[发明专利]基于单梁有限元模型确定箱形梁桥偏载挠度的试验方法

说明书

本发明涉及桥梁挠度的静载试验方法，公开了一种基于单梁有限元模型确定箱形梁桥偏载挠度的试验方法，该方法基于单梁有限元模型计算箱梁在偏心试验荷载下控制截面处的整体挠度和扭转角，通过扭转中心与挠度测点的几何关系计算截面挠度横向分布值。该方法较其它方法具有简明、高效、结果可靠的优势，可有效降低时间和人力成本、减少能耗；将本发明应用于桥梁静载试验，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，有助于实时判断混凝土箱形梁桥结构承载能力状况及结构安全。

技术领域

本发明属于桥梁挠度的静载试验方法，特别涉及一种基于单梁有限元模型确定箱形梁桥偏载挠度的试验方法。

背景技术

桥梁静载试验是一项复杂的桥梁承载能力鉴定工作，结构在荷载作用下的偏载挠度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的一种常用方法。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梁模型和梁格模型。单梁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等优点，用于静载试验的计算分析优势明显。

在整体式混凝土正交箱形梁桥静载试验中，挠度是反映结构的整体刚度的重要参数，用于校验系数计算并评价承载力。在偏载工况时，除需获得控制截面的整体计算挠度外，还需计算出沿截面横向布置的各测点的挠度值，通过分析截面的挠度横向分布来判断箱梁抗扭能力。当采用有限元单梁计算模型时，仅能在结果分析时得到控制截面的整体挠度，即梁体纵向弯曲和其它结构或支承变形引起的主梁总挠度，但无法计算出截面不同位置的挠度。针对这个问题，目前常用的解决方法有两种：⑴采用可模拟横向变形的其它有限元模型补充计算，如梁格模型、板单元模型或实体单元模型；⑵引入横向分布系数分析结构横向挠度关系。

第一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，削弱了单梁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。

第二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。关于整体式箱形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，按偏载侧挠度为单梁计算挠度的1.15倍计算各测点挠度。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，与闭口的箱形截面受力及变形有较大差别，导致偏载挠度计算失真。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挠度存在精度不足、与实际变位不符的缺陷。

综上，在基于单梁有限元模型的箱形梁桥静载试验中，为获取静载试验偏载工况时控制截面测点计算挠度，采用目前常用的计算方法均存在难以克服的缺陷。因此，为了在保证工程试验精度的前提下，提高实际工程检测的经济性、降低检测成本，形成一套高效、高精度的偏载挠度试验方法，并应用于静载试验方案设计、现场调整及数据处理的全过程，实现对桥梁结构受力状况和安全水平的准确评估，成为目前桥梁静载试验急需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单梁有限元模型确定箱形梁桥偏载挠度的试验方法，该方法无需建立复杂有限元模型，可直接利用单梁模型结果，快速求出箱梁在静载试验偏心荷载作用下的挠度，可有效降低时间和人力成本、减少能耗。