基于MIDAS对桥梁荷载试验的应用研究

谢栋明，王艳军

（福建农林大学金山学院，福建 福州 350000）

0 引言

改革开放以来，国内各种政策大大加大了资本对基础设施进行大量投资的意愿。在大修基础设施的背景下，各种新项目如雨后春笋一般，甚至使得中国近几十年修建的桥梁数量超过了过去几千年各时期建造的总和。各种结构型式可供选择，桥梁施工技术水平逐渐达到世界一流水平。随着工程总体技术的增长，测试桥梁安全稳定的技术也随之增长，桥梁的评估也变得越来越科学规范。

国内外桥梁建设现状各不相同，但不论是在发展中国家还是在发达国家，基础设施建设一直是国家建设的重点。在美国、英国等发达国家，陆上公路桥梁运输比率逐年增长[1]，并且还有继续增加的趋势。相对国内而言，国外起步较早，经过长时间的积淀，建立了严谨的科学体系，施工步骤逐渐合理规范，在技术上拥有领先地位，建造出了许多难度颇高的大跨径桥梁，例如位于美国西部的科罗拉多大桥，其桥身整体结构距离科罗拉多谷底约为一千两百多米，可以同时承受约两万游客的重量。此外，位于英国的盖茨亥德千禧桥，是世界上第一座也是目前唯一一座倾斜桥。中国的桥梁建设虽起步晚，处于落后地位，但在建设技术上奋起直追，整体工程建造技术发展速度惊人，加上国家在政策上大力扶持，到目前为止，在分析石拱桥，桁式拱桥，双曲拱桥，钢筋混凝土拱桥，预应力混凝土斜拉桥，连续刚构框架结构上，行业整体的研究越来越深入；连续梁桥等特殊的评估加固技术，桥梁稳定性评估，加固质量检验和评估方法，高粘结度抗扰建筑材料等新材料的研究也越来越成熟。在这类更为进步的专项研究中，将使得国内的桥梁安全性检测研究和对测试为通过桥梁进行处理的方法会越来越科学合理。

此项研究就是针对国内存在着难以适应现代交通负载和运输需求的桥梁而进行的。并且随着近年来网络电商异军突起，物流业高速发展，对公路桥梁的荷载能力和养护要求有了更高的挑战。部分国内桥梁的承载能力和承载力尚远远不能满足现代交通条件的要求。如果对所有这些桥梁都要拆除和重建，毫无疑问将需要花费大量的资金和人力，短时间内缺少这些桥梁，通行能力将严重下降，并且会使交通秩序变得十分混乱。如果我们能够充分地利用现有资源，通过可行的检查和评估方法对可能的桥梁进行稳定性研究，例如利用Midas-civil程序模拟存疑的桥梁在静力荷载和动力荷载作用下的稳定性[2]，并且结合实际情况，判断研究方法是否可行。然后对存在问题的桥梁采取相应的重建或加固措施，延长其使用年限，就能大大节约社会成本，还能保证交通运输安全稳定。

本文的研究依据桥梁的荷载试验进行桥梁稳定性判断，其中包括动力荷载和静载试验。桥梁检测荷载试验是将国家公路桥梁规范中的标准设计荷载施加于桥梁结构的指定位置[3]，测量桥梁在其影响下的相关参数。静载试验主要是观察静载荷下桥梁结构的静位移和静应变。动荷载试验主要是观察桥梁结构在选定激振作用下产生的振动图形数值，以此来观测桥梁振型，分析桥梁的动力特性。本次研究结合桥梁结构有限元分析软件Midas-civil及现场实际试验数据对某地钢筋混凝土板桥进模拟分析，还将对其运行条件进行全面评估，为测试桥梁载荷测试提供依据。

1 工程概况和整体设计

该钢筋混凝土板桥基本情况为：跨径为8m，桥宽为6m。上部结构采用GB10（RC）的C40混凝土桥面板，横向布置面设置8片混凝土矩形板，采用GB12(S)的Q345型钢筋，分别布置横向梁和纵向梁。

2 使用Midas-civil建立有限元模型

该板桥采用有限元计算软件Midas-civil建模。采用用梁格法建模,坐标系选取默认坐标系，单位系选取ton/m。材料上，选取T字型和工字型的Q345型钢筋，截面分别为 TM 297×302×14/23，HP 502×470×20/25；混凝土采用C40；结构上，竖向两端设置工字型HP 502×470×20/25，中间布置三段截面为T字型TM 297×302×14/23纵梁，横向布置九段工字型HP 502×470×20/25横梁，上部结采用横向设置 8 片厚度为0.3m的C40混凝土矩形板，共计 85个节点，102个梁单元，8个板单元。

3 计算过程及结果分析

3.1 静力荷载分析

3.1.1 计算原理

测点变位与应变的计算。根据量测数据做下列计算查公路桥梁荷载试验规程得到位变计算公式如下：

总应变：St=Sl-Si

弹性应变：Se=Sl-Su

残余应变：Sp=St-Se=Su-Si

在式中，Si为加载荷载前的数值；S1为施加荷载后达到稳定时数值；Su为去除荷载后达到稳定时数值。

为了得到评测桥梁稳定性的可用的计算结果，需对相对残余位变进行计算;相对残余变位按以下公式计算：

基于在测量点处测得的应变，当结构处于线性弹性作用状态时，能够计算测量点处的应力[4]。

3.1.2 单车加载情况

在单车分别加载情况下, 取一组车辆组合进行加载，将荷载转化为质量后，进行分析，查看输出结果，观察后发现车辆加载范围内应变较大, 并且逐渐衰减, 大部分是中间部分参与受力，边缘两块板不参与纵向受力, 共同受力状况较差（见图1）。

造成这种情况的原因可能是桥结构之间连接、板之间缝隙接头不合理等结构问题。

采用三种车辆分别进行加载时，桥梁的应变数值呈比例型增长, 此情况说明了受力板块是处于正常受力状态中的, 由此判断结构局部受力情况良好[5]。

图1 单车加载情况图Fig.1 Cycling loading diagram

3.1.3多车加载情况

多车情况的加载为双车道同时进行加载。将三种类型车辆组合分别组合进行加载，利用Midas结果输出图表数值查看计算结果，观察结果可知车辆的加载范围应变值较大，中间板块应变向外扩散开始渐渐降低，应变变化较为明显，由此可得该结构的共同受力情况较差，其原因多与单车情况相似，可能为结构连接处设置不合理[6]。

在多车加载情况中，其应变模式也呈比例增长，两种工况的应变增长都合理进一步说明了结构处于受力状况良好的状态（见图2）。

图2 多车加载情况图Fig.2 Multi-vehicle loading situation diagram

3.1.4 静力加载情况分析

将两种加载情况理论计算结果与实测结果进行对比后发现，在测试的结构中，Midas模拟所得的理论变形位移情况，其数值与的实际工作状态在车辆加载范围的变形量基本一致；但存在部分结构上理论应变值与实测应变值有较大差距的问题（见图3），结合桥梁实际使用情况，原因可能为该桥长期处于较大交通荷载压力下，在多年使用后板桥结构已经受到了一定程度的破坏，导致了该钢筋混凝土板桥应变分布不均匀[7]。

图3 应变变化图Fig.3 Strain change diagram

分别进行单车辆荷载和多车车辆加载后，观察图表数据，发现仅有处于加载范围内的部分结构参与受力，并且有在结构两端梁上受力较小，说明此整体结构设计不合理[8]。另一方面从参与受力的结构来看，参与受力的测试截面应变值最终能够到达稳定数值，加载荷载时，变位程度也在合理范围之内，并且在两种工况下车辆荷载进行加载时，结构的截面应力都呈弹性线形增长。由此可看出单处结构桥面板的的受力性能良好，但是结构整体受力转态较差[9]。

3.2 动力荷载分析

3.2.1 理论分析

通过查询公路桥涵设计通用规范, 得到规范中的计算公式，用其对简支板桥基频理论计算值进行计算。简支混凝土梁板桥理论频率计算公式为：

mc=G/g

上式中：

L为结构的计算跨径(m)；E为结构材料的弹性模量(N/m2)；

I指构造跨中截面的惯性矩；mc指结构跨中处单位长度的质量(kg/m)；

G指跨中处每延米的结构重力(N/m)；g为重力加速度，g=9.81(m/s2)。

3.2.2 实测动载数据分析

图4 模态1Fig.4 Modal 1

使用Midas-civil模拟加载移动荷载，规范选取中国桥梁道路规范，荷载系数取0.97。使用桥梁分析软件，建立该有限元模型[10]，特征值计算选用Ritz向量法,对桥梁进行特征值计算，查看软件的特征值分析表（表1）可得到该简支混凝土板桥的前两阶频率为:第一阶频率f1=3.40Hz；第二阶频率f2= 8.02Hz。

图5 模态2Fig.5 Modal 2

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

动荷载试验拟采用3号车，采集跑车状态下桥梁结构的动力响应，加载车辆分别以10km/h和15km/h的速度无障碍通过该钢筋混凝土简支矩形板桥，使用Midas-civil对板桥模型施加移动荷载时，得到板跨中截面的实测震动频率值为3.353Hz，模态1中的一阶频率计算值差异较小，且计算得到的理论计算值大于实测值，表明该混凝土板桥的动力性能情况良好[11]。

4 结论

综上所述，该桥在实际使用健康检测和维护过程中存在问题，桥梁结构已经不能承担过大的交通压力；以及利用Midas-civil模拟多单元多节点的桥梁可行的，能够为桥梁的安全使用提供可靠的依据；在将来的桥梁建设发展中，此方法可以应用到实际当中中去，在桥梁安全性检测中起到重要的参考作用。