張茂林 孫威宇 高明剛

（西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏自治區(qū)拉薩市 850000）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國人民對生活質(zhì)量的要求也日益提高，為了解決人民交通出行的方便，我國對交通路面的現(xiàn)狀進(jìn)行了改善，其中對于鐵軌、專屬交通通道的修建幫助我國人民的出行便利性大幅度提升，而且我國的整體跨?；蚩绾訕蛄簲?shù)量也隨之增長，但是隨著發(fā)展，橋梁的“老化”問題也逐漸出現(xiàn)，對人民的出行危險性也會增加，更多的橋梁將需要修復(fù)和加固。大橋建成通車后，由于影響車輛使用安全的各種因素，大橋的安全性隨著時間的推移而降低。橋梁的安全受到諸多因素的影響，如原設(shè)計不符合使用要求、施工不符合設(shè)計要求、橋梁有病、材料老化、已銹蝕而未及時修復(fù)、車輛負(fù)荷增加或交通量急劇增加，橋梁變形。接縫損傷或橋梁損傷、橋面不均勻?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的不利影響，橋梁結(jié)構(gòu)的病害，按照不同的嚴(yán)重程度可分為四類：

（1）整體或基本完好:橋梁結(jié)構(gòu)原則上符合上述要求，施工時原則上無明顯病害。

（2）對于橋梁來講，小型的整體結(jié)構(gòu)老化、損害等，不會影響到橋梁的整體結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度、完整性和功能，但為了解決一些不必要的安全隱患，需要適當(dāng)?shù)膶ζ溥M(jìn)行修補(bǔ)，如裂縫、混凝土中的輕裂縫等。

（3）雖然這些老化與微小的損害不會影響橋梁的結(jié)構(gòu)的承載能力，但這些裂縫的存在始終會影響橋梁的整體結(jié)構(gòu)的性能，而且隨著損害的繼續(xù)增加，響應(yīng)的維修費(fèi)用也會增加，大范圍的修補(bǔ)也會影響橋梁的整體外觀。

（4）由于橋梁在修建時，使用的材料強(qiáng)度不足、修補(bǔ)的部件不完整、橋梁部件損壞、橋梁部件截面尺寸不夠、施工人員技術(shù)低、質(zhì)量差、橋梁承重能力過載、沖擊等惡劣工作環(huán)境造成的嚴(yán)重?fù)p壞或破壞性損壞。如果上述這些這些橋梁的潛在隱患不及時消除，很快就會導(dǎo)致橋梁的局部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞，以至于影響人民的安全。

除了第一種，其他三種的橋梁結(jié)構(gòu)損害都可以通過后天的方式進(jìn)行補(bǔ)救，如鋼筋埋在混凝土中的錯誤位置，導(dǎo)致橋梁的整體支撐力度不足可以通過加固的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。但是對于一些潛伏的橋梁損害特別危險，因為它們的外表不容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)這些隱藏的損害時，可能會造成嚴(yán)重后果。橋梁在使用過程中，由于各種原因，橋梁損壞和局部損壞時有發(fā)生。因此，利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析逐漸走入大眾視野。我國有很多這樣的先例。針對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)安全評價方法的不足，在橋梁結(jié)構(gòu)快速觀測與安全評價分析方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于單元法的通用安全評價方法應(yīng)用軟件。將該系列安全綜合評價方法的應(yīng)用軟件應(yīng)用于實際橋梁，并對橋梁靜載試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。具有一定的技術(shù)應(yīng)用價值。主要是通過各種無損檢測方法收集橋梁的各種信息和材料，然后通過數(shù)據(jù)處理、分類和整理，獲得對當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步評價所需的參數(shù)，包括橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、截面剛度和靜態(tài)加載計算仿真。測試所需的當(dāng)前參數(shù)。通過這些目視檢測和各種無損檢測方法所獲得的橋梁狀況數(shù)據(jù)主要包括:橋梁結(jié)構(gòu)中的裂縫、結(jié)構(gòu)件下落引起的截面尺寸和厚度的變化以及損傷等。通過這些橋梁現(xiàn)狀信息資料，后續(xù)各種評估所需的橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)有參數(shù)(如鋼筋的實際可用屈服強(qiáng)度、鋼筋的實際可用等效面積等)可以使用單元軟件進(jìn)行計算。

圖2：截面設(shè)置

1 MIDAS-Civil在橋梁檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用

橋梁作為交通體系中不可或缺的一環(huán)，其安全與穩(wěn)定十分重要，影響橋梁使用的因素包含多方面，為實現(xiàn)橋梁在使用期間的安全運(yùn)營，橋梁的檢測工作顯得十分重要。而有限元軟件等信息化技術(shù)的出現(xiàn)極大的提高了橋梁檢測工作的工作效率，降低了橋梁檢測的工作量以及成本，有效促進(jìn)了橋梁檢測行業(yè)的發(fā)展。目前MIDAS、BIM等具有有限元分析功能的軟件主要應(yīng)用于橋梁荷載試驗的模擬與分析研究中，利用軟件確定橋梁模型的結(jié)構(gòu)剛度、相關(guān)邊界條件、建立橋梁模型，進(jìn)行荷載試驗，通過分析確定橋梁是否處于安全狀態(tài)。利用軟件模擬荷載試驗?zāi)軌蛴行Ы鉀Q檢測過程中對橋梁病害調(diào)查不充分所造成的檢測事故，且能夠利用軟件對橋梁的不同構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的試驗分析，方便完成檢測實驗報告，能大大提高橋梁檢測的工作效率，具有極大的應(yīng)用價值。

2 MIDAS模擬橋梁靜載試驗

2.1 參數(shù)化模型建立

MIDAS/Civil軟件作為有限元分析軟件的重要組成部分，可充分結(jié)合有限元分析和橋梁分析，采用有限分析法以單元的形式，采用有限數(shù)量的梁單元還原真實的橋梁。有限元分析軟件以試驗法為基礎(chǔ)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行深化，排除了日照等隨機(jī)因素的影響，提高參數(shù)的準(zhǔn)確性和快捷度。MIDAS/Civil從發(fā)行至今一直被廣泛應(yīng)用，對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的連接提出了有效模擬方式彈性連接等；對簡單節(jié)點(diǎn)的處理，提出了節(jié)點(diǎn)彈性連接，均具有獨(dú)特性。以單片梁為例，利用CAD建立橋梁截面，將截面導(dǎo)入MIDAS中利用軟件根據(jù)規(guī)范定義橋梁所用材料數(shù)據(jù)或?qū)y得材料實際數(shù)據(jù)如泊松比、彈性模量、線膨脹系數(shù)、體積密度等。引入軟件中，通過在軟件中建立坐標(biāo)形成節(jié)點(diǎn)和單元，形成橋梁梁結(jié)構(gòu)，如圖1和2所示。

圖1：材料定義

2.2 靜載試驗荷載組成

荷載包括恒載與移動荷載兩部分，在軟件中恒載定義包括橋梁自重、橋面鋪裝、護(hù)欄荷載，橋梁自重為材料容重與幾何體體積乘積，材料容重默認(rèn)為25KN/m可在定義材料中進(jìn)行設(shè)置，幾何體積有梁單元截面和單元長度根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定，并按照最不利原則確定，一般混凝土容重按照26KN/m，因此，自重系定義為1.04；定義車道時車輪間距按照《通規(guī)》要求設(shè)置，車輛橫向布置車輪間距1.8m，相鄰兩車輪間距1.3m，多片梁結(jié)構(gòu)設(shè)置車道數(shù)量和橋面凈車道寬度相關(guān)，具體參考《通規(guī)》。單片梁定義車道：預(yù)制多片梁 結(jié)構(gòu)，取單梁結(jié)構(gòu)分析時，不考慮車輪間距和單梁橋面寬度是否對應(yīng)，直接添加車道即可。多片梁定義車道：建立整橋分析時，直線橋梁按照偏載和中載設(shè)置車道；彎橋和斜橋按照左右偏載和中載設(shè)置車道。定義車輛時根據(jù)加載效率規(guī)定，橋梁設(shè)計荷載一般采用的是車道荷載，按照《通規(guī)》車道荷載有均布荷載和集中荷載組成。需進(jìn)行車輛定義時可按照需求在軟件中進(jìn)行自定義。另外，對應(yīng)于多帶橫向折減系數(shù)的單帶1.2應(yīng)轉(zhuǎn)換為1。多片梁結(jié)構(gòu)定義移動荷載工況時，橫向折減系數(shù)軟件將根據(jù)已定義的子荷載工況中的車道進(jìn)行自動折減。特征值分析設(shè)置時，特征分析和荷載試驗相關(guān)的主要參數(shù)為振型形狀和頻率。模型中和振型形狀及頻率相關(guān)的參數(shù)為結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。幾何模型建立剛度基本確定，而質(zhì)量和自重及橋面附屬設(shè)施有關(guān)。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》的規(guī)定，將橋梁自重以及橋面附屬設(shè)施的荷載轉(zhuǎn)化質(zhì)量時只轉(zhuǎn)化為豎向，試驗只確定垂面上彎曲的自振特性。設(shè)置完成后可通過檢查橋梁自重下反力、自重下彎矩、自重下位移檢查模型相關(guān)設(shè)置是否正確，如圖3和圖4。

圖3：自重下反力

圖4：自重下彎矩

2.3 模擬靜載試驗進(jìn)行

為反應(yīng)橋梁控制截面在最不利荷載狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變狀況，荷載工況設(shè)置應(yīng)滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》要求，通過CDN插件對車輛、車輛荷載工況以及控制截面進(jìn)行定義后可進(jìn)行試驗，定義車輛是需注意根據(jù)具體需求自定義車輛數(shù)據(jù)，可選用《通規(guī)》規(guī)定的55t的車輛進(jìn)行定義，或?qū)υ囼灣Ｓ密囕v進(jìn)行自定義，同時應(yīng)注意定義車輛工況即對車輛的數(shù)量、位置進(jìn)行定義，根據(jù)《荷載試驗規(guī)程》規(guī)定，不同類型的橋梁，控制截面設(shè)置位置不同，一般通過選擇設(shè)計內(nèi)力或者位移作為加載效率的計算內(nèi)容對荷載大小以及加載位置進(jìn)行確定。當(dāng)按照內(nèi)力設(shè)置時，控制截面按照單元以及單元對應(yīng)位置確定，當(dāng)按照位移設(shè)置時，控制截面按照節(jié)點(diǎn)對應(yīng)位置設(shè)置，在MIDAS中通過對內(nèi)力的效率與位移荷載效率進(jìn)行分析完成自動布載功能進(jìn)行試驗。車輛定義及布載情況如圖5。

圖5：車輛定義

3 應(yīng)用案例

羅廣鋒通過結(jié)合MIDAS/FEA對廣東佛山禪城區(qū)樵樂路-樂獅線立交工程第五連續(xù)剛構(gòu)橋靜載試驗的結(jié)果進(jìn)行分析，通過軟件計算得出其控制截面在最不利荷載作用下的應(yīng)變情況；田小文、喬杰證實了使用MIDAS模擬V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋靜載試驗的可行性，對使用軟件模擬對V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行靜載試驗的工況組成以及結(jié)果分析進(jìn)行了深入的研究；在橋梁靜載試驗中確定控制截面以及合理的荷載值，尤其重要，宋建平、鄧志方通過MIDAS Civil軟件對橋梁靜載試驗中的荷載值進(jìn)行計算，證實了利MIDAS軟件對橋梁靜載試驗荷載值進(jìn)行布載的可行性。綜上所數(shù)當(dāng)前使用有限元軟件對橋梁靜載試驗進(jìn)行數(shù)字化模擬具有極大的可行性，已成為一種趨勢。

4 當(dāng)前發(fā)展存在的問題

MIDAS /民用軟件建模方法常用的是圖形用戶界面的部分系統(tǒng)——“配置元素指定結(jié)構(gòu)類型指定材料-指定的輸入節(jié)點(diǎn)和元素輸入邊界條件-進(jìn)入加載執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析”這個方法費(fèi)時費(fèi)力，復(fù)雜模型的加工難度大，結(jié)構(gòu)的材料對齊也相當(dāng)困難。如果組件太多，很容易出現(xiàn)錯誤和其他問題[7]。盡管目前軟件檢測發(fā)展的已經(jīng)相對完善，但建立的模型處于理想化狀態(tài)下進(jìn)行試驗，無法模擬實際工程問題中的復(fù)雜條件。且進(jìn)行軟件檢測所需的數(shù)據(jù)總量較大，數(shù)據(jù)采集方面仍存在一定問題，具有誤差的數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致軟件模擬結(jié)果偏離理想結(jié)果。

5 展望

隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，針對傳統(tǒng)工程中數(shù)據(jù)信息利用率低、成本高、管理效率低和遇險反映慢的問題,進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成處理研究,基于有限元軟件建立數(shù)據(jù)模型，利用計算機(jī)軟件對建筑問題進(jìn)行信息化、數(shù)字化處理必然是未來的趨勢，將MIDAS軟件運(yùn)用到橋梁的安全狀況檢測評估過程中，對橋梁進(jìn)行全面檢測評估，能有效的探明橋梁存在的安全隱患,正確的評估現(xiàn)有橋梁的使用性能、工作狀況及承載能力，能否輸出在持久狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下滿足規(guī)范應(yīng)力要求所需的預(yù)應(yīng)力，以確定橋梁是否能夠繼續(xù)安全使用并明確下一步的養(yǎng)管措施且使用軟件對橋梁進(jìn)行狀況評估檢測，可以有效降低評估成本。