基于Midas Civil Designer對懸索橋靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的配合

摘要 以貴州某高速公路懸索橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^Midas Civil進(jìn)行荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ⅲ诮Y(jié)構(gòu)平衡態(tài)分析收斂狀態(tài)下進(jìn)行移動荷載數(shù)據(jù)分析，求解活載內(nèi)力和位移增量。導(dǎo)入控制截面影響線通過Civil Designer進(jìn)行靜載試驗(yàn)布載方案設(shè)計(jì)，根據(jù)規(guī)范要求控制加載效率、模擬加載車輛信息和確定加載位置。通過Midas Civil與Civil Designer兩款軟件配合使用，不僅方案設(shè)計(jì)效率大幅提高，還實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況優(yōu)化合并且能直觀判斷當(dāng)前截面布載對其余相鄰截面的影響，對試驗(yàn)檢測單位懸索橋靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 布載方案設(shè)計(jì)；工況優(yōu)化合并；車位快速調(diào)整；分級加卸載限值提取

中圖分類號 U448.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0051-03

0 引言

懸索橋靜力荷載試驗(yàn)工況[1]復(fù)雜，測試內(nèi)容較多，用車數(shù)量大，單純在Civil中進(jìn)行布載工作效率低，布載時(shí)所有控制截面加載效率無法實(shí)現(xiàn)可視化，最大工況布載易造成其余相鄰截面構(gòu)件加載效率超限。當(dāng)Civil與Civil Designer配合使用時(shí)，不僅能實(shí)現(xiàn)加載效率的可視化，還能實(shí)現(xiàn)對車輛位置快速調(diào)整、工況優(yōu)化合并和分級加卸載限值提取。

1 工程概況

主橋跨徑為1×1 080 m簡支鋼桁梁懸索橋。主纜跨徑組合為（265+1 080+435）m，成橋狀態(tài)中跨垂跨比為1∶10，主纜由199根索股組成；全橋共71對吊索，水平間距15 m；主塔均為門式主塔，塔高分別為172 m、246 m；兩岸錨碇均采用重力錨；主桁架采用帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，桁高7.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長15 m。橋?qū)?8 m，主梁縱坡按+0.6%～?2.0%人字坡設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道高速公路、設(shè)計(jì)速度100 km/h、公路-I級荷載等級，橋梁效果圖如圖1。

豎向、橫向約束：主塔與加勁梁通過塔連桿連接；主梁與主塔橫向設(shè)置抗風(fēng)支座。

縱向約束：主梁與主塔下橫梁處各設(shè)置一組黏滯型阻尼器，全橋共4套；主纜跨中設(shè)置三對柔性中央扣形成纜梁連接。

2 荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)前提

靜力荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)前，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)處于自平衡狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)在恒載作用下各構(gòu)件變形趨向于“0”且塔梁內(nèi)力分布均勻，無突變。同時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果應(yīng)與設(shè)計(jì)單位、監(jiān)控單位計(jì)算結(jié)果對比分析對比誤差較小時(shí)，才可按規(guī)范相關(guān)規(guī)定要求的試驗(yàn)工況及測試內(nèi)容進(jìn)行靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[2]，該橋平衡態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

3 靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 靜載試驗(yàn)工況

根據(jù)規(guī)范要求結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析，該橋共設(shè)計(jì)12個控制截面，荷載試驗(yàn)工況如下[2]：

（1）主梁L/4、3L/8、L/2截面最大正彎矩及撓度工況。

（2）兩岸主梁伸縮縫處最大縱向漂移工況。

（3）兩岸主塔根部最大負(fù)彎矩工況。

（4）兩岸主塔頂部最大縱向偏位工況。

（5）主纜最大撓度、錨跨索股最大張力工況。

（6）典型吊桿索力最不利工況。

測試內(nèi)容包含主纜截面撓度、縱向撓度曲線和錨跨索股拉力；吊索最大索力增量；主塔根部應(yīng)變及裂縫和塔頂縱向位移；主梁截面應(yīng)變、撓度、撓度曲線和端部縱向飄移。

每一工況加載時(shí)應(yīng)對主梁扭曲變形、螺栓松動以及其他異常現(xiàn)象觀測。最大工況時(shí)應(yīng)對阻尼器、伸縮縫變形伸縮性能及承臺錨碇位移觀測。

3.2 Civil與Designer的配合

布載方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用Midas Civil與Civil Designer兩款計(jì)算軟件配合使用。根據(jù)移動荷載計(jì)算結(jié)果，在Midas Civil中導(dǎo)出控制截面影響線至Civil Designer進(jìn)行布載方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足加載效率要求前提下，還應(yīng)結(jié)合測試內(nèi)容考慮能優(yōu)化合并的工況，快速調(diào)整車輛位置及數(shù)量，實(shí)現(xiàn)加載效率的可視化，該橋根據(jù)布載結(jié)果，試驗(yàn)工況合并優(yōu)化如下所示：

（1）通過主塔根部最大負(fù)彎矩、塔頂最大縱向位移和主纜索股最大張力影響線分析，可將主塔根部彎矩、塔偏和主纜索股張力合并為1個工況。由影響線數(shù)值及范圍可知，該工況為最大靜力荷載工況，用車量相比其余工況多，布載時(shí)應(yīng)綜合考慮車輛間距對吊桿索力、主梁L/4、L/2彎矩及撓度局部的影響。最大工況影響線如圖3所示。

（2）通過主纜最大豎向撓度、主梁最大縱向飄移及吊桿索力最大張力影響線分析，可將其合并為1個工況。該橋吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為15 m，布載時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制布載車輛間距，避免布載范圍內(nèi)吊索加載效率超限。

（3）通過主梁上下弦桿軸力及撓度影響線分析，主梁L/4、3L/8、L/2截面影響線分布范圍較短且數(shù)值較小，與其他測試參數(shù)不能進(jìn)行工況合并，每控制截面需進(jìn)行單獨(dú)布載。根據(jù)橋?qū)捊Y(jié)合主梁受力特性，布載時(shí)需檢驗(yàn)偏載作用下荷載的橫向分布。

（4）該橋試驗(yàn)車輛按單輛350 kN三軸載重汽車模擬，模擬車輛信息如下：前軸重70 kN、中軸重140 kN、后軸重140 kN；中后軸距1.4 m、前中軸距4.0 m、輪距1.8 m。在Civil Designer中，加載車輛橫向數(shù)量及位置是以Midas Civil中添加的車道線來定義的，即正載、偏載加載位置與車輛橫向數(shù)量同Midas Civil中的車道線保持一致。由于懸索橋加載車輛較多，每個工況用車數(shù)量不一致，為了減小工作量，避免反復(fù)調(diào)整車輛數(shù)，可根據(jù)預(yù)估最大工況用車量作為控制車輛數(shù)，布載時(shí)根據(jù)用車數(shù)需求輸入距參考節(jié)點(diǎn)位置，即可快速確定加載位置和用車量。

（5）Civil Designer中的控制截面單元和節(jié)點(diǎn)與Midas Civil同樣保持一致，根據(jù)測試參數(shù)類型對應(yīng)選擇內(nèi)力和位移。為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部安全，Civil Designer中的加載效率上、下限值宜按照0.85～0.99控制，盡量不超1.00。

（6）參數(shù)設(shè)置完成后正式進(jìn)入手動布載階段，該階段布載的車位為當(dāng)前加載截面最多用車量的工況。布載時(shí)，根據(jù)模擬的加載車輛相關(guān)信息并通過參考節(jié)點(diǎn)調(diào)整車位距離，仔細(xì)檢查當(dāng)前布載車位是否造成其余相鄰截面位置加載效率超限，手動布載結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，主纜最大豎向撓度、主梁最大縱向飄移在正載28車作用下加載效率滿足設(shè)置要求且工況可以合并，其余相鄰截面如主梁、主塔加載效率未超限。通過參考節(jié)點(diǎn)1 450（即Civil中移動荷載車道線添加參考單元所在截面位置處的節(jié)點(diǎn)）結(jié)合車輛軸距和布載距離設(shè)置，可快速準(zhǔn)確地將試驗(yàn)車輛布置于相應(yīng)位置。

（7）根據(jù)布載結(jié)果，主梁最大彎矩（或軸力）及撓度工況用車數(shù)為16車，分正載與偏載工況；主纜最大豎向撓度及主梁梁端最大縱向飄移和吊桿最不利（或最大索力）增量用車數(shù)為28車，僅考慮正載工況；主塔根部最大負(fù)彎矩、塔頂最大縱向位移及主纜索股最大增量用車數(shù)為60車，僅考慮正載工況。

（8）在Civil Designer中根據(jù)手動布載結(jié)果將車輛按規(guī)范要求的3～5級[3]進(jìn)行分級加載設(shè)計(jì)，生成分級加載工況，并導(dǎo)入Midas Civil中對應(yīng)生成相應(yīng)的分級加載試驗(yàn)工況。

4 加載效率復(fù)核及限值提取

（1）根據(jù)Civil Designer導(dǎo)入Midas Civil中的布載方案，計(jì)算各控制截面內(nèi)力、位移加載效率是否滿足規(guī)范對基本荷載的要求[3]，加載效率計(jì)算如下所示：

0.85≤ηq=Ss/S（1+μ）≤1.05 （1）

式中，ηq——靜力試驗(yàn)荷載效率；Ss——試驗(yàn)荷載作用下效應(yīng)；S——控制荷載作用下效應(yīng)；（1+μ）——規(guī)范取用沖擊系數(shù)。

（2）即使布載結(jié)果在Civil Designer中顯示各控制截面加載效率滿足要求，導(dǎo)入Midas Civil后也應(yīng)復(fù)核控制截面的加載效率。當(dāng)兩者存在差異時(shí)，應(yīng)以Midas Civil中提取的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

（3）Civil Designer中暫不支持索單元類型的內(nèi)力輸出，布載時(shí)應(yīng)根據(jù)吊索間距控制車輛間距，布載后仔細(xì)檢查核對吊索的索力增量是否超限，尤其在正載60車最大工況下布載區(qū)域的索力增量及主梁跨中撓度。

（4）當(dāng)加載效率不滿足規(guī)范要求時(shí)[4]，應(yīng)在Civil Designer中重新調(diào)整車距或車輛數(shù)，將更新后的布載方案導(dǎo)入Midas Civil中重新運(yùn)算。導(dǎo)入新布載方案前，應(yīng)將Civil中原有布載方案工況刪除，避免荷載疊加。該橋加載效率統(tǒng)計(jì)如表1所示：

根據(jù)表1可知，各工況作用下控制截面加載效率在0.87～0.99之間，滿足規(guī)范要求[4]且未超過Civil Designer中對加載效率上限0.99的控制，布載方案滿足規(guī)范要求。

（5）根據(jù)導(dǎo)入的布載方案，分級提取主梁控制截面應(yīng)變、豎向撓度、縱向飄移、撓度曲線數(shù)據(jù)、主纜索股索力及吊索索力、主纜截面撓度及撓度曲線數(shù)據(jù)、主塔根部應(yīng)變及塔頂最大縱向位移數(shù)據(jù)，主纜最大撓度加載限值如表2所示、吊索最大索力增量如表3所示：

據(jù)表2、表3可知，通過Civil Designer分級布載導(dǎo)入Civil后，可在Civil中分級提取該工況下的相應(yīng)限值。現(xiàn)場荷載試驗(yàn)實(shí)施時(shí)還可分級對比實(shí)測值與理論值，為下一級加載過程提供有效預(yù)警，為構(gòu)件在試驗(yàn)荷載作用下安全加載增加保障，分級布載如圖5所示。

5 結(jié)論與建議

該橋靜載方案設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合Midas Civil和Civil Designer兩款計(jì)算軟件配合使用，不僅提高布載方案的設(shè)計(jì)效率，還同步實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況的優(yōu)化合，并且能直觀判斷當(dāng)前截面布載對其余相鄰截面的影響。

根據(jù)Civil控制截面影響線范圍導(dǎo)入Civil Designer進(jìn)行布載和分級布載，導(dǎo)出布載方案在Civil中自動生成相應(yīng)靜力荷載工況，當(dāng)加載效率不滿足規(guī)范要求時(shí)，亦可返回Civil Designer重新布載，兩款計(jì)算軟件配合使用時(shí)可靈活互相切換和互導(dǎo)，如車輛位置確定、間距調(diào)整、車輛數(shù)增加減少等，最終確保各控制截面加載效率滿足規(guī)范要求[1]。

Civil Designer通過識別Midas Civil中的影響線和車道線位置，為加載車輛提供有效參考點(diǎn)，通過輸入距離的方式快速定位加載車輛的位置和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)加載效率的可視化，同時(shí)根據(jù)需求還可高效提取各分級加載狀態(tài)下構(gòu)件控制截面的應(yīng)力（應(yīng)變）、變形（位移）、索力等理論值，為結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全加載提供保障。

相關(guān)建議如下所示：

（1）靜力荷載方案布載前，應(yīng)首先與設(shè)計(jì)單位和監(jiān)控單位對比懸索橋平衡態(tài)計(jì)算結(jié)果及各類活載增量，對比分析誤差較小前提下才可進(jìn)行布載方案設(shè)計(jì)。

（2）布載時(shí)，Civil Designer暫不支持索單元的內(nèi)力輸出，即布載時(shí)加載效率的可視化問題，布載后應(yīng)仔細(xì)檢查核對吊索的索力增量是否超限，尤其在最大工況下對布載區(qū)域構(gòu)件的影響。

（3）當(dāng)Midas Civil與Civil Designer查看或提取的加載效率存在差異時(shí)，應(yīng)以Civil中提取的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

（4）懸索橋加載工況及用車數(shù)量眾多且相對復(fù)雜。靜力荷載布載方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合Midas Civil和Civil Designer兩款計(jì)算軟件配合使用互導(dǎo)，才可提高工作效率和方案質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況對布載方案優(yōu)化調(diào)整，避免加載時(shí)間過長導(dǎo)致環(huán)境因素影響檢測數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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