桥梁荷载试验车辆自动化布载程序对比分析

刘旭政,汤仲训,贾丽华,王 鹏

(1.华东交通大学土木建筑工程学院,江西 南昌 330013;2.华东交通大学土木工程国家实验教学示范中心,江西 南昌 330013;3.杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司,浙江 杭州 310017;4.广深铁路股份有限公司广州南高铁工务段,广东 广州 511400)

桥梁结构在运营期间由于自然环境、材料劣化、施工缺陷、超载等不利因素的影响,结构的安全性和承载能力都会受到一定的影响[1]。桥梁荷载试验是检验桥梁结构承载力最直接有效的方式之一[2-6]。传统的桥梁荷载试验车辆布载方案存在计算繁琐、耗时较长以及加载方案优化的问题。一些学者对于桥梁荷载试验车辆的自动化布载开展了相关研究,取得了一些研究成果。彭俊杰等[7]分析研究了桥梁静载试验加载方案的设计及优化,对桥梁检测中的加载方案选择提出了一些思路和方法,并编制了相应的计算程序。石永燕等[8]根据连续函数的性质证明了车辆加载方程实根的存在,实现了车辆自动化快速布载系统。刘思孟等[9]在现有荷载试验布载方法的基础上提出了一种弯矩控制并又考虑挠度效率的荷载试验布载方法。吕毅刚[10]基于Visual C++语言,针对桥梁荷载试验横向分配系数开发了桥梁荷载试验横向分布自动计算软件,能方便的给定加载车辆位置并求出各个主梁的横向分配系数。还有部分学者[11-13]运用C++Builder、VBA等计算机编程语言,结合荷载试验现场情况编制了一些车辆自动化布载程序。这些自动化程序大多数没有考虑非控制截面加载效率超标的问题,少数学者[14]通过控制车辆纵向间距的大小来简单考虑。目前对于桥梁在试验过程中非控制截面加载效率存在超标的问题研究不深入,且对最优加载方案的选择问题研究较少。课题组对于这一问题进行了持续深入研究,黄晓鹤[15]对索吊桥梁静载试验时的安全布载问题展开研究,并对几类典型的大跨度索吊桥梁的敏感工况的加载方式提出了改进的布载方案。赵军[16]分析确定了敏感工况的加载超标问题,基于MATLAB软件编写了车辆安全自动加载程序。王鹏[17]采用Python语言编制了索吊桥梁荷载试验自动化安全布载程序,并选用梁拱组合桥和悬索桥验证了程序的可行性。

基于上述研究分析,笔者首先介绍了课题组开发完成的CSBVL程序的编制原理及流程,并以一座计算跨径为100 m系杆拱桥为例,分别采用CSBVL程序与某商业软件的试验自动化加载模块对荷载试验车辆布置方案进行了自动化计算,并从软件计算效率、非控制截面加载效率和布载结果优化多个方面进行了对比分析，研究结果对桥梁静载试验的实际工程应用具有重要参考意义和推广应用价值。

1 CSBVL车辆自动化布载程序

针对车辆布载中存在的手工、经验计算难度大、耗时长等问题,本课题组基于Python编程语言编制了车辆自动化安全布载程序[17](Cable-Suspender Bridge Testing Vehicle Safety Layout，CSBVL)。CSBVL主要包括四部分功能,分别为试验参数设置、试验项目影响线的输入、试验工况加载效率计算及车辆布置方案确定、计算结果显示。依据《公路桥梁荷载试验规程》[18]中对桥梁静载试验荷载效率的规定,确保最终计算结果能够满足静载试验安全要求。

CSBVL计算前首先要对试验相关设置参数进行设定,包括桥梁的影响线文件以及目标工况截面的活载效应值等。参数设定完成后,程序可自动计算出满足荷载试验规范要求的车辆加载位置,并确定最优试验车辆。最后程序列出最优车辆布载方案的详细计算结果以及车辆位置布置图。程序算法流程图如图1所示。

图1 CSBVL程序流程图Fig.1 Flow chart of CSBVL program

桥梁静载试验布载方案的确定需要综合考虑其安全性和经济性,桥梁结构类型以及跨径等因素的差异也对布载方案中试验车辆轴重、间距的选择有影响。CSBVL程序通过引入“性价比法”[17]对布载方案中不同试验车辆的布载结果进行汇总评分比较,确定性价比最高的试验车辆类型。布载方案中试验车辆的汇总评分见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中:N为试验车辆总数量;R为试验车辆布置排数;η为试验加载效率;Ci为单个工况评分;C为某一质量的试验车辆汇总评分。

依照每一吨轴重所能产生的效率最高,通过将不同质量的试验车辆的汇总评分采用内插法归一化处理为[60,100]内的换算评分,建立性价比得分计算公式(3),计算其性价比得分,最终选出性价比最高的试验车辆重量。经上述公式的评比,可确定出最优的试验车辆重量,并给出安全性、经济性最优的布载方案。

(3)

式中:V为某一质量的试验车辆性价比得分;H为某一质量的试验车辆换算评分;M为试验车辆总质量。

2 工程背景

2.1 工程概况

笔者选取一座计算跨径100 m的系杆拱桥荷载试验方案设计为研究对象。该桥拱轴线为二次抛物线,矢跨比为1/5,矢高20 m。拱肋采用哑铃型钢管砼,截面高2.6 m。全桥共设置吊杆18对,间距5.1 m。全线采用双向四车道高速公路标准,设计行车速度80 km /h,设计荷载为公路-Ι级。该桥总体布置图见图2所示。

图2 桥梁总体布置图Fig.2 Bridge general layout

2.2 有限元模型

采用Midas/Civil2019建立本桥的有限元计算分析模型。主拱采用哑铃型截面,使用施工联合截面进行模拟,混凝土强度标号为C50,钢管材料采用Q345钢。横梁、系梁均采用梁单元模拟,吊杆采用桁架单元模拟,单根拱肋设置18根刚性吊杆。吊杆下端与系梁共用节点,两端拱脚处采用一般支撑的约束形式模拟。全桥模型共划分458个节点,758个单元。有限元计算分析模型如图3所示。

图3 有限元计算分析模型Fig.3 Finite element model

2.3 荷载试验工况

桥梁静载试验应按照桥梁结构的最不利受力原则和代表性原则确立试验工况和测试截面[19]。对于组合体系桥梁,依据结构受力特点和荷载试验规程确定试验工况及相应的测试截面，该系杆拱桥确定的试验加载工况详见表1。

表1 试验加载工况及活载效应值

3 自动化布载计算及结果对比分析

3.1 CSBVL和某商业布载软件的参数设定

使用荷载试验车辆自动化布载程序进行计算首先要对试验相关设置参数进行设定。CSBVL需对控制截面以及非控制截面活载效应值、桥梁基本参数、车辆类型参数进行设置;同时还应输入车辆轴间距、车轮距,程序将自动生成总轴质量分别为30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7种常用试验车辆类型;此外,还需设置桥长、桥宽以及桥面分隔类型参数用于车辆位置布置图的绘制。某商业软件通过有限元模型的导入,需要对试验车辆类型、相邻车辆最小纵向间距、车辆移动步长、试验荷载效率等参数进行设定。两种布载软件试验车辆均采用三轴车[20],车轴间距为4 m+1.4 m,相邻车辆最小纵向间距为4 m(前车后轴与后车前轴间距),车辆移动步长为1 m,目标试验荷载效率取值0.85～1.05。程序参数设定界面如图4、图5所示。

图4 CSBVL参数设定界面Fig.4 Parameter setting interface of CSBVL

图5 商业软件参数设定界面Fig.5 Parameter setting interface of commercial software

3.2 计算结果及效率对比

笔者对某座系杆拱桥进行自动布载计算分析,CSBVL分别取质量为30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7种试验车辆对大桥的5个工况进行计算。商业布载软件单次只能计算1种重量的试验车辆,因篇幅所限,笔者展示了两种布载软件采用40 t试验车辆的布载结果,如表2所示。

表2 两种布载软件对40 t车辆的计算结果Table 2 Calculation results of 40 t vehicle by two deployment software

根据表中布载结果,所有工况控制截面的试验荷载效率均在0.85～1.05,符合规范要求,CSBVL和商业布载软件完成所有工况试验均需要5辆40 t车。两种布载软件均可根据布载结果输出车辆布载示意图,以工况4为例,依据吊杆弯矩影响线,在中载工况下CSBVL需要5辆车,商业布载软件需要5辆车。加载车辆布置示意如图6所示。

商业布载软件单次计算只能考虑1种质量的试验车辆,同时需要根据经验输入试验车辆的数量进行试算,计算过程繁琐、复杂。而CSBVL能够进行同时计算多种车辆质量的试验,并根据输入的试验荷载效率直接算出所需的试验车辆数量,大大提高了计算效率。

3.3 非控制截面的荷载效率对比

索吊桥梁在进行静载试验时,应该在满足工况控制截面的荷载效率的同时,保证非控制截面的荷载效率不超标。本桥中以典型工况(吊杆最大拉力增量)的中载为例,考察非控制截面的荷载效率的超标问题。控制截面为吊杆188#单元,非控制截面为188#单元影响线最大值附近的主拱(208#单元)、吊杆(187#单元)和主梁(160#、159#单元)截面。根据布载结果,两种程序计算出的布载方式中非控制截面的荷载效率如图7所示。

图6 车辆布载示意图Fig.6 Schematic diagram of vehicle layout

图7 非控制截面试验荷载效率Fig.7 Non-critical cross-sections test load efficiency

根据非控制截面试验荷载效率结果,CSBVL的布载结果中非控制截面的荷载效率均小于1.05,分别为0.86,0.99,1.03和1.03。而商业软件布载结果中共有3个非控制截面的荷载效率超出1.05,分别为1.07,1.13和1.14,超出各自安全荷载效率1.9%,7.6%和8.6%。因此,CSBVL可以保证非控制截面的荷载效率满足安全要求,而商业软件则无法保证非控制截面的荷载效率不超标。

3.4 车辆自动布载优化对比

静载试验方案中最佳试验车辆的质量应通过评比方法来确定。文中商业布载软件对于布载结果不具备优化评比功能。CSBVL对布载结果中不同重量的试验车辆进行汇总评分比较。因篇幅所限,仅展示工况1计算结果,表3为工况1在不同质量的试验车辆所对应的计算评分。

根据“性价比法”分析,将CSBVL对各试验车辆的布载结果汇总得分归一化处理为[60,100]内的换算评分,即30 t试验车辆设成60分,45 t试验车辆设为100分,其余试验车辆评分按内插法换算,再将换算得分除以试验车辆质量,即可得出不同质量试验车辆的性价比值。评比结果如表4所示。根据计算结果,42 t试验车辆的性价比评分是最高的,每吨荷载产生的加载效率最大,因此，42 t试验车辆为最优荷载类型。

表3 工况1对应不同质量的试验车辆的评分表Table 3 Condition 1 corresponds to the score table under different test vehicle weights

表4 试验车辆性价比评分表

4 结 论

(1)在某些试验车辆参数设定下,两种布载程序均能计算出符合试验规程的车辆布载方案。商业布载软件计算时需要根据经验输入设定参数进行试算,且只能考虑一种质量的试验车辆;而CSBVL能够同时计算多种质量的试验车辆,自动化程度更高。

(2)CSBVL布载结果中非控制截面的试验荷载效率均小于1.05;而商业布载软件在某些设定参数下,其计算结果中存在非控制截面的试验效率超出规定值的布载形式,危害荷载试验时桥梁结构安全。

(3)在此算例中,CSBVL采用“性价比法”分析确定布载方案中42 t试验车辆为性价比最优的试验车辆;商业布载软件对于布载结果没有优化分析功能。

(4)CSBVL具有操作便捷、计算快速以及多种试验车辆同步计算的优点,同时能兼顾布载方案的经济性、安全性,可以广泛应用于各类桥梁的荷载试验方案设计中,具有很好的推广应用价值。