三维钢桁架桥静力理论模型与试验分析

郭智刚，林自炜，杨浩琳，邹 丹，陆 斌

(1.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418;2.中交第三航务工程局有限公司 厦门分公司，福建 厦门 361006; 3.武汉建策工程咨询有限公司，武汉 430056)

三维钢桁架桥静力理论模型与试验分析

郭智刚1，林自炜2，杨浩琳3，邹 丹1，陆 斌1

(1.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418;2.中交第三航务工程局有限公司 厦门分公司，福建 厦门 361006; 3.武汉建策工程咨询有限公司，武汉 430056)

设计了三维钢桁架桥模型并进行静力试验分析，同时采用Matlab软件编制程序建立三维钢桁架桥静力有限元模型，按照试验静力加载工况对有限元模型进行加载分析。分析不同的单元类型、边界条件、截面尺寸对结果的影响，并与试验结果进行比较。结果表明，在垂直荷载作用下，采用杆单元和梁单元计算的位移结果都比较接近，模型采用铰接的计算结果比固结大，单肢角钢的模型刚度是双肢角钢的模型刚度的50%。理论模型在固结、双肢角钢条件下与试验结果接近。

三维钢桁架桥； 静力理论模型； 试验分析

0 引 言

钢桁架桥以其跨越能力强、施工速度快、承载能力强、耐久性高普遍应用于铁路桥梁。同时，桁架的特点十分明显，各杆件受力均以单向受拉或受压为主。因此，高校结构试验普遍采用钢桁架桥模型。然而，目前国内高校结构试验[1-4]所用的钢桁架桥模型为二维模型，与实际钢桁架桥不一致。为了让轨道交通专业的学生熟悉钢桁架桥的受力特性，有必要设计三维钢桁架桥模型[5-13]，对三维钢桁架桥模型进行受力分析。

本文首先设计三维钢桁架桥模型并进行静力测试，同时采用Maltab软件编制程序[8]建立三维钢桁架桥静力模型，按照试验静力加载工况对数值模型进行加载分析。分析在不同边界条件、不同截面尺寸对结果的影响，并与试验结果进行比较。

1 试验分析

1.1模型设计

设计的三维钢桁架桥模型如图1所示，主桁架尺寸如图2所示，上平纵联尺寸如图3所示，下平纵联尺寸如图4所示。

图1 三维钢桁架桥模型图

图2 主桁架图(mm)

图3 上平纵联尺寸图(mm)

图4 下平纵联尺寸图(mm)

1.2试验

1.2.1试验测点

试验布设的测点不宜过多，但要保证观测质量。主要测点的布设应能测试出结构的最大应力应变和最大位移。三维钢桁架桥模型测点布置为1/6、2/6、3/6、4/6、5/6等关键位置，测点对称布置。测点为图5中的2、3、4、5、6点。

图5 三维钢桁架桥模型测点示意图

1.2.2试验荷载

本次试验荷载布置在跨中，加载顺序为0、150、300、600、960 N。试验加载如图6所示。

图6 三维钢桁架桥模型静力加载试验

1.3试验结果

三维钢桁架桥模型节点2～6的位移如表1所示。

表1 三维钢桁架桥模型节点2～6节点位移 μm

从表1可以看出，位移结果并不对称。其误差为：①两片主桁架在焊接过程中有偏差导致结果本身并不对称；②钢材本身有缺陷，在焊接过程中有残余应力；③在施加荷载过程中压力作用点有所偏移，分配到杆上的荷载并不对称。

2 静力理论模型分析

2.1有限元模型

为了让学生能够通过理论知识了解钢桁架桥模型的受力特性，采用Matlab软件编制程序[14-15]建立三维钢桁架桥静力有限元模型。首先将模型离散化，写出每个单元的单元刚度矩阵，然后集成整体刚度矩阵，引入边界条件，按照试验静力加载工况对数值模型进行加载，最后求解方程。

根据三维钢桁架桥模型的单元类型、杆件截面类型、模型约束条件等变量，考虑8种工况进行分析，并与试验结果进行比较。工况类型见表2。

2.2结果分析

2.2.1单元选择的影响

表3为杆单元和梁单元的位移结果，分别对应工况4和8，其他工况结果比较类似。从表3可以看出，采用杆单元和梁单元计算的位移结果比较接近，即在垂直荷载作用下，梁单元的转角对位移的影响很小。

表2 工况类型

表3 工况4、8各节点位移 μm

2.2.2约束的影响

表4为模型在铰接和固结2种情况下的杆单元的位移结果，分别对应工况1和2，其他工况结果比较类似。从表4可以看出，模型采用铰接的计算结果比固结大。

表4 工况1、2各节点位移 μm

2.2.3截面的影响

表5为模型在铰接、杆单元情况下，采用单肢角钢和双肢角钢两种位移结果，分别对应工况1和3，其他工况结果比较类似。从表5可以看出，单肢角钢的面积是双肢角钢面积的2倍，即单肢角钢的模型刚度是双肢角钢的模型刚度的50%。

表5 工况1、工况3各节点位移 μm

2.2.3理论与试验结果的比较

试验模型的边界条件为固结，但由于误差并没有完全真实模拟固结情况。同时，截面为双肢角钢，但是双肢角钢并没有完全焊接在一起，也不能完全与双肢角钢模型的刚度吻合。因此，将试验结果与8种工况进行比较分析(见表1与表3～5)，与试验结果最接近的是第4、8工况的结果，即为固结、双肢角钢条件。但有所偏差，是由于试验模型的误差导致。

3 结 语

本文对三维钢桁架桥模型模型进行静力测试，并采用Maltab软件编制程序建立三维钢桁架桥静力模型，分析在不同边界条件、不同截面尺寸对结果的影响，并与试验结果进行比较。结果表明，在垂直荷载作用下，采用杆单元和梁单元计算的位移结果比较接近，模型采用铰接的计算结果比固结大，单肢角钢的模型刚度是双肢角钢的模型刚度的50%。理论模型在固结、双肢角钢条件下与试验结果接近。下一步工作是需要对模型进行修正，与试验结果吻合。

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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

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036300);上海市高校青年教师培养资助项目(ZZyy15111);校级重点课程建设项目(KC20151502);校级教学改革研究项目(JG20161502);校企合作实验项目(XQ161061)，本科毕业论文重点项目(T165012)，大学生创新活动项目(DCX2015249、DCX2015250、DCX2015251、DCX2015243、DCX2016334、DCX2016337、PE2016227、SH2016078)

郭智刚(1984-)，男，湖北黄冈人，博士，讲师，研究方向：桥梁健康监测、轨道工程。

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

TU317+.1

：A

1006-7167(2017)07-0024-03