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 (12)2.1.4试验结果评定 (15)2.2动载试验 (16)2.2.1自振特性试验 (16)2.2.2行车动力响应试验 (18)2.2.2.1移动荷载时程分析 (18)2.2.2.2动力荷载效率 (29)2.2.3试验数据分析及结构动力性能评价 (29)参考文献 (30)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ηη的试验荷载及加载方案。

ηη=ηηη∙(1+η)S s---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；η---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；η---按规范取用的冲击系数值；验收性荷载试验---ηη：0.85~1.05；鉴定性荷载试验---ηη：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ηq =S sS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。