方面作过深入的研究[1]。

在钢结构桥桥梁发展的历史长河之中，以杆件结构系统为主结构形式的钢桁梁桥占有较为重要的地位。但是随着斜拉桥和预应力混凝土桥的发展，大跨度钢桁梁桥的发展受到了一定的限制，因而促使它必须突出创新，在追求完美的技术、经济和人文环境指标等方面作出更多的努力[2]。如何有效地构建模型，并用实际数据来验证结果，获取钢桁梁桥的不断完善与发展的优化依据，是研究者们重点关注的问题。

文章通过对桥梁模型的受力分析和有限元模拟，研究集中荷载作用下桥梁试验模型特征点位置的应变响应，并对桥梁试验模型在荷载作用下特定节点的应变规律进行研究[3]。

1 桥梁模型的受力分析

1）桥梁试验模型

该试验研究对象为钢桁梁桥试验模型，所用桥梁模型左半部为三角式，右半部为斜杆式的组合式结构，如图1所示。

模型规格如图2（a），桥长（下弦）为300 cm，桥宽（横梁）40 cm，高（竖杆）为40 cm，斜杆为50 cm，上弦长240 cm，如图2（b）所示。为用于模拟汽车荷载配重，其规格为，总荷载为3 000 N，共28块配重块，每个配重块100 N,用于装载配重块的小车为200 N。

图1 桥梁试验模型

图2 桥梁模型及配重块

2）桥梁模型的应变测量及分析

选取特定点为测试点，如图3所示。

图3 测点位置

选取桥梁中间横梁为荷载作用位置，荷载F为3000 N，如图4所示。

图4 荷载作用位置

3）测点数据记录见表1、表2、表3。

2 结果与讨论

依据各测点位置的应变得到应变分布，如图5所示。

由图5可以看出，靠近中间处应变值最大桥梁变形最大，整体呈现出对称的趋势。在x轴关于桥梁中间横梁对称位置的应变有一些许差异，这是由于桥梁右侧部分斜杆与左侧斜杆位置不对称引起的。三角式钢桁架桥因受压斜杆数量较少，支撑横梁的竖杆只承受局部荷载，不支撑横梁，导致整体钢桁架挠曲线不平顺，并在弦杆中产生较大的附加内力。与三角式钢桁架相比较，桥梁右侧斜杆式结构中竖杆内力较大，斜杆与横梁形成半框架，提高了上弦压杆的稳定。另外，每个测点位置的应变值随着测点上作用的荷载线性增大而呈现出线性递增，所以可以通过增加钢横梁的强度来满足车辆载重大幅增加的需要[4]。

图5 测点位置应变图

3 基于ANSYS的有限元分析

1）使用ANSYS软件，建立图6所示桥梁模型

表1 各种工况下的应变值表（1）

表2 各种工况下的应变值表（2）

表3 各种工况下的应变值表（4）

图6 ANSYS桥梁模型

在所建模型上施加节点约束，左侧特定节点施加UX、UY约束，右侧特定节点施加UY约束，如图7所示。

图7 施加位移约束

2）施加荷载

根据不同的工况分别在作用点上施加900 N、1 600 N、2 300 N、3 000 N的荷载，如图8所示。

图8 在中间横梁上施加荷载

集中力作用下的位移图如图9所示。

图9 集中力作用下位移图

3）求解分析

对于三角式钢桁架结构和斜杆式钢桁架结构的组合桥梁，在中间横梁上受到汽车静荷载的情况下，使用有限元分析静态荷载所得的计算结果，根据桥梁模型变形前后的形状、变形大小、应力的大小分布及最大变形的位置等，判断出桥梁结构的危险截面。如图9所示，在汽车静荷载作用下，桥梁结构的最大变形位置处于跨中，它的位移大小为9.87×10-4m，满足安全要求[5]。由此可得在设定的静荷载工况下，此桥梁结构满足刚度要求。由桥梁模型的变形图可以看出，桥梁模型左右变形情况基本呈现出对称的趋势，但略有差异，这是由于桥梁左右结构不完全对称造成的影响,但影响不是很大。右侧横梁与左侧对应位置的横梁相比变形更小一些，这是因为右侧斜杆式钢桁架结构中斜杆与横梁构成框架结构，使得右侧钢桁架结构更稳定，所以变形更小。

4 结论

利用有限元分析软件ANSYS对下承式非对称结构钢桁架桥进行了静力学分析，结果表明使用有限元分析方法可以确切地反映出钢桁架桥桥梁结构的受力特性。桥梁左侧三角式钢桁架结构，其上弦受压、下弦受拉，形成力偶来平衡外荷载所产生的弯矩，由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡外荷载所产生的剪力。钢桁架结构中，各杆单元均为轴向受拉或轴向受压构件，使得材料强度得到充分地发挥。右侧斜杆式钢桁架桥结构，虽然比三角式钢桁架结构规格更多，杆轴内力更大，但与横梁形成强大的半框架很大程度上提高了上弦压杆的稳定。静力分析可以准确地得到钢桁梁桥的受力特性，从而为桥梁结构的优化提供依据。

[1]鞠萍华,秦树人,文成.虚拟式动态应变测试仪[J].西南石油学院学报.2006(5)：102-104.

[2]肖春平,韩晓林,李爱群,杜东升,曹忠明,赵肇,季新强,毛爱玲,石振仓.复杂环境下动态应变测试的若干问题研究[J].钢结构.2006(6)：36-39.

[3]罗士瑾,吕媛媛,卢彭真.有限元法在桥梁结构中的应用[J].市政技术.2005(9)：282-284.

[4]文成.基于虚拟仪器技术的动态应变测量系统设计[J].重庆工业高等专科学校学报.2004(2)：34-36.

[5]王丽明,刘淑娟,王浩.动态应变测试的数据处理[J].机械设计与制造.2003(6)：55.