高宽跨比梁偏载应变试验方法技术

本发明专利技术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。将本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
高宽跨比梁偏载应变试验方法
本专利技术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。
技术介绍
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。综上，在基于单根梁单元有限元模型的高宽跨比梁静载试验中，为获取静载试验偏心荷载作用下测试截面应变横桥向的变化规律，采用目前常用单根梁单元模型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、高精度的偏载应变试验方法，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高宽跨比梁偏载应变试验方法，该方法无需建立复杂有限元模型，可直接利用单根梁单元模型结果，快速求出整体箱梁在静载试验偏心荷载作用下的应变，可有效降低时间和人力成本、减少能耗。为实现上述目的，本专利技术提供了一种高宽跨比梁偏载应变试验方法，包括：1)建立高宽跨比梁的单根梁单元有限元模型，确定应变测试截面的位置；2)在单根梁单元有限元模型中按偏载工况的布载施加偏心荷载，使梁单元在竖向力和扭矩作用下产生对称竖向弯曲和刚性扭转变形；3)在单根梁单元有限元模型中提取应变测试截面处的对称竖向弯曲应变和由荷载偏心产生的扭转角；4)根据应变测点与扭转中心的相对位置，计算出该应变测点在控制截面绕扭转中心转动相应扭转角后的竖向变位；5)计算应变测点因竖向位置变化产生的新增应变，叠加对称竖向弯曲应变与新增应变即得理论总应变；6)现场布设箱梁应变测点及加载点位，现场实施加载获取实测总应变；7)通过应变测点的实测总应变与理论总应变的对比，实时判断高宽跨比梁结构承载能力状况。优选的，上述技术方案中，试验现场如修改加载工况或调整应变测点的位置，按步骤2)～步骤5)重新计算应变测点的理论总应变。优选的，上述技术方案中，步骤2)中根据静载试验确定的偏载工况在单根梁单元有限元模型中施加试验荷载，获取试验控制截面处由对称竖向弯曲引起的应变ε1i。优选的，上述技术方案中，步骤4)中还具体包括：41)在箱梁的控制截面上以扭转中心为坐标原点、水平方向为水平轴X、竖直方向为竖向轴Y建立平面坐标系，并确定各应变测点的坐标(xi,yi)，i＝1…n，n为应变测点数量；42)由应变测点坐标(xi,yi)计算出各应变测点的扭转半径43)计算各应变测点的扭转弧长δi＝Ri·β，β为由于试验荷载偏心使箱梁截面产生刚性扭转的扭转角；44)扭转引起的扭转角β→0，因此扭转弧长δi＝Ri·β→0，θ≈γ，推导出扭转竖向变位Δvi＝δi·cosγ＝δi·cosθ＝Ri·β·cosθ。优选的，上述技术方案中，步骤5)中还具体包括：51)计算各应变测点因扭转偏离原坐标产生的新增应变52)附加弯曲使偏载侧上缘压应变绝对值变小，下缘拉应变绝对值变大，另一侧反之。根据叠加原理，测点总应变为步骤3)中计算出的截面对称竖向弯曲应变ε1i与步骤51)中新增应变ε2i的叠加，取竖向变位Δvi向下为正时，偏载侧总应变ε∑i＝ε1i+ε2i，另一侧总应变ε∑i＝ε1i－ε2i，其中i＝1…n(n为应变测点数量)。与现有的技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术中的方法，首先建立与高宽跨比梁实际结构相符的单根梁单元有限元模型，按控制荷载和加载效率进行静载试验工况设计并确定应变测试截面的位置，然后在模型中提取偏载工况下对称竖向弯曲在控制截面产生的应变和由荷载偏心产生的扭转角，再根据应变测点与扭转中心的相对位置，计算出该应变测点在控制截面绕扭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高宽跨比梁偏载应变试验方法，包括：/n1)建立高宽跨比梁的单根梁单元有限元模型，确定应变测试截面的位置；/n2)在单根梁单元有限元模型中按偏载工况的布载施加偏心荷载，使梁单元在竖向力和扭矩作用下产生对称竖向弯曲和刚性扭转变形；/n3)在单根梁单元有限元模型中提取应变测试截面处的对称竖向弯曲应变和由荷载偏心产生的扭转角；/n4)根据应变测点与扭转中心的相对位置，计算出该应变测点在控制截面绕扭转中心转动相应扭转角后的竖向变位；/n5)计算应变测点因竖向位置变化产生的新增应变，叠加对称竖向弯曲应变与新增应变即得理论总应变；/n6)现场布设箱梁应变测点及加载点位，现场实施加载获取实测总应变；/n7)通过应变测点的实测总应变与理论总应变的对比，实时判断高宽跨比梁强度状况。/n

【技术特征摘要】
1.一种高宽跨比梁偏载应变试验方法，包括：
1)建立高宽跨比梁的单根梁单元有限元模型，确定应变测试截面的位置；
2)在单根梁单元有限元模型中按偏载工况的布载施加偏心荷载，使梁单元在竖向力和扭矩作用下产生对称竖向弯曲和刚性扭转变形；
3)在单根梁单元有限元模型中提取应变测试截面处的对称竖向弯曲应变和由荷载偏心产生的扭转角；
4)根据应变测点与扭转中心的相对位置，计算出该应变测点在控制截面绕扭转中心转动相应扭转角后的竖向变位；
5)计算应变测点因竖向位置变化产生的新增应变，叠加对称竖向弯曲应变与新增应变即得理论总应变；
6)现场布设箱梁应变测点及加载点位，现场实施加载获取实测总应变；
7)通过应变测点的实测总应变与理论总应变的对比，实时判断高宽跨比梁强度状况。


2.根据权利要求书1所述的高宽跨比梁偏载应变试验方法，其特征在于，试验现场如修改加载工况或调整应变测点的位置，按步骤2)～步骤5)重新计算应变测点的理论总应变。


3.根据权利要求书1所述的高宽跨比梁偏载应变试验方法，其特征在于，步骤2)中根据静载试验确定的偏载工况在单根梁单元有限元模型中施加试验荷载，获取试验控制截面处由对称竖向弯曲引起的应...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝天之，周书林，梁茜雪，王华，王龙林，朱勇，
申请(专利权)人：广西交科集团有限公司，广西壮族自治区公路发展中心，四川三足路桥工程有限公司，
类型：发明
国别省市：广西;45