基于MIDAS對橋梁荷載試驗的應(yīng)用研究

謝棟明，王艷軍

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350000）

0 引言

改革開放以來，國內(nèi)各種政策大大加大了資本對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資的意愿。在大修基礎(chǔ)設(shè)施的背景下，各種新項目如雨后春筍一般，甚至使得中國近幾十年修建的橋梁數(shù)量超過了過去幾千年各時期建造的總和。各種結(jié)構(gòu)型式可供選擇，橋梁施工技術(shù)水平逐漸達(dá)到世界一流水平。隨著工程總體技術(shù)的增長，測試橋梁安全穩(wěn)定的技術(shù)也隨之增長，橋梁的評估也變得越來越科學(xué)規(guī)范。

國內(nèi)外橋梁建設(shè)現(xiàn)狀各不相同，但不論是在發(fā)展中國家還是在發(fā)達(dá)國家，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一直是國家建設(shè)的重點。在美國、英國等發(fā)達(dá)國家，陸上公路橋梁運輸比率逐年增長[1]，并且還有繼續(xù)增加的趨勢。相對國內(nèi)而言，國外起步較早，經(jīng)過長時間的積淀，建立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)體系，施工步驟逐漸合理規(guī)范，在技術(shù)上擁有領(lǐng)先地位，建造出了許多難度頗高的大跨徑橋梁，例如位于美國西部的科羅拉多大橋，其橋身整體結(jié)構(gòu)距離科羅拉多谷底約為一千兩百多米，可以同時承受約兩萬游客的重量。此外，位于英國的蓋茨亥德千禧橋，是世界上第一座也是目前唯一一座傾斜橋。中國的橋梁建設(shè)雖起步晚，處于落后地位，但在建設(shè)技術(shù)上奮起直追，整體工程建造技術(shù)發(fā)展速度驚人，加上國家在政策上大力扶持，到目前為止，在分析石拱橋，桁式拱橋，雙曲拱橋，鋼筋混凝土拱橋，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，連續(xù)剛構(gòu)框架結(jié)構(gòu)上，行業(yè)整體的研究越來越深入；連續(xù)梁橋等特殊的評估加固技術(shù)，橋梁穩(wěn)定性評估，加固質(zhì)量檢驗和評估方法，高粘結(jié)度抗擾建筑材料等新材料的研究也越來越成熟。在這類更為進(jìn)步的專項研究中，將使得國內(nèi)的橋梁安全性檢測研究和對測試為通過橋梁進(jìn)行處理的方法會越來越科學(xué)合理。

此項研究就是針對國內(nèi)存在著難以適應(yīng)現(xiàn)代交通負(fù)載和運輸需求的橋梁而進(jìn)行的。并且隨著近年來網(wǎng)絡(luò)電商異軍突起，物流業(yè)高速發(fā)展，對公路橋梁的荷載能力和養(yǎng)護(hù)要求有了更高的挑戰(zhàn)。部分國內(nèi)橋梁的承載能力和承載力尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代交通條件的要求。如果對所有這些橋梁都要拆除和重建，毫無疑問將需要花費大量的資金和人力，短時間內(nèi)缺少這些橋梁，通行能力將嚴(yán)重下降，并且會使交通秩序變得十分混亂。如果我們能夠充分地利用現(xiàn)有資源，通過可行的檢查和評估方法對可能的橋梁進(jìn)行穩(wěn)定性研究，例如利用Midas-civil程序模擬存疑的橋梁在靜力荷載和動力荷載作用下的穩(wěn)定性[2]，并且結(jié)合實際情況，判斷研究方法是否可行。然后對存在問題的橋梁采取相應(yīng)的重建或加固措施，延長其使用年限，就能大大節(jié)約社會成本，還能保證交通運輸安全穩(wěn)定。

本文的研究依據(jù)橋梁的荷載試驗進(jìn)行橋梁穩(wěn)定性判斷，其中包括動力荷載和靜載試驗。橋梁檢測荷載試驗是將國家公路橋梁規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載施加于橋梁結(jié)構(gòu)的指定位置[3]，測量橋梁在其影響下的相關(guān)參數(shù)。靜載試驗主要是觀察靜載荷下橋梁結(jié)構(gòu)的靜位移和靜應(yīng)變。動荷載試驗主要是觀察橋梁結(jié)構(gòu)在選定激振作用下產(chǎn)生的振動圖形數(shù)值，以此來觀測橋梁振型，分析橋梁的動力特性。本次研究結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas-civil及現(xiàn)場實際試驗數(shù)據(jù)對某地鋼筋混凝土板橋進(jìn)模擬分析，還將對其運行條件進(jìn)行全面評估，為測試橋梁載荷測試提供依據(jù)。

1 工程概況和整體設(shè)計

該鋼筋混凝土板橋基本情況為：跨徑為8m，橋?qū)挒?m。上部結(jié)構(gòu)采用GB10（RC）的C40混凝土橋面板，橫向布置面設(shè)置8片混凝土矩形板，采用GB12(S)的Q345型鋼筋，分別布置橫向梁和縱向梁。

2 使用Midas-civil建立有限元模型

該板橋采用有限元計算軟件Midas-civil建模。采用用梁格法建模,坐標(biāo)系選取默認(rèn)坐標(biāo)系，單位系選取ton/m。材料上，選取T字型和工字型的Q345型鋼筋，截面分別為 TM 297×302×14/23，HP 502×470×20/25；混凝土采用C40；結(jié)構(gòu)上，豎向兩端設(shè)置工字型HP 502×470×20/25，中間布置三段截面為T字型TM 297×302×14/23縱梁，橫向布置九段工字型HP 502×470×20/25橫梁，上部結(jié)采用橫向設(shè)置 8 片厚度為0.3m的C40混凝土矩形板，共計 85個節(jié)點，102個梁單元，8個板單元。

3 計算過程及結(jié)果分析

3.1 靜力荷載分析

3.1.1 計算原理

測點變位與應(yīng)變的計算。根據(jù)量測數(shù)據(jù)做下列計算查公路橋梁荷載試驗規(guī)程得到位變計算公式如下：

總應(yīng)變：St=Sl-Si

彈性應(yīng)變：Se=Sl-Su

殘余應(yīng)變：Sp=St-Se=Su-Si

在式中，Si為加載荷載前的數(shù)值；S1為施加荷載后達(dá)到穩(wěn)定時數(shù)值；Su為去除荷載后達(dá)到穩(wěn)定時數(shù)值。

為了得到評測橋梁穩(wěn)定性的可用的計算結(jié)果，需對相對殘余位變進(jìn)行計算;相對殘余變位按以下公式計算：

基于在測量點處測得的應(yīng)變，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于線性彈性作用狀態(tài)時，能夠計算測量點處的應(yīng)力[4]。

3.1.2 單車加載情況

在單車分別加載情況下, 取一組車輛組合進(jìn)行加載，將荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量后，進(jìn)行分析，查看輸出結(jié)果，觀察后發(fā)現(xiàn)車輛加載范圍內(nèi)應(yīng)變較大, 并且逐漸衰減, 大部分是中間部分參與受力，邊緣兩塊板不參與縱向受力, 共同受力狀況較差（見圖1）。

造成這種情況的原因可能是橋結(jié)構(gòu)之間連接、板之間縫隙接頭不合理等結(jié)構(gòu)問題。

采用三種車輛分別進(jìn)行加載時，橋梁的應(yīng)變數(shù)值呈比例型增長, 此情況說明了受力板塊是處于正常受力狀態(tài)中的, 由此判斷結(jié)構(gòu)局部受力情況良好[5]。

圖1 單車加載情況圖Fig.1 Cycling loading diagram

3.1.3多車加載情況

多車情況的加載為雙車道同時進(jìn)行加載。將三種類型車輛組合分別組合進(jìn)行加載，利用Midas結(jié)果輸出圖表數(shù)值查看計算結(jié)果，觀察結(jié)果可知車輛的加載范圍應(yīng)變值較大，中間板塊應(yīng)變向外擴散開始漸漸降低，應(yīng)變變化較為明顯，由此可得該結(jié)構(gòu)的共同受力情況較差，其原因多與單車情況相似，可能為結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置不合理[6]。

在多車加載情況中，其應(yīng)變模式也呈比例增長，兩種工況的應(yīng)變增長都合理進(jìn)一步說明了結(jié)構(gòu)處于受力狀況良好的狀態(tài)（見圖2）。

圖2 多車加載情況圖Fig.2 Multi-vehicle loading situation diagram

3.1.4 靜力加載情況分析

將兩種加載情況理論計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，在測試的結(jié)構(gòu)中，Midas模擬所得的理論變形位移情況，其數(shù)值與的實際工作狀態(tài)在車輛加載范圍的變形量基本一致；但存在部分結(jié)構(gòu)上理論應(yīng)變值與實測應(yīng)變值有較大差距的問題（見圖3），結(jié)合橋梁實際使用情況，原因可能為該橋長期處于較大交通荷載壓力下，在多年使用后板橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了一定程度的破壞，導(dǎo)致了該鋼筋混凝土板橋應(yīng)變分布不均勻[7]。

圖3 應(yīng)變變化圖Fig.3 Strain change diagram

分別進(jìn)行單車輛荷載和多車車輛加載后，觀察圖表數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)僅有處于加載范圍內(nèi)的部分結(jié)構(gòu)參與受力，并且有在結(jié)構(gòu)兩端梁上受力較小，說明此整體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理[8]。另一方面從參與受力的結(jié)構(gòu)來看，參與受力的測試截面應(yīng)變值最終能夠到達(dá)穩(wěn)定數(shù)值，加載荷載時，變位程度也在合理范圍之內(nèi)，并且在兩種工況下車輛荷載進(jìn)行加載時，結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力都呈彈性線形增長。由此可看出單處結(jié)構(gòu)橋面板的的受力性能良好，但是結(jié)構(gòu)整體受力轉(zhuǎn)態(tài)較差[9]。

3.2 動力荷載分析

3.2.1 理論分析

通過查詢公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范, 得到規(guī)范中的計算公式，用其對簡支板橋基頻理論計算值進(jìn)行計算。簡支混凝土梁板橋理論頻率計算公式為：

mc=G/g

上式中：

L為結(jié)構(gòu)的計算跨徑(m)；E為結(jié)構(gòu)材料的彈性模量(N/m2)；

I指構(gòu)造跨中截面的慣性矩；mc指結(jié)構(gòu)跨中處單位長度的質(zhì)量(kg/m)；

G指跨中處每延米的結(jié)構(gòu)重力(N/m)；g為重力加速度，g=9.81(m/s2)。

3.2.2 實測動載數(shù)據(jù)分析

圖4 模態(tài)1Fig.4 Modal 1

使用Midas-civil模擬加載移動荷載，規(guī)范選取中國橋梁道路規(guī)范，荷載系數(shù)取0.97。使用橋梁分析軟件，建立該有限元模型[10]，特征值計算選用Ritz向量法,對橋梁進(jìn)行特征值計算，查看軟件的特征值分析表（表1）可得到該簡支混凝土板橋的前兩階頻率為:第一階頻率f1=3.40Hz；第二階頻率f2= 8.02Hz。

圖5 模態(tài)2Fig.5 Modal 2

表1 特征值分析表Table 1 Characteristic value analysis table

動荷載試驗擬采用3號車，采集跑車狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，加載車輛分別以10km/h和15km/h的速度無障礙通過該鋼筋混凝土簡支矩形板橋，使用Midas-civil對板橋模型施加移動荷載時，得到板跨中截面的實測震動頻率值為3.353Hz，模態(tài)1中的一階頻率計算值差異較小，且計算得到的理論計算值大于實測值，表明該混凝土板橋的動力性能情況良好[11]。

4 結(jié)論

綜上所述，該橋在實際使用健康檢測和維護(hù)過程中存在問題，橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能承擔(dān)過大的交通壓力；以及利用Midas-civil模擬多單元多節(jié)點的橋梁可行的，能夠為橋梁的安全使用提供可靠的依據(jù)；在將來的橋梁建設(shè)發(fā)展中，此方法可以應(yīng)用到實際當(dāng)中中去，在橋梁安全性檢測中起到重要的參考作用。