桥梁荷载试验车辆自动化布载程序对比分析

桥梁荷载试验车辆自动化布载程序对比分析

刘晓东 史雪慧

内蒙古路桥工程技术检测有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 010000； 包头冶金建筑研究院， 内蒙古 包头 014000

摘要：在使用过程中，桥梁结构受到不利因素的影响，如自然环境、劣化材料、施工缺陷和超载。结构的安全性和承载能力有一定的影响。桥梁荷载试验是验证桥梁结构荷载能力的最直接、最有效的方法之一。传统的桥梁荷载试验车荷载方案计算繁琐、持续时间长和优化方面存在问题。本文研究了桥梁荷载试验车辆自动布载程序的比较分析。

关键词：桥梁荷载试验;试验车辆布载;CSBVL程序;性价比法

一、CSBVL车辆自动化布载程序

针对手工车辆布载、经验计算困难和长耗时，开发了基于python(cable-suspended bridge testing vehicle safety layout)编程语言的自动化车辆安全测试程序CSBVL。主要由四个功能组成，包括建立试验参数、输入试验项目阴影线、计算试验运行状态的加载效率以及确定和显示计算结果。根据桥梁和路面荷载试验规程中关于桥梁静荷载试验效率的规定，确保最终计算结果符合静荷载试验的安全要求。CSBVL计算前，应首先确定试验的配置参数，包括桥梁共振线文件和目标工作状态部分的工作效果值。定义参数后，会自动计算符合负载测试规格的车辆的负载位置，并确定最佳负载测试车辆。最后程序提供了最佳车辆装载计划和车辆位置计划的详细计算结果。

载试验布载车辆的轴重和间距的选择还取决于结构类型和桥梁范围等因素。CSBVL程序引入了一种性价比方法，通过将各种布载方案的试验车辆布载结果相加来确定最具成本效益的试验车辆类型。试验车辆最后评价参考式(1)、(2)。

(1)

(2)

表格N试验车辆总数；Ｒ测试车配置行数；η是测试负荷效率，Ci工况单个评分，c是质量测试车的最终评估。假定每吨轴向重量最有效，则采用插值方法将各种质量测试者的综合评估评级值标准化为[60，100]范围内转换的评级分数，并建立了质量价格比率(3)计算公式，根据价格比率计算评比。

(3)

其中v是测试车的性价比得分；H试验车的质量换算评分m是试验车的总质量。

二、工程背景

1.工作概述。该设计适用于100m跨度钢桥面荷载方案的研究项目。桥拱轴线这是一个二次抛物线，矢跨系数为1/5，高度为20m。拱肋哑铃型钢管管砼，截面高度为2.6m，每隔5.1m在整个桥梁上安装18对吊杆，全线采用四车道公路标准，设计速度为80公里/小时，设计负荷为公路－Ι级。

2.有限元模型。使用Midas/Civil2019对桥梁有限元计算进行分析建模。模拟公共截面，混凝土强度等级为C50，钢管材质为Q345。梁使用梁单位建模的，吊杆是使用桁架单位建模的，每个拱肋有18个刚性吊杆。拱脚的两端建模为整体支撑约束。桥梁模型分为458个节点和758个单元。

3.负载测试模式。桥梁静载荷试验应在桥梁结构最不利强度和代表性原则的基础上进行，以确定试验状态和试验截面。组合系统桥梁根据荷载试验结构和规范的应力特性确定试验状态及相应的试验截面。杆拱桥确定的试验荷载状态见表1。

表1 试验加载工况及活载效应值自动化布载计算及结果对比分析

三、数据分析

1.参数CSBVL和某商业布载软件设定。若要使用「负载测试自动布载程式执行计算，必须先定义与测试相关联的设置参数。CSBVL应设置控和非控制截面活载效果值、桥梁基本参数和车辆类型参数；还必须输入车辆通过和车轮之间的间距。该方案自动产生7辆普通试验车，总车轴重量分别为30、33、35、37、40、42和45t；此外，若要绘制车辆布置图，必须定义桥梁的长度、宽度和边界类型参数。在商用软件的有限元模型时，需要定义试验车辆类型、相邻车辆之间的最小纵向距离、车辆行驶频率和试验载荷效率等参数。两个软负荷试验车采用轴向距离为4+1.4 m米的三轴车辆，相邻车辆的最小纵向间距为4 m(车辆前后间距)，车辆运动间距为1 m，目标试验负荷效率为0.85～1.05。

2.计算结果与效率的比较。对杆拱桥进行了自动荷载计算分析，分别根据30、33、35、37、40、42和45t的质量计算了CSBVL辆试验车的五种工况运行模式。软件只能计算一种重量的试验车，本文分析了两种布载软件中均采用了40t试车的布载结果。布载根据结果，各工工况控制截面的测试加载效率为0.85~1.05，符合规范要求。5台40t车完成各种工况试验的CSBVL和商业布载软件。两种布载软件均可根据模式4工况的布载结果推导出车辆方案，具体取决于吊杆弯矩，中载工况模式下CSBVL需要5辆车，商业布载软件需要5辆车。

3.非控制截面载荷效率的比较。静载荷试验时，索吊桥梁应满足工况控制段的载荷性能，同时确保非控制截面的载荷性能不超过标准。将研究非控制截面的载荷效率超出情况，以典型工况模式下的载荷为例(增加吊杆最大拉力)。检测段为截面为吊杆188#，控制截面为主拱段(单元208，吊杆187)，主梁(160#、159#单元)，根据布载结果，图1显示了两个程序计算的布载方式中非控制截面的加载效率。

图1 非控制截面试验荷载效率

非控制截面的载荷效率试验结果，非控制截面的载荷效率系数小于1.05，因为CSBVL的布载的载荷分别为0.86、0.99、1.03和1.03。另一方面，商业软件布载结果是，3个非控制截面效率分别高于1.05、1.14和1.14，高于1.9和7.6。因此，CSBVL可确保非控制截面负载效率满足安全要求，而商业软件不提供非控制截面负载效率不超过标准。

4.车辆自动布载优化比较。静态试验方案下理想试验车的质量应通过评价方法确定。在本文中，商业布载软件没有提供最佳的布载结果评估功能。CSBVL比较了布载载荷结果中不同重量的试验车辆的总估计值。由于数量上的限制，只提出了工况1的计算，该方案位于不同质量的试验车辆上相应的计算分数。基于性价比方法的分析根据[60，100]范围内每个测试车辆在转换点的布载结果，总结CSBVL得分的标准化情况。也就是说，将测试仪30t设置为60点，将测试仪45t设置为100点，通过内插法换算其试验车辆评分，再除以试验车辆质量，得到不同质量试验车辆性价比值。计算表明，每吨货物的最高性价比是42吨试验车辆42t是最佳的荷载类型。

四、结论

CSBVL采用性价比法分析方法确定布载计划中的42t测试车是最具成本效益的测试车；商业布载软件没有对布载结果进行最佳分析。CSBVL操作简单，计算速度快，具有多个试验车同时计算的优点，同时考虑到布载方案的经济性和安全性，可广泛应用于各种桥梁加载试验方案的设计，具有较好的推广应用价值。

参考文献：

［1］贺祥建．公路桥梁检测及评价技术综述［J］．中国公路学报，2019，30(11):63－80．

［2］谌芳．公路桥梁荷载试验［M］．北京:人民交通出版社，2019．