于 廣 龍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡支鋼箱梁受力性能分析與試驗研究★

于 廣 龍

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究鋼箱梁在荷載作用下的受力性能，在室內(nèi)采用兩點對稱加載方式對一片3 m簡支鋼箱梁進(jìn)行荷載試驗，并用有限元軟件ANSYS對整個加載過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對此類鋼箱梁進(jìn)行了試驗研究和分析，研究表明：在彈性范圍內(nèi)，試驗梁荷載與位移基本上呈線性關(guān)系；采用ANSYS軟件可以準(zhǔn)確的模擬鋼箱梁的試驗過程。

鋼箱梁，荷載試驗，有限元，ANSYS

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有自重小、強度高、抗扭剛度大、延性好、加工方便、施工工期短等諸多優(yōu)點[1]。近年來，在我國橋梁建設(shè)中從人行天橋到跨江跨海大橋，鋼箱梁已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。但是目前國內(nèi)外對于鋼箱梁的受力性能分析相對較少，隨著彈塑性理論的進(jìn)一步發(fā)展，逐漸用于鋼梁的結(jié)構(gòu)分析，依靠這些理論可以更準(zhǔn)確的模擬出鋼箱梁的受力情況[2-6]。

1 試驗概況

1.1試驗梁簡介

設(shè)計制作了一個單箱單室開口截面鋼箱梁。試驗梁為等截面簡支梁，梁長2 980 mm，橫隔板間距500 mm，各梁高120 mm，頂板寬度272 mm，底板寬度160 mm，鋼板厚度4 mm，試驗梁截面尺寸如圖1所示。

該試驗設(shè)計了一片鋼箱梁模型，試驗梁全部采用Q345QE鋼，其技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 714—2000橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定，彈性模量E=2.1×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa，截面采用開口截面，梁總長3 000 mm，計算跨徑2 900 mm，梁高120 mm。

1.2試驗測試內(nèi)容

控制截面的應(yīng)變測試。在試驗梁跨中截面兩側(cè)沿梁高度方向分別布設(shè)應(yīng)變片，測試數(shù)據(jù)相互校核，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。采用DH3818應(yīng)變采集箱采集截面應(yīng)變。

各控制截面的位移測試。在試驗梁L/4,L/2,3L/4截面底板及梁端支座處分別布設(shè)位移計，以測量該梁的位移和墩臺支座沉降。

試驗加載裝置如圖2所示，荷載通過反力架和千斤頂進(jìn)行施加，利用與千斤頂接觸的壓力傳感器控制施加力的大小。圖3為室內(nèi)現(xiàn)場試驗加載過程。

2 試驗梁有限元建模

本文采取有限元分析軟件ANSYS對簡支鋼箱梁實際加載情況進(jìn)行模擬，并用軟件計算得到的結(jié)果與試驗測量值進(jìn)行對比。鋼箱梁采用Solid-45實體單元模擬，支座處和加載位置建立墊塊。按照設(shè)計圖紙和實際加載位置建立簡支鋼箱梁模型，見圖4。鋼板選用理想的彈塑性本構(gòu)模型，忽略下降段，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。

3 試驗結(jié)果對比與分析

3.1撓度結(jié)果對比與分析

試驗中跨中位置及四分點位置位移較大，圖6為試驗梁實測跨中位置荷載—撓度曲線。由圖6可得，梁受力情況與均質(zhì)彈性體相似，跨中撓度隨著荷載的增大而線性增大；有限元分析值與試驗值吻合良好，證明了ANSYS模型的準(zhǔn)確性。

3.2應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果對比與分析

跨中截面應(yīng)變曲線如圖7所示，由圖7可知，加載過程中截面基本滿足平截面假定，受壓區(qū)高度基本保持不變。圖8為加載8 kN時的鋼箱梁應(yīng)力云圖。

鋼箱梁的跨中截面頂緣與底緣應(yīng)變的試驗值與有限元分析值對比如表1，表2所示。

表1 跨中截面頂緣應(yīng)變

表2 跨中截面底緣應(yīng)變

從表1,表2可以看出試驗梁有限元計算值和試驗值非常接近，誤差均在5%以內(nèi)。

4 結(jié)語

通過對3 m簡支鋼箱梁進(jìn)行室內(nèi)靜力試驗，并用有限元模擬試驗梁加載過程，得到以下結(jié)論：

1)本文建立的ANSYS有限元模型能夠較好的模擬簡支鋼箱梁在彈性階段的加載過程，為今后對同類鋼梁的荷載試驗和受力性能研究提供了參考價值。

2)鋼箱梁在彈性階段內(nèi)，位移和應(yīng)變均隨著荷載的增加而線性增加，且試驗梁蓋階段內(nèi)符合平截面假定。

[1] 趙 穎,賈艷敏,林曉東.預(yù)應(yīng)力鋼箱梁的應(yīng)力分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,37(10):66-68.

[2] 蘭樞靈.薄壁鋼箱梁計算方法研究[D].西安：長安大學(xué),2011.

[3] 周 方,曹 喜.鋼箱梁的優(yōu)化設(shè)計研究[J].山西建筑,2007,33(23):15-16.

[4] R.DesRoches.流線型鋼箱梁的試驗分析研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2010(6):89.

[5] 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2006.

[6] 蘇彥江.鋼橋構(gòu)造與設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2006.

Analysisandexperimentalstudyonmechanicalperformanceofsimplysupportedsteelboxgirder★

YuGuanglong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the mechanical behavior of steel box girder under load, a 3 m simply supported steel box girder was tested by two-point symmetrical loading. The finite element software ANSYS was used to simulate the whole loading process, and the steel box girder was tested and analyzed. The results show that the relationship between beam load and displacement is linear in the elastic range. The test process of steel box girder can be simulated accurately by ANSYS software.

steel box girder, load test, finite element, ANSYS

U448.36

A

1009-6825(2017)26-0041-02

2017-07-07 ★:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(項目編號：2572015BB20)

于廣龍(1989- )，男，工程師