陳慧 CHEN Hui

（中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，柳州 545007）

0 引言

在眾多的鋼結(jié)構(gòu)中，安全檢測往往是對原材料和連接部位進(jìn)行檢測，很少對其的服役情況進(jìn)行模擬荷載，因此無法得到實際荷載的應(yīng)變參數(shù)。本項目依托樂業(yè)大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺的檢測，利用軟件MIDAS 對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，設(shè)定2 種最不利的工況，分級荷載，荷載結(jié)果參數(shù)和理論結(jié)果參數(shù)進(jìn)行比對，充分論證結(jié)構(gòu)的安全性能，同時也為運(yùn)營維保期提供參考。

1 工程簡介

樂業(yè)大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺工程位于廣西樂業(yè)縣同樂鎮(zhèn)大石圍景區(qū)，長80m，寬10m，右懸挑段長34.0m（從V 字撐支座起算）。主結(jié)構(gòu)采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用嵌巖獨立基礎(chǔ)+抗拔錨桿。主體結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材+C35 混凝土基礎(chǔ)+HRB400 錨桿；設(shè)計安全等級：二級；設(shè)計活載：3.5kN/m2。單次最大接納總?cè)藬?shù)為280 人，其中一層同一時間最大聚集人數(shù)不得超過80 人，二層不得超過150 人（懸挑景觀平臺實景全貌見圖1）。

圖1 懸挑景觀平臺實景全貌

2 MIDAS 建模及模擬工況分析

2.1 有限元建模

采用MIDAS/Civil 2019 通用有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)建模，按照實際結(jié)構(gòu)尺寸模擬，采用該模型進(jìn)行設(shè)計荷載及試驗荷載內(nèi)力、試驗荷載反應(yīng)和自振特性的分析計算。有限元模型如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 試驗跨及測點布置

根據(jù)該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、受力特點、現(xiàn)場條件對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗抽檢，抽檢數(shù)為2 跨，分別左懸挑結(jié)構(gòu)和右懸挑結(jié)構(gòu)（見圖3 軸力分布-活荷載滿載布置）。由軸力分布圖3 可知，最大軸力出現(xiàn)在懸挑根部上下弦桿以及斜撐處，故選取懸挑根部截面（弦桿和斜撐）作為荷載試驗控制截面（C-C 和B-B），監(jiān)測其應(yīng)變和撓度，懸挑端部截面（D-D 和A-A）則監(jiān)測其撓度。選取的測試構(gòu)件及其編號（應(yīng)變測點編號）見圖4 和圖5，位移測點編號見圖6。（注：黑點 為應(yīng)變貼片點，箭頭為位移監(jiān)測點）

圖3 軸力分布-活荷載滿載布置

圖4 右懸測點布置（工況一）

圖5 左懸測點布置（工況二）

圖6 結(jié)構(gòu)撓度測點布置

2.3 控制內(nèi)力值及加載效率

式中：ηq——靜力試驗荷載效率；Ss——靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計算效應(yīng)值；S′——檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計算值；μ——按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

②試驗加載采用分級加載的方式，共分4～5 級加載，逐級卸載。

根據(jù)計算結(jié)果，加載荷載為3.5kN/m2，試驗時采用水配重作為試驗荷載，并分5 級加載。加載面積為：右懸挑結(jié)構(gòu)端部10m×10m 的范圍，左懸挑結(jié)構(gòu)端部10m×4m 的范圍。本次試驗中測試截面（構(gòu)件）的內(nèi)力控制值及加載效率，見表1 所示。

表1 各控制截面（構(gòu)件）內(nèi)力值及加載效率

2.4 加載工況及位置

荷載試驗采用右懸挑結(jié)構(gòu)端部（10m×10m 范圍）加載3.5kN/m2和左懸挑結(jié)構(gòu)端部（10m×4m 范圍）加載3.5kN/m2兩種工況，采用水配重均布加載，布置如圖7 所示。所有工況均按5 個加載等級加載，逐級卸載。

圖7 左懸挑結(jié)構(gòu)加載示意圖（工況一、工況二）

2.5 荷載試驗理論計算結(jié)果

荷載試驗各測點在各加載等級荷載下的應(yīng)變和撓度理論計算結(jié)果見表2～表3，對稱測點的理論值相同，摘取其中一側(cè)數(shù)值表述。

表2 右懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變及撓度測點計算結(jié)果（工況一）

表3 左懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變及撓度測點計算結(jié)果（工況二）

3 荷載試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗實施順序

①根據(jù)MIDAS 建模的結(jié)果，標(biāo)注測量點和壓載水箱位置；②安裝水箱、安裝應(yīng)變片、高程標(biāo)志點；③記錄測量點原始外觀情況，測量其高程和坐標(biāo)、應(yīng)變的值；④第一級至第五級逐級注水加載，分別記錄外觀變化情況、高程數(shù)值、坐標(biāo)偏移值、應(yīng)變數(shù)值；⑤整理檢測數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，撰寫檢測報告。

3.2 試驗結(jié)果分析

下列表格中：①表中測試數(shù)據(jù)，正號表示上升，負(fù)號表示下沉；②撓度校驗系數(shù)=彈性撓度實測值/撓度計算值；③相對殘余撓度=殘余撓度值/總撓度實測值。

3.2.1 右懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果及分析 各加載等級下右懸挑結(jié)構(gòu)的應(yīng)變實測值，滿載下應(yīng)變校驗、殘余系數(shù)詳見表4。

表4 右懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果（工況一）

右懸挑結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明：各加載等級下，右懸挑結(jié)構(gòu)各控制截面縱向應(yīng)變校驗系數(shù)為0.77～0.85，均小于1.0，說明試驗跨結(jié)構(gòu)的實際強(qiáng)度滿足設(shè)計要求；右懸挑結(jié)構(gòu)各控制截面相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內(nèi)。

3.2.2 右懸挑結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果及分析 各加載等級下右懸挑結(jié)構(gòu)的撓度實測值，滿載下?lián)隙刃ｒ?、殘余系?shù)詳見表5。

表5 右懸挑結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果（工況一）

右懸挑結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明：各加載等級下，各控制點撓度校驗系數(shù)在0.75～0.83 之間，均小于1.0，說明試驗跨結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內(nèi)。

3.2.3 左懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果及分析 各加載等級下左懸挑結(jié)構(gòu)的應(yīng)變實測值，滿載下應(yīng)變校驗、殘余系數(shù)詳見表6。

表6 左懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果（工況二）

左懸挑結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明：各加載等級下，各控制截面縱向應(yīng)變校驗系數(shù)為0.78～0.86，均小于1.0，說明試驗跨結(jié)構(gòu)的實際強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。各控制截面相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內(nèi)。

3.2.4 左懸挑結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果及分析 各加載等級下左懸挑結(jié)構(gòu)的撓度實測值，滿載下?lián)隙刃ｒ灐堄嘞禂?shù)詳見表7。

表7 左懸挑結(jié)構(gòu)撓度結(jié)果（工況二）

左懸挑結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果表明：各加載等級下，各控制點撓度校驗系數(shù)在0.78～0.79 之間，均小于1.0，說明試驗跨的結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內(nèi)。

4 試驗結(jié)論

整個加載過程中，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有明顯異常響聲或異常變形情況。荷載試驗前后對結(jié)構(gòu)測試截面及附近進(jìn)行觀測，未發(fā)現(xiàn)明顯肉眼可見裂縫。左右懸挑所有試驗點在各級加載下，各控制點撓度校驗系數(shù)和截面縱向應(yīng)變校驗系數(shù)在0.75～0.86 之間，均小于1.0，說明試驗跨的結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。各控制點相對殘余撓度均小于20%，說明試驗跨處在彈性變形范圍之內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量滿足服役要求。

5 結(jié)語

本文通過闡述樂業(yè)大石圍天坑西峰懸挑景觀平臺的檢測試驗，該試驗通過利用軟件MIDAS 對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，確立鋼結(jié)構(gòu)受力薄弱位置和理論應(yīng)變，同時通過分級載荷試驗，記錄試驗期間位移沉降值和應(yīng)變值，通過試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)比較，充分論證結(jié)構(gòu)的安全性能；同時，也通過此次的試驗，論證檢驗了工程材料和施工工藝的質(zhì)量，也為運(yùn)營期的維修保養(yǎng)提供了可靠的數(shù)據(jù)。