MIDAS-Civil在桥梁检测静载试验中的应用

张茂林 孙威宇 高明刚

（西藏大学工学院 西藏自治区拉萨市 850000）

随着国内经济的持续快速发展，我国人民对生活质量的要求也日益提高，为了解决人民交通出行的方便，我国对交通路面的现状进行了改善，其中对于铁轨、专属交通通道的修建帮助我国人民的出行便利性大幅度提升，而且我国的整体跨海或跨河桥梁数量也随之增长，但是随着发展，桥梁的“老化”问题也逐渐出现，对人民的出行危险性也会增加，更多的桥梁将需要修复和加固。大桥建成通车后，由于影响车辆使用安全的各种因素，大桥的安全性随着时间的推移而降低。桥梁的安全受到诸多因素的影响，如原设计不符合使用要求、施工不符合设计要求、桥梁有病、材料老化、已锈蚀而未及时修复、车辆负荷增加或交通量急剧增加，桥梁变形。接缝损伤或桥梁损伤、桥面不均匀对桥梁结构的不利影响，桥梁结构的病害，按照不同的严重程度可分为四类：

（1）整体或基本完好:桥梁结构原则上符合上述要求，施工时原则上无明显病害。

（2）对于桥梁来讲，小型的整体结构老化、损害等，不会影响到桥梁的整体结构的承载能力、刚度、完整性和功能，但为了解决一些不必要的安全隐患，需要适当的对其进行修补，如裂缝、混凝土中的轻裂缝等。

（3）虽然这些老化与微小的损害不会影响桥梁的结构的承载能力，但这些裂缝的存在始终会影响桥梁的整体结构的性能，而且随着损害的继续增加，响应的维修费用也会增加，大范围的修补也会影响桥梁的整体外观。

（4）由于桥梁在修建时，使用的材料强度不足、修补的部件不完整、桥梁部件损坏、桥梁部件截面尺寸不够、施工人员技术低、质量差、桥梁承重能力过载、冲击等恶劣工作环境造成的严重损坏或破坏性损坏。如果上述这些这些桥梁的潜在隐患不及时消除，很快就会导致桥梁的局部结构遭到严重的破坏，以至于影响人民的安全。

除了第一种，其他三种的桥梁结构损害都可以通过后天的方式进行补救，如钢筋埋在混凝土中的错误位置，导致桥梁的整体支撑力度不足可以通过加固的方式进行弥补。但是对于一些潜伏的桥梁损害特别危险，因为它们的外表不容易发现，当人们发现这些隐藏的损害时，可能会造成严重后果。桥梁在使用过程中，由于各种原因，桥梁损坏和局部损坏时有发生。因此，利用有限元软件进行仿真分析逐渐走入大众视野。我国有很多这样的先例。针对现有桥梁结构安全评价方法的不足，在桥梁结构快速观测与安全评价分析方法的基础上，开发了基于单元法的通用安全评价方法应用软件。将该系列安全综合评价方法的应用软件应用于实际桥梁，并对桥梁静载试验结果进行了比较。具有一定的技术应用价值。主要是通过各种无损检测方法收集桥梁的各种信息和材料，然后通过数据处理、分类和整理，获得对当前桥梁结构进行进一步评价所需的参数，包括桥梁结构承载能力、截面刚度和静态加载计算仿真。测试所需的当前参数。通过这些目视检测和各种无损检测方法所获得的桥梁状况数据主要包括:桥梁结构中的裂缝、结构件下落引起的截面尺寸和厚度的变化以及损伤等。通过这些桥梁现状信息资料，后续各种评估所需的桥梁结构现有参数(如钢筋的实际可用屈服强度、钢筋的实际可用等效面积等)可以使用单元软件进行计算。

图2：截面设置

1 MIDAS-Civil在桥梁检测领域中的应用

桥梁作为交通体系中不可或缺的一环，其安全与稳定十分重要，影响桥梁使用的因素包含多方面，为实现桥梁在使用期间的安全运营，桥梁的检测工作显得十分重要。而有限元软件等信息化技术的出现极大的提高了桥梁检测工作的工作效率，降低了桥梁检测的工作量以及成本，有效促进了桥梁检测行业的发展。目前MIDAS、BIM等具有有限元分析功能的软件主要应用于桥梁荷载试验的模拟与分析研究中，利用软件确定桥梁模型的结构刚度、相关边界条件、建立桥梁模型，进行荷载试验，通过分析确定桥梁是否处于安全状态。利用软件模拟荷载试验能够有效解决检测过程中对桥梁病害调查不充分所造成的检测事故，且能够利用软件对桥梁的不同构件进行相应的试验分析，方便完成检测实验报告，能大大提高桥梁检测的工作效率，具有极大的应用价值。

2 MIDAS模拟桥梁静载试验

2.1 参数化模型建立

MIDAS/Civil软件作为有限元分析软件的重要组成部分，可充分结合有限元分析和桥梁分析，采用有限分析法以单元的形式，采用有限数量的梁单元还原真实的桥梁。有限元分析软件以试验法为基础，在其基础上进行深化，排除了日照等随机因素的影响，提高参数的准确性和快捷度。MIDAS/Civil从发行至今一直被广泛应用，对复杂节点的连接提出了有效模拟方式弹性连接等；对简单节点的处理，提出了节点弹性连接，均具有独特性。以单片梁为例，利用CAD建立桥梁截面，将截面导入MIDAS中利用软件根据规范定义桥梁所用材料数据或将测得材料实际数据如泊松比、弹性模量、线膨胀系数、体积密度等。引入软件中，通过在软件中建立坐标形成节点和单元，形成桥梁梁结构，如图1和2所示。

图1：材料定义

2.2 静载试验荷载组成

荷载包括恒载与移动荷载两部分，在软件中恒载定义包括桥梁自重、桥面铺装、护栏荷载，桥梁自重为材料容重与几何体体积乘积，材料容重默认为25KN/m可在定义材料中进行设置，几何体积有梁单元截面和单元长度根据《公路桥涵设计通用规范》规定，并按照最不利原则确定，一般混凝土容重按照26KN/m，因此，自重系定义为1.04；定义车道时车轮间距按照《通规》要求设置，车辆横向布置车轮间距1.8m，相邻两车轮间距1.3m，多片梁结构设置车道数量和桥面净车道宽度相关，具体参考《通规》。单片梁定义车道：预制多片梁 结构，取单梁结构分析时，不考虑车轮间距和单梁桥面宽度是否对应，直接添加车道即可。多片梁定义车道：建立整桥分析时，直线桥梁按照偏载和中载设置车道；弯桥和斜桥按照左右偏载和中载设置车道。定义车辆时根据加载效率规定，桥梁设计荷载一般采用的是车道荷载，按照《通规》车道荷载有均布荷载和集中荷载组成。需进行车辆定义时可按照需求在软件中进行自定义。另外，对应于多带横向折减系数的单带1.2应转换为1。多片梁结构定义移动荷载工况时，横向折减系数软件将根据已定义的子荷载工况中的车道进行自动折减。特征值分析设置时，特征分析和荷载试验相关的主要参数为振型形状和频率。模型中和振型形状及频率相关的参数为结构刚度和结构质量。几何模型建立刚度基本确定，而质量和自重及桥面附属设施有关。根据《公路桥梁荷载试验规程》的规定，将桥梁自重以及桥面附属设施的荷载转化质量时只转化为竖向，试验只确定垂面上弯曲的自振特性。设置完成后可通过检查桥梁自重下反力、自重下弯矩、自重下位移检查模型相关设置是否正确，如图3和图4。

图3：自重下反力

图4：自重下弯矩

2.3 模拟静载试验进行

为反应桥梁控制截面在最不利荷载状况下的应力-应变状况，荷载工况设置应满足《公路桥梁荷载试验规程》要求，通过CDN插件对车辆、车辆荷载工况以及控制截面进行定义后可进行试验，定义车辆是需注意根据具体需求自定义车辆数据，可选用《通规》规定的55t的车辆进行定义，或对试验常用车辆进行自定义，同时应注意定义车辆工况即对车辆的数量、位置进行定义，根据《荷载试验规程》规定，不同类型的桥梁，控制截面设置位置不同，一般通过选择设计内力或者位移作为加载效率的计算内容对荷载大小以及加载位置进行确定。当按照内力设置时，控制截面按照单元以及单元对应位置确定，当按照位移设置时，控制截面按照节点对应位置设置，在MIDAS中通过对内力的效率与位移荷载效率进行分析完成自动布载功能进行试验。车辆定义及布载情况如图5。

图5：车辆定义

3 应用案例

罗广锋通过结合MIDAS/FEA对广东佛山禅城区樵乐路-乐狮线立交工程第五连续刚构桥静载试验的结果进行分析，通过软件计算得出其控制截面在最不利荷载作用下的应变情况；田小文、乔杰证实了使用MIDAS模拟V型墩连续刚构桥静载试验的可行性，对使用软件模拟对V型墩连续刚构桥进行静载试验的工况组成以及结果分析进行了深入的研究；在桥梁静载试验中确定控制截面以及合理的荷载值，尤其重要，宋建平、邓志方通过MIDAS Civil软件对桥梁静载试验中的荷载值进行计算，证实了利MIDAS软件对桥梁静载试验荷载值进行布载的可行性。综上所数当前使用有限元软件对桥梁静载试验进行数字化模拟具有极大的可行性，已成为一种趋势。

4 当前发展存在的问题

MIDAS /民用软件建模方法常用的是图形用户界面的部分系统——“配置元素指定结构类型指定材料-指定的输入节点和元素输入边界条件-进入加载执行结构分析”这个方法费时费力，复杂模型的加工难度大，结构的材料对齐也相当困难。如果组件太多，很容易出现错误和其他问题[7]。尽管目前软件检测发展的已经相对完善，但建立的模型处于理想化状态下进行试验，无法模拟实际工程问题中的复杂条件。且进行软件检测所需的数据总量较大，数据采集方面仍存在一定问题，具有误差的数据可能会导致软件模拟结果偏离理想结果。

5 展望

随着电子计算机技术的发展，针对传统工程中数据信息利用率低、成本高、管理效率低和遇险反映慢的问题,进行数据的集成处理研究,基于有限元软件建立数据模型，利用计算机软件对建筑问题进行信息化、数字化处理必然是未来的趋势，将MIDAS软件运用到桥梁的安全状况检测评估过程中，对桥梁进行全面检测评估，能有效的探明桥梁存在的安全隐患,正确的评估现有桥梁的使用性能、工作状况及承载能力，能否输出在持久状态和正常使用状态下满足规范应力要求所需的预应力，以确定桥梁是否能够继续安全使用并明确下一步的养管措施且使用软件对桥梁进行状况评估检测，可以有效降低评估成本。