桥梁荷载试验静动力分析系统

桥梁荷载试验静动力分析系统郭爱平，赖敏芝（湖北省公路管理局科研所湖北武汉430030）摘要：针对桥梁荷载试验的特点，运用结构力学、高等数学、AUTOCAD等理论和工具开发了一个简单、实用、好用的傻瓜式的桥梁荷载试验静动力分析系统。关键词：荷载试验，有限元，VB.NET，AUTOCAD，布载，程序，特点中图分类号：U448.52文献标识码：A刖言桥梁荷载试验的理论计算一般采用通用桥梁结构计算软件，这方面的软件已经比较多而完善。但使用起来仍存在下述问题。桥梁荷载试验的只要求计算短时间内整体结构的受力情况，而通用软件则要求输入配筋、徐变、温度变化、施工过程等大量的无用数据，它不仅仅增加了工作量，还容易导致出错。另一方面，虽然大部分软件采用了人机交互的工作方式，但实质上大量的原始数据仍然是手工逐一填写，极易“笔误”，导致需要进行若干次调试。鉴于此，笔者结合桥梁荷载试验的特点，运用结构力学、高等数学、AUTOCAD等理论和工具开发了本系统。系统总体设计2.1开发平台本系统初期在MicosoftVB5.0环境下开发，后期移植到MicosoftVB.Net环境下调试编译。2.2系统功能本系统能正确处理刚臂、铰、半铰等。本系统的主要功能是计算恒载内力、活载内力及内力影响线、恒载位移、活载位移及位移影响线、设计和验算荷载、试验工况设计，并生成AUTOCAD的DXF文件格式的结构离散图、结构内力图、内力影响线图、位移影响线图、结构位移图等图形。动力计算部分计算结构模态参数并生成振型图。2.3设计方法

总体上采用对象设计，但为了便于维护和升级，结构计算部分仍采用模块化设计。2.4设计目标截面几何特性由AUTOCAD结合高等数学积分理论自动求得。在原始数据的准备上，绝大部分数据采用自动赋值和批量赋值，达到半自动建模的目的。在试验工况设计上，用鼠标“拖动”汽车布载，“即布及得”（荷载效应及荷载效率）。所有原始图形和计算结果图形全部与AUTOCAD接口。程序流程程序流程如下。结构振型结构计算模块模态参数影响线V布载1F试验工况结构响应

系统特点结构振型结构计算模块模态参数影响线V布载1F试验工况结构响应与当前结构计算软件相比，本系统实现了三个突破，既截面几何特性的积分求解、（半）自动建模、试验工况的“即布及得”。4.1截面几何特性的积分求解4.1.1计算原理积分求解的计算原理比较复杂，涉及到AUTOCAD的二次开发和高等数学的定积分理论，在此仅作简述[1]⑵。在AUTOCAD中，所有曲线被“EXPLODE”后，皆成为直线和圆（弧）用n条等间距的平行于X轴的直线“切割”截面，则得到n-1块梯形块（两侧边可能为弧状）及梯形的四个交点坐标，进而可求得每一个梯形块的面积和面积矩。由此求得总面积、总面积距，进而求得形心位置。然后再逐块积分可求得截面惯性距[3]。4.1.2实际操作在AUTOCAD中逐一画出截面横断面图（对于变截面箱梁等结构，本程序有一个“变截面箱梁截面插值”模块，可自动生成若干个截面横断面图）运行“截面几何信息”子程序，逐一打开截面横断面图，则得到每一截面的几何特性。其界面如图1。图1图24.1.3特点图1图2采用AUTOCAD图，无数据输入，不易出错，且适用于任意现状、任意曲线的断面。4.2（半）自动建模4.2.1实现原理桥型各种各样，但常见的一般为简支梁（板）桥、拱桥和主体结构为箱型的桥（如连续箱梁、悬链线箱拱）。对于简支梁，毫无疑问，可以自动建模。对于拱桥，输入拱轴线的曲线方程，则可对拱轴线自动建模。对于箱型结构，先运行“变截面箱梁截面插值”模块，自动生成若干个截面横断面图，并得到每个截面的形心位置，然后输入桥面的曲线方程，即可求得每个截面的形心坐标，则可对该曲线自动建模。4.2.2实际操作以襄樊汉江四桥为例。该桥为七跨变截面连续箱梁(75+5X120+75)m，桥面为竖曲线R=40000m。根据施工节段(约3~4米一段)，选取40个代表性截面，运行“变截面箱梁截面插值”模块，界面如图2：事实上，这40个代表性截面的绝大部分参数都是相同的，只有3~4个参数不同，所以可以采用批量赋值快速输入参数。然后输入待求的X系列，则可得到每个X坐标（本例为每米）所对应的截面的几何特性。界面如下：最后采用“Y公式赋值”法。在“高次曲线”中，输入桥面曲线方程，并选择“截面上缘”为基准，则可对该曲线自动建模。界面如下：

4.2.3特点自动生成截面，（半）自动建模，速度快，输入数据少，可以把单元划分到足够小。4.3试验工况的“即布及得”4.3.1实现原理通过动态规划法，在控制影响线上进行最不利布载（设计荷载、验算荷载），以此最不利荷载效应进行试验车辆的自动布载。参照自动布载的结果，用鼠标“拖动”试验车辆进行手工布载。在进行上述计算的同时，程序自动计算其它影响线的“响应”。4.3.2实际操作结构计算完成后，运行“试验工况设计”子程序，程序自动读取每一条影响线，选择控制影响线（第一根）和参考影响线（第二、三根）。程序对每一条影响线分别进行最不利布载（设计荷载、验算荷载），并对控制影响线进行试验车辆的自动布载（效率系数0.85~1.05）。然后用鼠标“拖动”试验车辆进行手工布载。手工布载时，所有影响线将随试验车辆的增减或拖动而响应，界面下部的表单则实时记录了该响应。当“试验除以设计（验

算）”在0.85~1.05时，则布载成功。双击某“车辆”，可对该车辆进行修改，包括精确定位、车辆反向、修改轴重、修改轴间距、修改轴的数量。其界面如下。4.3.3特点布载速度快，避免了繁琐的手工插值，适用于试验现场载位的快速调整。在控制影响线上布载时，可同时监测其它影响线的响应，确保桥梁安全。在控制影响线上布载时，可同时监测其它影响线的响应（特别是“参考影响线），可以达到一个工况控制几个项目的目的。每一辆试验车的技术指标可以各不相同，更符合现场实际情况。4.3其它采用了EA、EI变量，可以直接计算钢管混凝土结构；把各工况的车辆作为外荷载，直接计算所有试验荷载的结构响应；简支梁一键通：输入跨径，则自动完成计算；可视化操作，数据表格化、图形化输入，可批量赋值，并智能拦截和查错；荷载实际横向分布与截面扭矩计算；所有图形提供AUTOCAD接口；超限车辆运输结构检算。结束语该软件针对桥梁荷载试验的特点量身定做，是最简单的有限元程序之一，可以极大地提高效