midasCivil在桥梁承载能力检算和荷载试验中的应用(以Civil_V2012为例)

目录

1桥梁承载能力检算评定 (2)

1.1检算总述 (2)

1.2作用及抗力效应计算 (2)

2桥梁荷载试验 (7)

2.1静载试验 (7)

2.1.1确定试验荷载 (7)

2.1.2试验荷载理论计算 (10)

2.1.3试验及数据分析 (13)

2.1.4试验结果评定 (16)

2.2动载试验 (17)

2.2.1自振特性试验 (17)

2.2.2行车动力响应试验 (19)

2.2.2.1移动荷载时程分析 (19)

2.2.2.2动力荷载效率 (31)

2.2.3试验数据分析及结构动力性能评价 (32)

参考文献 (33)

结合公路桥梁承载能力检测评定规程，应进行桥梁承载能力检算评定，判断荷载作用检算结果是否满足要求。另外如果作用效应与抗力效应的比值在1.0——1.2之间时，尚需根据规范规定进行荷载试验评定承载能力。下面将对midas Civil在桥梁承载能力检算评定及荷载试验中的应用详细叙述。

1桥梁承载能力检算评定

1.1检算总述

进行桥梁承载能力检测评定时需要进行（1）桥梁缺损状况检查评定（2）桥梁材质与状态参数检测评定（3）桥梁承载能力检算评定。通过（1）、（2）及实际运营荷载状况调查，确定分项检算系数，根据得到的分项检算系数，对桥梁承载能力极限状态的抗力及正常使用极限状态的容许值进行修正，然后将计算作用效应值与修正抗力或容许值作对比，判断检算结果是否满足要求。一般来说承载能力检算主要包括抗弯、正斜截面抗剪承载力检算、裂缝宽度检算、挠度检算、稳定性验算等。

1.2作用及抗力效应计算

为得到检测桥梁在荷载作用下的计算效应值，可以通过midas Civil进行计算分析得到。对于预应力混凝土及钢筋混凝土等配筋混凝土桥梁，为得到结构抗力效应值，可以结合PSC设计、RC设计验算得到相应抗力值。前处理当中需要考虑自重、二期及其他恒载、预应力荷载、成桥时候的温度作用（整体升降温+梯度升降温）、移动荷载、支座沉降（根据实测得到的变位定义）等荷载作用；定义

施工阶段分析，可设置包括一次成桥及服役时间长度的收缩徐变两个阶段。计算分析完毕后，先进行荷载组合：结果>荷载组合，选择“混凝土设计”表单，可以结合通用设计规范D60-04自动生成功能生成荷载组合，组合类型按照检测评定规程选择承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计，分别进行结构抗弯、剪、扭验算及抗裂验算。

进行PSC设计验算时，输出参数中可以只选择抗弯、剪、扭验算及抗裂验算内容；如果不考虑扭矩验算，相应选项可不勾选。进行RC设计时，选择承载能力极限状态验算，进行抗弯、剪、扭验算及裂缝宽度验算。

对于混凝土桥梁，可以结合规范检测评定规程（JTG/T J21-2011）6.4节的规定确定检测位置及内容：跨中正弯矩、支点附近剪力、1/4截面附近弯剪组合连续梁墩顶负弯矩等，选中这些位置处的单元，作为设计位置。当然也可以将全桥主梁单元均作为设计位置。

设计验算完毕后，可以在结果当中表格里面通过表格查找到桥梁作用效应值及抗力值。

（1）对于抗弯、抗剪、抗扭验算，以承载能力极限状态抗弯设计验算为例，γMu即为考虑结构重要性系数的作用效应值，Mn为桥梁抗弯承载能力。

(2)对于正常使用极限状态抗裂验算，以正常使用极限状态正截面抗剪验算为例，程序分别输出截面顶板、底板及四个角点位置处的正应力结果，然后取其最大值得到Sig_MAX，即可作为作用效应值，Sig_ALW为容许应力值，即正截面抗裂抗力值。

(3)对于裂缝宽度验算，可以在RC设计验算中输出，也可以在PSC设计验算中对B类部分预应力桥梁输出。以B类部分预应力桥梁裂缝宽度验算为例，Sig_SS 表示受拉钢筋应力，W_tk是计算裂缝宽度，W_AC为允许裂缝宽度。在检测评定规范7.3.4中裂缝宽度限值表也给出了各类别桥梁容许最大裂缝宽度。

(4)对于挠度检算，在civil中不需要进行设计，可以直接在结果>变形当中查找到相应荷载组合或工况下的位移，如下图中承载能力极限状态组合1下的位移，提取相应检算位置处的变形，将其与容许变形对比进行检算。

（5）对于稳定性验算，可以通过civil进行屈曲分析，得出桥梁结构在自重等静力荷载作用下的特征值，即安全系数，安全系数越大，结构越稳定。

通过计算分析得到作用效应值及抗力值后，尚需根据桥梁缺损状况检查评定和桥梁材质与状态参数检测评定确定承载能力检算系数Z1,对于钢筋混凝土桥梁尚需确定承载能力恶化系数、截面折减系数、钢筋截面折减系数等，通过规范公式7.3.1、7.3.3-1、7.3.3-2、7.3.3-3分别进行强度、应力、变形、裂缝宽度验算。

对于圬工结构桥梁可以通过civil计算分析得到荷载作用效应值，然后将其与引入承载能力检算系数Z1修正的抗力值作对比，进行检算。对于钢桥，可以通过civil计算分析得到荷载作用下的应力及变形，然后将引入承载能力检算系数Z1修正的应力变形容许值对比检算。对于拉吊索承载能力检算，主要是将计算拉索应力与考虑检算系数的容许应力限值做对比。详细内容可参照《公路桥梁承载能力检测评定规程》第7章内容，确定检算公式及检算系数等。

2桥梁荷载试验

根据公路桥梁承载能力检测评定规程规定，如果荷载作用效应与结构抗力效应的比值在1.0—1.2之间时，尚需根据规范规定进行荷载试验评定承载能力。故本节主要讲解如何结合midas civil及FEA进行荷载试验分析。

2.1静载试验

2.1.1确定试验荷载

首先是确定静力试验荷载，根据控制内力、应力或变位等效原则，选择满足静力荷载试验效率的试验荷载及加载方案。

---静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力/变形的最大计算效应值；

---检算（控制）荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值；

---按规范取用的冲击系数值；

验收性荷载试验---：0.85~1.05；

鉴定性荷载试验---：0.95~1.05。

对于加载控制截面，可以参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》中表8-1-3“不同类型桥梁主要加载测试项目”及《公路桥梁荷载试验规程》中5.2.2-1/ 2/3/4“各桥型试验荷载工况及控制截面”进行选择确定。S表示检算荷载或控制荷载作用下的计算效应值，此荷载一般取移动设计荷载，如车道荷载或者是其他设计荷载。对于冲击系数，如果在civil中定义了移动荷载分析控制中冲击系数，那么计算结果中即包含了冲击效应，可以直接用 计算静载试验效率。

以一连续梁桥为例，跨径布置为25+35+25，依据上述规范条文选择试验工况及控制截面如下：

（1）主跨支点位置最大负弯矩工况，主跨支点截面，图示B截面

（2）主跨跨中截面最大正弯矩工况，主跨最大弯矩截面，图示C截面

（3）边跨主梁最大正弯矩工况，边跨最大弯矩截面，图示A截面

根据《公路桥梁荷载试验规程》说明，静载试验工况应包括中载工况和偏载工况，故设置两个移动荷载工况：偏载和中载。偏载车道布置依据通用设计规范中最不利的布置形式设置。计算分析后分别查看两个工况A、B、C三个控制截面的计算效应值，此时如前处理中在移动荷载分析控制定义了冲击系数，则计算效应值已经包括冲击效应。以A截面为例，模型中为12号单元中点位置，查看其在偏载移动工况作用下的最大正弯矩为5411.1kN*m，此值即为公式中的分母值，如图所示。

得到检算控制荷载计算效应值后，可以通过移动荷载结果>影响线>梁单元内力，输出12号单元中点在偏载三个车道下的弯矩影响线，如下图偏载1车道下弯矩影响线，同时可将影响线数据通过“生成文件”导出为mct文件。

通过移动荷载结果>移动荷载追踪器>梁单元内力，输出12号单元中点产生最大正弯矩时的移动荷载布置情况，如图所示，并可通过“输出最大/最小荷载文件”将移动荷载布置情况输出为mct格式文件，导入civil后作为静力荷载计算分析。

根据上述导出的弯矩影响线数据、最不利移动荷载布置情况，结合其他辅助工具（检测行业自编小工具），确定试验车辆荷载布置在哪些位置时可以使公式中Ss项满足静载试验效率的要求。

2.1.2试验荷载理论计算

确定试验荷载加载位置后，即可采用试验车辆或重物加载试验，关于如何在civil中模拟试验荷载加载，以下述例子进行说明。首先是对于单梁模型，试验车辆荷载可以采用荷载>梁荷载>线>集中荷载进行施加模拟，假设试验车辆荷载为3轴重车,轴重与轴距统计如下表所示：

如将该试验车辆加载在最外侧车道上，如图所示，选择集中荷载后，因试验车辆荷载加载在最外侧车道上，所以需要勾选“偏心”，下面选择“中心”表示

以截面质心位置处作为参考位置，“偏心”表示以设置截面偏心后的位置作为参考位置；方向选择局部坐标系y设置横向偏心，通过距离参考位置（加载区间确定的直线）I-端、J-端的偏心距离，确定加载位置，因为最外侧车道中心线距离车道单元-4.35m，故此处距离输入4.35；然后输入根据轴距分配数值，后轴2放在10号节点，后轴1则相对位置为1.3/5.094，前轴相对位置为4.8/5.094，输入对应轴重，选择加载区间两点即可完成试验车辆荷载的输入。

对于梁格模型，可以参照单梁模型对纵梁单元施加梁荷载模拟试验车辆，也可以在梁格模型上添加一个虚拟板或者桥面板单元，如果是添加虚拟板，将其容重设为0，厚度设置较小，此时主要是方便在梁格模型任意位置处参加平面荷载，如果建立桥面板单元，按照桥面板实际厚度建立相应板单元。在板单元上施加试验荷载，首先通过荷载>压力荷载>分配平面荷载>定义平面荷载类型，假设在此板单元上施加两辆车组成的试验车辆荷载（假设从左侧开上桥梁），车辆轴重、轴距、车距统计如下表：

定义车辆荷载名称，选择荷载类型为集中荷载，定义试验车辆的荷载的局部坐标，假设第一辆车的后轴2位于0点，根据轴距及车距，依次定义其余轴重位

置，完成试验车辆荷载的定义。完成平面荷载定义后，选择分配平面荷载，主要是把之前定义的车辆平面荷载放在加载位置上，加载位置通过三点确定：原点、x轴上任意点、x-y平面上任意点。一般可以将平面荷载中第一个集中荷载放在加载平面原点位置处，方面平面荷载的定义和分配。

如果静载试验荷载需要进行逐级加载，对于理论计算，可以通过定义施工阶段，将不同阶段分级荷载定义为不同的荷载组，然后在不同施工阶段激活模拟。试验过程中要以理论计算结果作为参考，分析控制各分级加载过程。

2.1.3试验及数据分析

根据公路桥梁荷载试验规程（征求意见稿）中5.3节测试内容中说明，静载试验主要关注控制截面的应力（应变）观测、挠度变形测试、构件表面开裂状况、环境温度等，并给出不同桥型的试验测试内容表格。另外5.5节给出了详细的应变测点、变形测点的布置示意图，可根据此规定选择相应的控制截面应变、变形测点布置，并在试验过程中作为记录和监测。

试验完毕后，需要结合公路桥梁荷载试验规程（征求意见稿）进行试验数据分析，主要包括对于试验资料进行测值、温度影响修正和支座沉降影响的修正；各测点变形与应变计算；主要测点的相对残余变形；静载加载试验主要测点的校验系数；详见公路桥梁荷载试验规程（征求意见稿）5.7节。

在此主要列出静载加载试验主要测点的校验系数计算：

式中表示试验荷载作用下量测的弹性变形（或应变）值；

表示试验荷载作用下的理论计算变形（或应变）值。

与的比较，可用实测的横截面平均值与设计值比较，也可考虑荷载横向不均匀分布而选用实测最大值与考虑横向增大系数的计算值进行比较。横向增大系数最好采用实测值，如无实测值也可采用理论计算值，实测横向不均匀增大系数，为实测变形（或应变）的最大值，为横向各测点实测变形（或应变）平均值。对于理论计算值，civil计算可以输出变形和应力值，其中通过结果>变形中查看相应控制截面位置处的变形值（不能输出各个测点的变形）；通过结果>应力>梁单元应力查看相应控制截面的最大组合应力，如果要结合测点布置输出相应位置的应力情况，可以通过结果>详细>梁单元细部分析输出截面上任意点的应力情况，默认输出的是1-10个应力点，可以结合规范测点规定在前处理截

面管理器>应力点中添加其他应力测点为附加应力点，然后提取结果。对于简单结构的计算应力，可以通过胡克定律计算得到相应测点的应变，然后与实测应变值进行对比校验。

对于复杂或者重要的桥梁，如果想要在各测点位置处直接进行变形和应变对比校验，可以通过midas FEA进行三维实体计算分析，可以计算得到各测点位置处的变形和应变值，并分别计算每个测点的校验系数。

截面测点布置图

注：（1）“■”表示应变测点，“▲”表示挠度测点，

FEA各测点挠度变形计算结果，可以通过查询结果并进行标记，如下图示。

偏载工况边跨最大正弯矩（A截面）横断面理论挠度图

FEA各测点应变计算结果，可以通过查询结果并进行标记，如下图示。

偏载工况边跨最大正弯矩（A截面）横断面理论应变图

计算完校验系数后，根据试验规程规定，需要保证 满足一定的要求

式中 、 值可参考表5.7.1所列值。当，表明结构弹性工作效率偏低，需要重新检查结构的尺寸、材料性能、静力计算图式、试验荷载效率、荷载称量和量测仪器的正常工作等，排除原因后再试验一次，以保证试验结果的可靠性。

另外对于量测的残余变形值（ ）与量测的总变形（ ）的比值也要满足一定的要求，否则需要重复试验。

除上述试验数据处理外，尚需进行试验曲线绘制，包括主要测点位置实测变形（或应变）与相应的理论计算值关系曲线，各加载工况下主要控制点的变形（或应变）与荷载的关系曲线，各加载工况下控制截面应变（或挠度）分布图、沿纵桥向挠度分布图、截面应变沿高度分布图等，通过上述曲线对试验截面进行评价，找出异常点、判断结构是否处于弹性状态、判断应变分布是否符合平截面假定等。

另外要进行受力裂缝的描述，对于试验加载前后的裂缝情况进行描述，关注各加载阶段的裂缝长度和宽度的发展。

2.1.4试验结果评定

（1）结构工作状况评定

校验系数—应力（应变）校验系数及变形校验系数，应该不大于1，且其值越小结构的安全储备越大，并应满足表格5.7.2-1相应桥梁类型要求。

实测值与理论值的关系曲线—测点实测变形（或应变）与其理论值成线性关系，则说明结构处于良好的线弹性工作状况。

截面应变分布状况—实测的结构或构件主要控制截面应变沿高度分布图应符合平截面假定。

残余变形(应变)—主要控制测点的相对残余变形（或应变）越小，说明结构越接近弹性工作状况，当大于20%时，表面桥梁承载能力不满足要求。

（2）裂缝及其扩展情况评定

试验荷载作用下新桥裂缝扩展宽度不应超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的容许值，并且卸载后其扩展宽度应闭合到设计规范容许值的1/3。

试验前后在用桥梁裂缝宽度不超过表格5.7.2-2规定的各桥型允许值。2.2动载试验

桥梁动载试验包括结构自振特性试验、行车动力响应试验及振动法测试索力试验；测试参数主要包括自振频率、振型、阻尼比、冲击系数和索力。

2.2.1自振特性试验

自振特性理论计算可以通过midas Civil及midas FEA进行特征值分析得到，主要要将自重转化为质量，定义特征值分析控制，即可计算得到振型、周期、频率、振型参与向量等。

在civil中将自重转化为质量，通过结构类型中将自重转化为质量，如果要将其他恒载转化为质量参与特征值分析计算，可以通过荷载>结构荷载/质量>荷载转化为质量实现；特征值分析控制主要定义特征值分析的方法，一般可以选择特征值向量中子空间迭代或Lanczos任一均可。

FEA中特征值分析，在分析控制中定义结构质量，添加修改分析工况时指定分析类型为特征值分析，然后在右侧分析控制中选择任一计算方法及计算振型数量，特征值计算分析结果如下图示。

2.2.2行车动力响应试验

行车动力响应试验测试内容主要包括动挠度、动应变、振动加速度或速度、冲击系数等，测试截面及测点布置可参照【公路桥梁荷载试验规程设置，保证能满足结构性能评价及数据统计处理的要求。对于无障碍行车试验，可采用midas civil及FEA进行理论分析计算，通过时程分析中的动力节点荷载模拟行车效应，详细过程如下所示。

2.2.2.1移动荷载时程分析

时程分析(time history analysis)是通过动力方程式对受动力荷载作用的的结构进行求解的过程，即根据结构本身的特性和所受的荷载来分析其在任意时刻结构的反应，如位移、内力等。对于桥梁结构的移动荷载进行时程分析，其具体步骤如下。

1. 建立结构模型

2. 输入质量数据

3. 输入特征值分析数据

4. 进行特征值分析

5. 分析特征值分析结果

6. 输入时程分析数据

7. 进行时程分析

8. 查看时程分析结果

（1）建立结构模型

例题如图1所示，为一30m跨的单跨桥梁，所施加的车辆荷载可将其理想化为如图2所示的三角形荷载。

模型的尺寸和荷载等数据如下：

图1. 例题模型

采用梁单元建模分析，C30混凝土，弹性模量: E=3.0303x104 MPa，截面惯性矩3333333 cm4 ，截面如上图示。

由于车辆荷载作用在节点时是个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，所以在这里将其近似地模拟为最大值为1kN的三角形荷载，其中时间t1和t2间的时间差由车辆的速度和所建模型的节点间距来决定。

图2. 将车辆荷载近似模拟为三角形荷载

设车速为80 km/hr，所以t1=单元长度/车速=0.5 m/(80 km/hr)=0.0225 sec

t2= t1x 2 =0.045 sec。

（2）输入质量数据

Time(sec)

t1t2

1 kN

截面Z

X