CN108763810B - 一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法 - Google Patents

一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，结合加载轴重及影响线竖标通过公式Mk=∑Fi*Yi，计算出该试验车荷载作用下试验截面的位移或内力计算值，调整基本试验车数量、加载轮位的坐标及加载轴重Fi三项基本参数，即可快速得到加载内力结果与桥梁设计荷载内力结果的比值介于0.95‑1.05之间的加载方式，且可复制多列影响线数据进行多工况同时加载计算，最后绘制出影响线图及加载图。本发明可以快速得到任意加载轮位处的影响线量值，并能根据试验条件快速更改轴重及加载轮位坐标，同时进行多工况加载计算，大大简化了静载试验加载过程，节省了计算时间，显著提高了桥梁检测工程师的荷载试验加载计算、调整的工作效率。

Description

一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法
技术领域
本发明涉及桥梁静载试验技术领域，特别是涉及一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法。
背景技术
桥梁静载试验可对桥梁结构承载能力进行评估测试，在实际中的运用越来越广泛，其布载方式通常是通过影响线加载试算，直至其荷载效率满足：0.95≤η≤1.05，η=Sstat/(S×δ)。其中Sstat为试验荷载作用下检测部位位移或内力的计算值；S为设计标准活荷载作用下检测部位位移或内力的计算值；δ为设计取用的动力系数。
目前有两种计算方法：1）将预估的车辆数量、轴重、车辆间距参数作为一个单独的工况荷载施加在有限元模型上，计算得到测试截面的位移或内力结果，若不满足荷载效率的要求，调整车辆数量、轴重、车辆间距参数重新作为一个工况荷载加载在有限元模型上重新计算直至满足要求；2）在有限元程序中将各工况对应的测试截面影响线数据导入到AUTOCAD中，手动在影响线上进行荷载布置，通过多次量取长度得到影响线竖标进行计算，若荷载效率不满足规范要求，则调整车辆数量、轴重、车辆间距参数后重新量取并计算，直至满足要求。这两种方法计算较繁琐且花费时间都较长，不能根据现场条件及时更改加载方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，能够实现自动提取任意加载轮位坐标处的影响线量值，并能同时进行多工况加载计算，调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标，得到满足荷载效率系数要求的加载方式，并绘出影响线图及加载图。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，包括以下步骤：
S1、建立桥梁结构有限元模型：采用桥梁专业分析软件建立待检测桥梁结构的有限元模型，计算分析汽车、人群活载下内力、位移结果，并根据最不利内力、位移结果及桥梁结构构造特点确定各工况下测试截面具体位置，并提取各测试截面位置的内力影响线；
S2、根据各测试截面位置的内力影响线结果，并将其坐标Xj及内力影响线竖标Yj导入EXCEL表格中分别为两列，其中，1≤j≤Nn，Nn为桥面节点总数，j为该桥面中任一节点；
S3、在计算该桥梁第K个截面对应加载工况时，在影响线数据对应下方表格中输入一辆或多辆静载试验车的轴重Fi、加载轮位坐标Xi，1≤i≤Nak，Nak为第K截面对应加载工况实际加载车辆的车轴总数，i为试验车的车轴数，调用MATCH函数得到与加载轮位坐标Xi最近的影响线坐标参数Xj在表格中的位置坐标参数Xti，其中，K为根据最不利内力、截面构造及加载条件确定的该桥梁试验中待加载截面数；
S4、根据加载轮位坐标参数Xi,使用OFFSET函数依靠MATCH函数返回参数获取影响线坐标Xj、X（j+1）以及对应的影响线竖标Yj、Y(j+1)，其中，Xj≤Xi＜X(j+1)，再通过线性内插公式可得到加载轮位坐标Xi对应的影响线竖标量值Yi=（Xi-Xj）*[ Y(j+1)-Yj] /[X(j+1)-Xj]，则可计算出该试验车轮压的加载内力值Mi=Fi*Yi，累加第K截面所有工况下车辆轮位加载内力值，可以计算该工况的静载试验车辆加载的内力值Mk=∑Mi，1≤i≤Nak，然后计算得到荷载效率系数ηk=Mk/Msk，Msk为第k个试验截面处对应截面设计荷载下（考虑冲击系数）的最不利内力结果；
S5、复制多列影响线数据，同时进行多种工况加载计算，调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标并计算荷载效率系数η，直至荷载效率系数η在0.95-1.05之间时完成试验荷载的加载布置与调整，根据得到的内力影响线数据，最后绘制出影响线图及加载图。其中，多种工况加载计算的目的是为了调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标，直至荷载效率系数η达到要求即可。
所述的加载轮位坐标Xi与得到的测试截面位置的内力影响线的坐标不能完全对应时，通过MATCH函数进行数据查找、匹配计算并自动锁定加载轮位所在区间，然后通过OFFSET函数并配合MATCH函数的计算结果自动选取加载轮位坐标所在影响线坐标区间的影响线量值，进行线性内插得到加载轮位坐标处的影响线量值。
所述的步骤S5中调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标过程时，找到测试截面的影响线正值或负值最不利位置，作为试验加载车辆的重轴或双后轴车的中轴位置，并以该车辆的车轮位为基础，在其前后依次增加车辆，调整好该试验车辆其他轮轴间距位置及该车辆前后其他车辆各轮轴的对应加载坐标位置，并计算出总的加载内力结果，调整加载内力结果与桥梁设计荷载内力结果的比值介于0.95-1.05的规范要求时，完成静载加载布置。
本发明通过有限元软件的计算结果配合MATCH(lookup_value, lookup_array,[match_type])函数与OFFSET(reference, rows, cols, [height], [width])函数等配合使用实现的。
计算的前提是得到测试截面的影响线，通过桥梁专业软件建立有限元模型，根据桥梁结构特点确定各工况下测试截面位置并计算得到其影响线数据，并将其坐标Xj（j为桥面节点数）及内力影响线竖标Yj导入EXCEL表格；
基本参数为试验车数量、加载轮位坐标及轴重Fi，可根据现场试验车的实际条件调整，由于实际提取的影响线坐标由有限元模型的节点坐标生成，车辆加载轮位坐标与已有影响线的坐标通常不能对应，因此需要确定加载轮位坐标所在影响线坐标区间，并取得此区间的影响线量值，再通过线性内插公式得到加载轮位坐标处的等效影响线量值。全过程通过函数找寻计算完成，且可复制多列影响线数据进行多工况同时加载计算，快速得到荷载效率系数在0.95-1.05之间的加载方式，最后绘制出影响线图及加载图。
所述影响线快速加载与调整方法中，只需输入试验车数量、加载轮位的坐标及加载轴重Fi即可，这些量值与后续计算公式相关联，可实现迅速调整并更新计算结果。
对于各测试截面的内力影响线，为快速实现加载布置，可找到其正值或负值最不利位置，作为试验加载车辆的重轴或双后轴车的中轴位置，调整好该试验车辆其他轮轴间距位置及该车辆前后其他车辆各轮轴的对应加载坐标位置。
加载轮位坐标对应的影响线量值通过坐标参数Xi间接得到。首先通过MATCH(lookup_value, lookup_array, [match_type])公式实现加载轮位坐标区间的锁定，排序找到影响线坐标中小于加载轮位坐标最大值在表格中的位置参数，其坐标值位置序号即为Xti，为得到影响线量值做准备；
根据MATCH公式查找到的加载轮位坐标Xj在表格中的位置参数Xti，可通过OFFSET(reference, rows, cols, [height], [width])函数自动选取加载轮位所在区间的影响线量值，配合线性内插公式即可得到到加载轮位坐标Xi所对应的影响线量值Yi；
结合加载轴重通过公式Mk=∑Mi，计算出该试验车第i个轴重荷载作用下检测截面的位移或内力计算值，调整基本试验车数量、加载轮位的坐标及加载轴重Fi三项基本参数，即可快速得到加载内力结果与桥梁设计荷载内力结果的比值介于0.95-1.05之间的加载方式，且可复制多列影响线数据进行多工况同时加载计算，最后绘制出影响线图及加载图。
本发明的有益效果是：可以快速得到任意加载轮位处的影响线量值，并能根据试验条件快速更改轴重及加载轮位坐标，同时进行多工况加载计算，得到试验荷载作用下测试截面位移或内力，快速计算出荷载效率系数在0.95-1.05之间的加载方式，并绘制出影响线图及加载图，大大简化了静载试验加载过程，节省了计算时间，提高了桥梁工作者的工作效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例中各个加载截面的影响线数据表；
图3为本发明实施例各个加载截面试验荷载快速加载及调整数据表；
图4为本发明实施例中边跨截面影响线图及加载图；
图5为本发明实施例中中墩支点截面影响线图及加载图；
图6为本发明实施例中中跨跨中截面影响线图及加载图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，包括以下步骤：
S1、建立桥梁结构有限元模型：采用桥梁专业分析软件建立待检测桥梁结构的有限元模型，计算分析汽车、人群活载下内力、位移结果，并根据最不利内力、位移结果及桥梁结构构造特点确定各工况下测试截面具体位置，并提取各测试截面位置的内力影响线；
S2、根据各测试截面位置的内力影响线结果，并将其坐标Xj及内力影响线竖标Yj(弯矩值)导入EXCEL表格中分别为两列，其中，1≤j≤Nn，Nn为桥面节点总数，j为该桥面中任一节点；
S3、在计算该桥梁第K个截面对应加载工况时，在影响线数据对应下方表格中输入一辆或多辆静载试验车的轴重Fi、加载轮位坐标Xi，1≤i≤Nak，Nak为第K截面对应加载工况实际加载车辆的车轴总数，i为试验车的车轴数，调用MATCH函数得到与加载轮位坐标Xi最近的影响线坐标参数Xj在表格中的位置坐标参数Xti，其中，K为根据最不利内力、截面构造及加载条件确定的该桥梁试验中待加载截面数；
S4、根据加载轮位坐标参数Xi,使用OFFSET函数依靠MATCH函数返回的位置参数Xti获取影响线坐标Xj、X（j+1）以及对应的影响线竖标Yj、Y(j+1)，其中，Xj≤Xi＜X(j+1)，再通过线性内插公式可得到加载轮位坐标Xi对应的影响线竖标量值Yi=（Xi-Xj）*[ Y(j+1)-Yj] /[X(j+1)-Xj]，则可计算出该试验车轮压的加载内力值Mi=Fi*Yi，累加第K截面所有工况下车辆轮位加载内力值，可以计算该工况的静载试验车辆加载的内力值Mk=∑Mi，1≤i≤Nak，然后计算得到荷载效率系数ηk=Mk/Msk，Msk为第k个试验截面处对应截面设计荷载下的最不利内力结果；
S5、复制多列影响线数据，同时进行多种工况加载计算，调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标并计算荷载效率系数η，直至荷载效率系数η在0.95-1.05之间时完成试验荷载的加载布置与调整，根据得到的内力影响线数据，最后绘制出影响线图及加载图。
在EXCEL表格中，影响线数据可多列复制以实现多工况同时加载调整，在表格中输入试验车数量、轴重、加载轮位坐标参数，即可即时按照公式计算试验加载内力结果其与桥梁设计荷载内力结果的比值；还可以任意修改调整加载车辆数量、轴重、加载轮位坐标参数，相应加载内力结果及加载效率系数即时自动更新，可快速实现加载布置及调整。
根据表格中的影响线、加载车辆位置、车辆轴重参数数据，可在EXCEL、AutoCAD中便捷绘制出影响线图及加载位置图。
本例为一座三跨连续梁桥，根据设计荷载内力计算结果及截面构造特点，取中墩支点截面、边跨和中跨跨中截面为测试截面，分别标记为截面A、截面B和截面C，提取各测试截面位置的内力（弯矩影响线）结果，并将其坐标Xj（j为桥面节点数）及弯矩影响线竖标Yj导入EXCEL表格中，其中，图2为该桥各个截面影响线数据表部分，图3为该桥各个截面影响线快速加载及调整至荷载效率系数η在0.95-1.05之间的数据表。
输入试验车数量、轴重Fi及加载轮位坐标三项基本参数，第一辆试验车的重轴或双后轴车的中轴坐标为弯矩影响线数据其正值或负值的最不利位置，调整好该试验车辆其他轮轴间距位置及该车辆前后其他车辆各轮轴的对应加载坐标位置。这三项基本参数与后续计算公式相关联，可通过调整参数迅速更新计算结果。
锁定加载轮位所在影响线坐标区间，主要通过MATCH(lookup_value, lookup_array, [match_type])函数实现，通过排序找到影响线坐标中小于加载位置坐标的最大值位置，将此坐标值位置序号作为加载轮位坐标参数Xti，为计算加载轮位坐标对应的影响线量值做准备；
根据MATCH公式查找到的加载轮位坐标参数Xti，通过OFFSET(reference, rows,cols, [height], [width])函数可关联到加载轮位所在区间及其影响线量值，配合线性内插公式即可得到到加载轮位坐标Xi所对应的影响线量值Yi；
进一步，如图3，依次针对各个加载截面，结合加载轴重通过公式Mk=∑Fi*Yi，计算出该试验车荷载作用下检测截面的位移或内力计算值，根据已输入的试验车数量、轴重及加载轮位坐标处的影响线值计算出所有试验荷载作用下检测截面位移或内力的计算值及荷载效率系数；
复制多列影响线数据，同时进行多种工况加载计算，调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标，迅速计算荷载效率在0.95-1.05之间的加载方式。如图4、图5、图6，最后绘制出各个试验截面的内力影响线图及加载图，在EXCEL中调用绘图功能，根据影响线坐标为横轴，影响线量值为纵轴绘制影响线曲线，并在曲线图中添加以加载轮位Xi及对应加载轴重的图示系列。通过图示可以直观显示相应试验截面的加载位置并便于检查所加载工况是否合理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立桥梁结构有限元模型：采用桥梁专业分析软件建立待检测桥梁结构的有限元模型，计算分析汽车、人群活载下内力、位移结果，并根据最不利内力、位移结果及桥梁结构构造特点确定各工况下测试截面具体位置，并提取各测试截面位置的内力影响线；
S2、根据各测试截面位置的内力影响线结果，并将其坐标Xj及内力影响线竖标Yj导入EXCEL表格中，其中，1≤j≤Nn，Nn为桥面节点总数，j为该桥面中任一节点；
S3、在计算该桥梁第K个截面对应加载工况时，在影响线数据对应下方表格中输入一辆或多辆静载试验车的轴重Fi、加载轮位坐标Xi，1≤i≤Nak，Nak为第K截面对应加载工况实际加载车辆的车轴总数，i为试验车的车轴数，调用MATCH函数得到与加载轮位坐标Xi最近的影响线坐标参数Xj在表格中的位置坐标参数Xti，其中，K为根据最不利内力、截面构造及加载条件确定的该桥梁试验中待加载截面数；
S4、根据加载轮位坐标参数Xi,使用OFFSET函数依靠MATCH函数返回的位置参数Xti获取影响线坐标Xj、X（j+1）以及对应的影响线竖标Yj、Y(j+1)，其中，Xj≤Xi＜X(j+1)，再通过线性内插公式可得到加载轮位坐标Xi对应的影响线竖标量值Yi=（Xi-Xj）*[ Y(j+1)-Yj] /[X(j+1)-Xj]，则可计算出该试验车轮压的加载内力值Mi=Fi*Yi，累加第K截面所有工况下车辆轮位加载内力值，可以计算该工况的静载试验车辆加载的内力值Mk=∑Mi，1≤i≤Nak，然后计算得到荷载效率系数ηk=Mk/Msk，Msk为第k个试验截面处对应截面设计荷载下的最不利内力结果；
S5、调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标并计算荷载效率系数ηk，直至荷载效率系数ηk均在0.95-1.05之间时完成试验荷载的加载布置与调整，根据得到的内力影响线数据，最后绘制出影响线图及加载图。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，其特征在于，所述的加载轮位坐标Xi与得到的测试截面位置的内力影响线的坐标通常不能对应时，通过MATCH函数进行数据查找、匹配计算并自动锁定加载轮位所在区间，然后通过OFFSET函数并配合MATCH函数的计算结果自动选取加载轮位所在区间的影响线量值，进行线性内插得到加载轮位坐标处的影响线量值。
3.根据权利要求1所述的一种桥梁静载试验荷载加载布置与调整方法，其特征在于，所述的步骤S5中调整试验车数量、轴重及加载轮位坐标过程时，找到测试截面的影响线正值或负值最不利位置，作为试验加载车辆的重轴或双后轴车的中轴位置，并以该车辆的车轮位为基础，在其前后依次增加车辆，调整好该试验车辆其他轮轴间距位置及该车辆前后其他车辆各轮轴的对应加载坐标位置，并计算出总的加载内力结果，调整加载内力结果与桥梁设计荷载内力结果的比值介于0.95-1.05的规范要求时，完成静载加载布置。
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