基于 Midas Civil 的荷載試驗(yàn)中試驗(yàn)車模擬方法的研究

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：付元元（1991—），女，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁（含隧道）工程技術(shù)。

摘要 文章以某工程一簡支T梁橋?yàn)槔M(jìn)行荷載試驗(yàn)中試驗(yàn)車模擬方法的研究，先通過Midas Civil軟件中不同的試驗(yàn)車模擬方法求出該橋的理論應(yīng)變和撓度，再通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)得到實(shí)際的應(yīng)變和撓度，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究哪種試驗(yàn)車模擬方法更合理、更切合實(shí)際。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；Midas Civil軟件；荷載試驗(yàn)；試驗(yàn)車模擬方法

中圖分類號 U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0018-03

0 引言

橋梁荷載試驗(yàn)[1]的目的是通過加載試驗(yàn)，記錄橋梁在荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，為橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況及承載能力評定和日后養(yǎng)護(hù)、維修、加固的決策提供科學(xué)依據(jù)和支持。目前，主要通過結(jié)構(gòu)分析軟件來計(jì)算荷載試驗(yàn)的控制荷載，然后在試驗(yàn)階段采用梁單元集中荷載來模擬試驗(yàn)車，但是這種方法使試驗(yàn)車的力集中作用在偏心單元上，從而使得偏心單元的內(nèi)力很大。然而，實(shí)際工程中的外力是通過橋梁的縱橫梁相對均勻地作用在橋梁上，不會(huì)某個(gè)位置特別大，所以更切合實(shí)際的試驗(yàn)車模擬方法值得研究探討。

該文以四川省綿陽市一簡支T梁橋?yàn)槔?，通過梁單元的集中荷載和面單元的集中荷載來模擬試驗(yàn)車，得出兩組控制值。再通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出的實(shí)際值和兩組控制值分別對比，來分析研究哪種模擬方法更合理、更切合實(shí)際，為今后橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供一定的參考價(jià)值。

1 工程背景

該橋橋跨布置為（20+40+20）m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋梁全長88.58 m，全寬12 m，由5片T梁組成。荷載等級：公路-Ⅰ級。橋面鋪裝：12 cm厚C50防水混凝土。預(yù)制T梁強(qiáng)度為C50。該文以20 m簡支T梁跨為例。

2 試驗(yàn)方案

靜載試驗(yàn)用于檢驗(yàn)橋梁的主要構(gòu)件在靜荷載狀態(tài)下是否滿足設(shè)計(jì)要求，通過在有限元軟件Midas Civil中建立橋梁的結(jié)構(gòu)模型，求得橋梁在設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)變、撓度等參數(shù)，再根據(jù)這些數(shù)值模擬的結(jié)果來布置合適的加載車輛。

2.1 計(jì)算內(nèi)力

計(jì)算采用有限元軟件Midas Civil[2]進(jìn)行，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

先將橋梁的有限元模型建出來，計(jì)算出控制荷載，然后再根據(jù)效率系數(shù)0.85～1.05來控制加載方式。加載方式中有兩個(gè)變量：加載位置和試驗(yàn)車重。該文主要是研究分析試驗(yàn)車模擬方法的合理性，所以兩種試驗(yàn)車模擬方法中的這兩個(gè)變量都一樣，以便比較分析。

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載公路-I級得到橋梁的計(jì)算內(nèi)力如表1所示：

表1 靜載試驗(yàn)計(jì)算內(nèi)力/kN·m

控制梁 試驗(yàn)工況 計(jì)算彎矩

邊梁 最大正彎矩工況 1 412.5

2.2 測試位置和測點(diǎn)布置

試驗(yàn)主要通過在橋底粘貼應(yīng)變片檢測結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)變情況，通過精密水準(zhǔn)儀檢測橋面在試驗(yàn)荷載下的撓度值，從而判斷橋跨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否能滿足使用要求。應(yīng)變測試截面選擇試驗(yàn)跨最大正彎矩截面（A-A）；撓度測試選擇試驗(yàn)跨的支點(diǎn)、最大正彎矩截面、四分點(diǎn)截面。具體布置位置如圖2～3所示。

2.3 試驗(yàn)荷載工況布置

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載等級，按荷載等效的原則布載，選取載重汽車作為試驗(yàn)荷載，試驗(yàn)采用單車重400kN的載重汽車4輛。加載車輛的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖2 試驗(yàn)跨橫向應(yīng)變、撓度測點(diǎn)布置圖

圖3 試驗(yàn)跨縱向撓度測試斷面布置圖

說明：①圖中尺寸單位為cm。

②道路前進(jìn)方向?yàn)樾±锍讨链罄锍谭较颉?/p>

③圖中實(shí)心三角形表示動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，實(shí)心矩形表示靜應(yīng)變測點(diǎn)，圓圈加豎線表示撓度測點(diǎn)。

表2 靜載試驗(yàn)加載車輛技術(shù)參數(shù)表

車輛名稱 前軸

重/kN 中軸

重/kN 后軸

重/kN 軸距/m 輪距/

m

前-中軸 中-后軸

標(biāo)準(zhǔn)車輛 93.6 153.2 153.2 3.80 1.35 1.80

3 試驗(yàn)車模擬方法

3.1 試驗(yàn)車模擬方法1：梁單元集中荷載

以該橋中載工況為例。4臺40 t車，橫向兩臺，縱向兩列，縱向車尾對車尾間隔6 m于跨中對稱布置。在“靜力荷載〉梁單元荷載（單元）〉集中荷載”來模擬試驗(yàn)車加載。根據(jù)該方法得出應(yīng)變、撓度的計(jì)算值如表3～4所示。

表3 應(yīng)變控制值/με

工況 測點(diǎn)位置 應(yīng)變

中載 5#梁梁底 100

4#梁梁底 128

3#梁梁底 105

2#梁梁底 128

1#梁梁底 100

表4 撓度控制值 /mm

加載工況 位置 1/4 1/2 3/4

最大

正彎矩 中載 左側(cè) ?2.62 ?3.72 ?2.62

中間 ?4.17 ?5.38 ?4.17

右側(cè) ?2.62 ?3.72 ?2.62

3.2 試驗(yàn)車模擬方法2：平面荷載的集中荷載

同樣以中載工況為例，采用同樣的車重和加載位置。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，先建立板單元，此時(shí)因?yàn)榘鍐卧土簡卧幪栍兄貜?fù)，故“結(jié)構(gòu)〉檢查/重復(fù)單元”；然后“靜力荷載〉分配面荷載〉定義平面荷載類型〉集中荷載〉分配平面荷載”。定義平面荷載如圖4所示，根據(jù)該方法得出應(yīng)變、撓度的計(jì)算值如表5～6所示。

圖4 定義平面荷載

表5 應(yīng)變控制值 /με

工況 測點(diǎn)位置 應(yīng)變

中載 5#梁梁底 107

4#梁梁底 114

3#梁梁底 119

2#梁梁底 114

1#梁梁底 107

表6 撓度控制值 /mm

加載工況 位置 1/4 1/2 3/4

最大

正彎矩 中載 左側(cè) ?2.80 ?3.98 ?2.80

中間 ?3.60 ?4.94 ?3.60

右側(cè) ?2.80 ?3.98 ?2.80

兩種方法的加載圖在模型中顯示如圖5～6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 撓度測試結(jié)果與分析

100%中載工況下橋面板結(jié)構(gòu)中點(diǎn)的撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果分別如表7（a）、（b）所示。

表7 撓度實(shí)測值與計(jì)算值的比較

（a）試驗(yàn)車模擬方法1

加載工況 測點(diǎn)位置 實(shí)測值/mm 計(jì)算值/mm 校驗(yàn)系數(shù)η

100%中載

工況 L/2截面

中側(cè) ?4.30 ?5.38 0.80

（b）試驗(yàn)車模擬方法2

加載工況 測點(diǎn)位置 實(shí)測值/mm 計(jì)算值/mm 校驗(yàn)系數(shù)η

100%中載

工況 L/2截面

中側(cè) ?4.30 ?4.94 0.87

注：表中撓度數(shù)據(jù)向下為負(fù)值，向上為正值（mm）。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：方法1得到的效率系數(shù)為0.80，方法2得到的效率系數(shù)為0.87。在兩種方法下，方法2的效率系數(shù)相對要大些，也就是實(shí)際值和計(jì)算值更接近，那么說明方法2更接近實(shí)際，更合理。

4.2 應(yīng)變測試結(jié)果與分析

100%中載工況下3#梁底應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值的比較結(jié)果分別如表8（a）、（b）所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：方法1得到的效率系數(shù)為0.75～

0.81之間，方法2得到的效率系數(shù)為0.71～0.88之間。在兩種方法下效率系數(shù)有重合部分，但是方法2的效率系數(shù)相對要大些，也就是實(shí)際值和計(jì)算值更接近，那么說明方法2更接近實(shí)際，更合理。

5 總結(jié)

通過試驗(yàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析以及將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值進(jìn)行對比，可以得出：在相同的加載方式下，試驗(yàn)車的模擬方法大大影響著控制值。同時(shí)，用平面荷載中的集中荷載模擬實(shí)驗(yàn)車比用單元荷載的集中荷載模擬試驗(yàn)車更貼近工程實(shí)際，數(shù)據(jù)更合理。

參考文獻(xiàn)

[1]公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2016．

[2]邱順冬. 橋梁工程軟件Midas Civil應(yīng)用工程實(shí)例[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.