[发明专利]高宽跨比梁偏载应变试验方法

说明书

本发明涉及高宽跨比梁应变的静载试验领域，公开了一种高宽跨比梁偏载应变试验方法，包括：建立高宽跨比梁的单梁元有限元模型，计算高宽跨比梁在偏心试验荷载下测试截面的扭转角和梁中心线上不同竖向位置的应变，通过扭转中心与应变测点的几何关系获取测试截面非中心线上其它测点的应变值，并和实测应变进行比较、判断高宽跨比梁强度的试验方法。该方法可有效降低有限元计算的时间和人力成本、减少能耗。将本发明应用于高宽跨比梁静载试验，可随时应对现场加载及测点位置的调整，响应试验方案快速修改的需要，避免了大型有限元计算分析的滞后性，有助于实时判断高宽跨比梁强度状况及结构安全。

技术领域

本发明属于桥梁应变的静载试验领域，特别涉及一种基于单根梁单元有限元模型确定高宽跨比梁偏载作用下应变的试验方法。

背景技术

梁静载试验是一项复杂的桥梁承载能力鉴定工作，结构在非对称荷载作用下的应变计算是其中的一项重要内容。根据试验前确定的控制荷载计算出在结构控制截面产生等效内力或变形的试验荷载，将试验荷载分级施加在桥梁结构上，通过检测结构在测试位置的静态响应(如应力(变)、位移、转角等)与理论计算值比较来判断结构受力工作性能及承载能力。在试验前需对结构进行受力分析，目前通常采用有限元仿真计算来模拟桥梁结构的结构布置、几何参数、材料参数及边界条件等，在模型中施加相应荷载，以计算结构的理论响应值。

有限元仿真单元类型可采用梁单元、板单元或实体单元等，其中梁单元模型又分为单根梁模型和梁格(多根梁单元)模型。单根梁单元模型相较其它模型具有建模速度快、划分单元少、可直接提取控制截面内力、计算耗时短等优点，用于静载试验方案的计算分析优势明显。

在整体式高宽跨比梁静载试验中，应变是反映结构整体强度的重要参数，用于校验系数计算并评价承载力。在横向非对称荷载(偏载)作用下时，还需计算出沿截面横向布置的各测点的理论应变值，通过分析截面的应变横向分布来判断箱型梁结构的抗扭承载能力。当采用单根梁单元模型计算时，由于梁单元模型表达式的限制，应变表达式为ε＝My/EI，因此在某一中性轴高度y位置处只能得出一个理论应变值，既是应变的大小在梁单元的同一截面上应变大小仅与应变测点的竖向位置有关、与横向位置没有关系。针对这个问题，为获取箱型梁应变的横向变化规律或理论应变值，目前常用的解决方法有三种：(1)采用更为高级的单元类进行建模计算，如板单元模型或实体单元模型；(2)引入横向分布系数分析结构应变横桥向的变化关系；(3)对箱型梁进行横桥向分割，采用多根梁单元模型分别进行模拟，得出不同横向位置的理论应变值。

第(1)种方法明显增加了计算分析的工作量和时间，导致成本提高、效率降低，同时对计算人员的技术能力要求较高，削弱了单根梁单元有限模型的固有优势；另外在现场需调整试验方案时，由于修改模型和提取结果耗时均较长，易出现影响现场试验进度的问题。

第(2)种方法的精度依赖于采用的横向分布系数计算方法的优劣。关于整体式箱型梁横向分布的计算方法主要有经验系数法、偏心压力法和修正偏心压力法，其它方法一般以这三种方法为基础进行改进。其中经验系数法最简单，该方法假定偏载时箱梁截面形状不变，故同一水平位置的各点变位连线为直线，按偏载侧应变为单根梁单元理论应变的1.15倍计算各测点应变。该方法未考虑结构尺寸、荷载和偏心距大小，对窄箱梁截面偏载效应偏大，对宽箱梁截面则偏小。偏心压力法是建立在横梁近似绝对刚性和忽略主梁抗扭刚度两项假设基础上的一种方法，修正偏心压力法则较偏心压力法考虑了主梁的抗扭刚度，这两种方法都是从肋板式梁桥计算模式推导而来，与闭口的箱型截面受力及变形有较大差别，导致偏载应变计算失真。因此，按现有方法计算的横向分布系数用于分析整体箱梁截面偏载应变存在精度不足、与实际变位不符的缺陷。

第(3)种方法，对箱梁进行横桥向切分工作量较大，横桥向切分采用梁单元等效模拟需建立多条(不少与所需的应变点数)，需建立横向联系梁，梁单元数量庞大；荷载施加计算分析过程漫长、耗时久；对技术要求较高，容易出现因拆分、模拟失真，而导致应变结果错误，且较难发现错误的存在。