完整word版midasCivil在桥梁承载能力检算及荷载试验中的应用以CivilV为例Word格式文档下载.docx

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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midascivil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：

前轴

后轴1

后轴2

前后轴间距

后轴间距

80kN

130kN

3.5m

1.3m

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：

车距

3.3m

3m

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midasFEA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

、

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》（JTGD62-2004）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midasCivil及midasFEA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midascivil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（timehistoryanalysis）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=3.0303x104MPa，截面惯性矩3333333cm4，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80km/hr，所以t1=单元长度/车速=0.5m/（80km/hr）=0.0225sec

t2=t1x2=0.045sec。

（2）输入质量数据

振型叠加法是根据特征值分析的结果来进行的，所以需要输入特征值分析所需的质量数据，将自重通过结构类型>

将自重转化为质量转化为质量数据，对此模型进行特性值分析时只考虑竖直方向，所以选择“转换到Z”，其他参数如图示。

如果考虑二期恒载的质量，可使用“模型>

将荷载转换成质量”的功能将荷载转换成节点质量。

图3.结构类型对话框

（3）输入特征值分析数据

在主菜单选择分析>

特征值分析控制，按图4所示输入相应数据。

分析类型选择特征值向量中的子空间迭代或Lanczos均可。

在特征值分析控制对话框中输入振型数量，增加频率数量可以提高结果的精确性，但所需的分析时间会很长，而且高阶模态对结构的动力反应的影响不是很大，所以我们对这个模型考虑到第8个模态，之后查看其振型质量参与系数，查看选取振型数量是否足够。

图4.特征值分析控制对话框

（4）进行特征值分析

时程分析中所输入的分析时间步长对分析结果影响很大，一般将分析时间步长设为最高阶振型周期的1/10比较合适。

因此，尽管时程分析与特征值分析可以同时进行，但为了查看最高阶振型的周期和振型参与系数，这里先进行特征值分析。

（5）查看特征值分析结果

根据特征值分析结果，模态8的自振周期为0.009714秒，查看自振周期和振型参与质量到模态8为止的振型参与质量的合计为96.42%，因此我们可以判断对于竖直方向的反应，所参与的质量已经足够可以获得结构动力反应的主要特征了。

故可近似地将分析时间步长设为（t）=0.001秒≈T/10=0.00097。

图6.自振周期和振型参与质量

（6）输入时程分析数据

首先在荷载>

时程分析数据>

时程荷载函数中定义动力荷载；

然后在时程荷载工况中输入分析时间总长、分析时间步长、阻尼比等数据；

最后在节点动力荷载中考虑车速来输入所定义的时程荷载函数和时程荷载工况到达相应节点的时间（arrivaltime）。

定义时程荷载函数:

荷载>

时程分析数据>

时程荷载函数，点击添加时程函数，考虑模型中节点的间距和车速来输入1kN大小的车辆荷载。

若想定义成实际车辆荷载的大小，在定义节点动力荷载时，调整其中的系数即可。

图8.添加时程函数对话框

定义时程荷载工况：

时程荷载数据>

时程荷载工况

分析时间总长：

输入总的分析时间。

例题中车辆以80km/hr的时速通过30m跨径的桥梁需要1.35秒，但为了了解车辆通过后结构的动力效应，在分析时间总长栏中如图9所示输入‘8’秒。

分析时间步长：

时程分析的分析时间步长对结果的精确度影响很大。

分析时间步长的大小与结构的高阶模态的周期和荷载的周期有密切的关系。

车辆荷载作为一种冲击荷载，它的周期很难确定，因此我们在这里如前所述考虑结构的高阶模态的周期来决定分析时间步长，输入‘0.001’秒。

输出时间步长：

确定时程分析结果的输出步骤数，输入‘1’的话将输出所有步骤的计算结果。

时程类型：

瞬态--时程荷载函数不反复作用；

周期--时程荷载函数反复作用，本例中选择瞬态。

振型的阻尼比：

所有振型的阻尼比:

输入对所有振型使用的阻尼比。

混凝土结构的阻尼比为0.05~0.10，故这里取0.05作为此结构的阻尼比。

各振型阻尼比:

各振型的阻尼比不同时，可分别输入不同的阻尼比。

定义节点动力荷载：

节点动力荷载，考虑车辆时程荷载到达各节点的时间，如图10所示定义节点动力荷载。

函数名称:

在函数名称中选择定义的时程荷载函数

方向:

选择荷载作用的方向（整体坐标系）

到达时间:

时程荷载作用于相应节点的时间

设定车辆荷载的作用从节点2开始。

如图10所示，选择节点2，在到达时间栏输入‘0’秒，点击。

节点间距为0.5m，车速为80km/hr，所以对于节点3输入‘0.0225’秒。

被作用节点动力荷载的节点，若同时在加载方向上被约束了的话，程序会出现错误。

因此这里对两端Z方向被约束的节点（节点1、节点61）不输入节点动力荷载。

系数:

定义的时程荷载函数的作用方向为重力方向相同，所以输入负值，假设荷载为-250kN，因为前面时程函数定义的是集中力1kN，所以此处应填入-250。

（冲击荷载大小的确定？

）

图10.输入节点动力荷载

对于所有节点都需根据不同的到达时间反复输入节点动力荷载，非常繁琐。

此时可以先对某个节点输入节点动力荷载后，利用节点动力荷载表格和Excel表格的互换功能，比较方便地输入剩余节点的动力荷载。

利用表格输入节点动力荷载的方法如下。

1.在主菜单选择荷载>

荷载表格>

节点动力荷载

2.将如图11所示的已输入的一个节点的内容复制到Excel表格中

3.如图12所示，在Excel表格中考虑节点和相应的到达时间来生成节点动力荷载数据

4.将Excel表格中的结果复制到节点动力荷载表格中（图13）

图11.节点动力荷载表格

（7）运行时程分析

所有数据输入完毕后，运行分析。

（8）查看时程分析结果

利用结果变形、内力、应力可以输出分析时间内结果的最大、最小值和包络结果。

图15.时程荷载工况下变形形状

时程荷载工况下弯矩包络图

时程荷载工况下应力包络图

查看各个时刻的结构的反应时，可利用结果>

时程分析结果功能，时程分析结果包括位移（速度、加速度）、内力和应力。

另外程序也支持以时程图形和文本的形式输出结果。

选择结果>

时程分析结果>

时程图表，在定义函数选择栏选择位移或梁单元内力/应力，然后添加新的函数，输入结果函数内容。

图17.时程图形对话框

所示输入各项参数，以输出跨中（节点31、单元31）的位移和弯矩图形。

图18.指定输出内容和输出的位置

图19和图20分别为位移和弯矩的时程分析图形。

由于分析时间总长设为了8秒（图9），所以尽管车辆已经通过了桥梁，但结构仍然存在动力反应。

图20.跨中的弯矩时程曲线

图19.跨中的位移时程曲线

车速对动力反应的影响

下图是按照不同的车速（10、80、120km/hr）分别建模进行分析后，显示的位移变化图形。

车速不同则车辆