基于MIDAS 研究方法对大型钢结构平台荷载受力分析及安全检测

陈慧 CHEN Hui

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

在众多的钢结构中，安全检测往往是对原材料和连接部位进行检测，很少对其的服役情况进行模拟荷载，因此无法得到实际荷载的应变参数。本项目依托乐业大石围天坑西峰悬挑景观平台的检测，利用软件MIDAS 对钢结构进行有限元分析，设定2 种最不利的工况，分级荷载，荷载结果参数和理论结果参数进行比对，充分论证结构的安全性能，同时也为运营维保期提供参考。

1 工程简介

乐业大石围天坑西峰悬挑景观平台工程位于广西乐业县同乐镇大石围景区，长80m，宽10m，右悬挑段长34.0m（从V 字撑支座起算）。主结构采用空间钢桁架结构，基础采用嵌岩独立基础+抗拔锚杆。主体结构采用Q345钢材+C35 混凝土基础+HRB400 锚杆；设计安全等级：二级；设计活载：3.5kN/m2。单次最大接纳总人数为280 人，其中一层同一时间最大聚集人数不得超过80 人，二层不得超过150 人（悬挑景观平台实景全貌见图1）。

图1 悬挑景观平台实景全貌

2 MIDAS 建模及模拟工况分析

2.1 有限元建模

采用MIDAS/Civil 2019 通用有限元分析软件对该结构建模，按照实际结构尺寸模拟，采用该模型进行设计荷载及试验荷载内力、试验荷载反应和自振特性的分析计算。有限元模型如图2 所示。

图2 结构有限元模型

2.2 试验跨及测点布置

根据该结构的结构形式、受力特点、现场条件对钢结构进行荷载试验抽检，抽检数为2 跨，分别左悬挑结构和右悬挑结构（见图3 轴力分布-活荷载满载布置）。由轴力分布图3 可知，最大轴力出现在悬挑根部上下弦杆以及斜撑处，故选取悬挑根部截面（弦杆和斜撑）作为荷载试验控制截面（C-C 和B-B），监测其应变和挠度，悬挑端部截面（D-D 和A-A）则监测其挠度。选取的测试构件及其编号（应变测点编号）见图4 和图5，位移测点编号见图6。（注：黑点 为应变贴片点，箭头为位移监测点）

图3 轴力分布-活荷载满载布置

图4 右悬测点布置（工况一）

图5 左悬测点布置（工况二）

图6 结构挠度测点布置

2.3 控制内力值及加载效率

式中：ηq——静力试验荷载效率；Ss——静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力、应力或变位的最大计算效应值；S′——检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值；μ——按规范取用的冲击系数。

②试验加载采用分级加载的方式，共分4～5 级加载，逐级卸载。

根据计算结果，加载荷载为3.5kN/m2，试验时采用水配重作为试验荷载，并分5 级加载。加载面积为：右悬挑结构端部10m×10m 的范围，左悬挑结构端部10m×4m 的范围。本次试验中测试截面（构件）的内力控制值及加载效率，见表1 所示。

表1 各控制截面（构件）内力值及加载效率

2.4 加载工况及位置

荷载试验采用右悬挑结构端部（10m×10m 范围）加载3.5kN/m2和左悬挑结构端部（10m×4m 范围）加载3.5kN/m2两种工况，采用水配重均布加载，布置如图7 所示。所有工况均按5 个加载等级加载，逐级卸载。

图7 左悬挑结构加载示意图（工况一、工况二）

2.5 荷载试验理论计算结果

荷载试验各测点在各加载等级荷载下的应变和挠度理论计算结果见表2～表3，对称测点的理论值相同，摘取其中一侧数值表述。

表2 右悬挑结构应变及挠度测点计算结果（工况一）

表3 左悬挑结构应变及挠度测点计算结果（工况二）

3 荷载试验及结果分析

3.1 试验实施顺序

①根据MIDAS 建模的结果，标注测量点和压载水箱位置；②安装水箱、安装应变片、高程标志点；③记录测量点原始外观情况，测量其高程和坐标、应变的值；④第一级至第五级逐级注水加载，分别记录外观变化情况、高程数值、坐标偏移值、应变数值；⑤整理检测数据，分析结果，撰写检测报告。

3.2 试验结果分析

下列表格中：①表中测试数据，正号表示上升，负号表示下沉；②挠度校验系数=弹性挠度实测值/挠度计算值；③相对残余挠度=残余挠度值/总挠度实测值。

3.2.1 右悬挑结构应变结果及分析 各加载等级下右悬挑结构的应变实测值，满载下应变校验、残余系数详见表4。

表4 右悬挑结构应变结果（工况一）

右悬挑结构试验结果表明：各加载等级下，右悬挑结构各控制截面纵向应变校验系数为0.77～0.85，均小于1.0，说明试验跨结构的实际强度满足设计要求；右悬挑结构各控制截面相对残余应变均小于20%，说明试验跨处在弹性变形范围之内。

3.2.2 右悬挑结构挠度结果及分析 各加载等级下右悬挑结构的挠度实测值，满载下挠度校验、残余系数详见表5。

表5 右悬挑结构挠度结果（工况一）

右悬挑结构试验结果表明：各加载等级下，各控制点挠度校验系数在0.75～0.83 之间，均小于1.0，说明试验跨结构的刚度满足要求。各控制点相对残余挠度均小于20%，说明试验跨处在弹性变形范围之内。

3.2.3 左悬挑结构应变结果及分析 各加载等级下左悬挑结构的应变实测值，满载下应变校验、残余系数详见表6。

表6 左悬挑结构应变结果（工况二）

左悬挑结构试验结果表明：各加载等级下，各控制截面纵向应变校验系数为0.78～0.86，均小于1.0，说明试验跨结构的实际强度满足设计要求。各控制截面相对残余应变均小于20%，说明试验跨处在弹性变形范围之内。

3.2.4 左悬挑结构挠度结果及分析 各加载等级下左悬挑结构的挠度实测值，满载下挠度校验、残余系数详见表7。

表7 左悬挑结构挠度结果（工况二）

左悬挑结构试验结果表明：各加载等级下，各控制点挠度校验系数在0.78～0.79 之间，均小于1.0，说明试验跨的结构刚度满足要求。各控制点相对残余挠度均小于20%，说明试验跨处在弹性变形范围之内。

4 试验结论

整个加载过程中，未发现结构有明显异常响声或异常变形情况。荷载试验前后对结构测试截面及附近进行观测，未发现明显肉眼可见裂缝。左右悬挑所有试验点在各级加载下，各控制点挠度校验系数和截面纵向应变校验系数在0.75～0.86 之间，均小于1.0，说明试验跨的结构刚度满足要求。各控制点相对残余挠度均小于20%，说明试验跨处在弹性变形范围之内，钢结构的质量满足服役要求。

5 结语

本文通过阐述乐业大石围天坑西峰悬挑景观平台的检测试验，该试验通过利用软件MIDAS 对钢结构进行有限元建模分析，确立钢结构受力薄弱位置和理论应变，同时通过分级载荷试验，记录试验期间位移沉降值和应变值，通过试验数据和理论数据比较，充分论证结构的安全性能；同时，也通过此次的试验，论证检验了工程材料和施工工艺的质量，也为运营期的维修保养提供了可靠的数据。