midas FEA在桥梁检测上的应用

1、midas FEA 在桥梁检测上的应用,桥墩裂缝成因分析 花瓶墩配筋设计方法(两例) 箱梁顶板裂缝成因分析 箱梁腹板裂缝成因分析 箱梁底板崩裂原因分析 箱梁零号块裂缝成因分析 箱梁后浇段施工缝开裂成因分析 空心板底板裂缝成因分析 曲线梁桥支座病害成因分析 预支空心板铰缝破坏影响分析 膨胀土危害分析,1. 病害成因分析,1.某桥墩凹槽开裂验算报告(某施工单位),1.某桥墩凹槽开裂验算报告(某施工单位),基于大型有限元程序midas FEA，对桥墩结构进行了数值模拟，在考虑材料非线性的基础上对凹槽附近区域的裂缝情况进行了分析，结论如下： 在相当于计算荷载的35%大小的荷载作用下，结构的凹槽直角区域

2、将达到混凝土的抗拉强度，首次出现微量的裂纹； 随着荷载的增大，该区域将出现沿顺桥向贯通的裂纹带，其发展方向约与水平面成45夹角，并且在紧邻直角的区域裂纹发展较为充分，其他区域相对较弱，但整个加载过程裂纹状态均未完全张开； 当单个支座压力达到33294kN/时，结构裂缝宽度和带域都将得到充分发展，达到极限状态，但此极限荷载仅仅为理想强度下的理论计算值，实际结构在考虑材料的超强效应及部分构造筋（如分布筋）的影响后，极限荷载会相应的有所提高； 结构在凹槽直角区域配置了大量的水平筋和竖向筋，但是由于支座偏心荷载绕墩底外轮廓边线（横桥向）形成的强大弯矩导致在该区域出现了与水平面大约呈45角的较大主拉应力

3、，所以出现了与该主拉应力垂直的裂缝带域。,2.关于天津大道墩柱的受力特征及钢筋合理性布置的探讨(天津市政工程设计研究院),结论： （1）通过利用midas FEA的材料非线性分析，将钢筋植入模型，计算出钢筋应力，然后计算裂缝；与未考虑钢筋的线弹性模型，通过积分求出内力，然后估算钢筋面积比较，概念清晰，简单、实用，具体对比见表2。 （2）最大拉应力出现在墩帽中心开口处，设计配筋时应予以重视，可以配置拉筋或主动加预应力的方法，来提高混凝土的抗裂性能和极限承载能力。 （3）从墩帽斜截面抗剪计算可以看出，抗剪主要由混凝土承受，墩帽内可不设箍筋和弯起钢筋。,3.花瓶形钢筋混凝土薄壁墩设计讨论(北京国道通

4、公路设计研究院),4.连续箱梁顶板裂缝成因分析研究(湖南省交通科学研究院),裂缝特征： 5号8号墩右幅箱梁顶板，共发现324条裂缝，其中横向315 条，占97%；斜向7条，纵向2条，占3%。通长裂缝164条，占50%，部分裂缝贯通顶板( 渗水见图2) 。裂缝长度在0.43.4 m 之间，宽度在0.050.30mm之间。,4.连续箱梁顶板裂缝成因分析研究(湖南省交通科学研究院),裂缝成因分析： 1) 温度作用：本桥箱梁浇筑时，室内空气不流通，水泥水化产生热量使室内温度逐渐升高，而室外空气流通快，混凝土表面温度较稳定，因此顶板内外表面温度差逐渐增加，当温度差超过一定限值时，混凝土温度自应力超过混凝

5、土抗拉能力导致开裂。 2) 约束作用: 浇筑箱梁顶板时，型腹板已达到足够的强度，刚度大，基本上完成了水泥的热耗散过程。腹板间距较小(3.4m) ，约束作用大，限制了箱梁顶板混凝土散热收缩过程，混凝土易因收缩应力而拉裂。随着温度的变化和裂纹尖端应力的集中，裂缝会迅速向前发展。因此右幅箱梁顶板裂缝特征为顶板与腹板结合处开始发育 3) 收缩作用:右幅箱梁浇筑时间从晚上22 点至次日8 点，浇筑顺序为两端向中间浇筑，养护时气温变化从20 到30 。因此箱梁顶板两端混凝土在气温升高时 已完成终凝，受水份蒸发影响较小，裂缝较少；中间部分混凝土受水份蒸发影响较大，裂缝较密集。,结论： 小箱梁浇筑不属于大体积

6、混凝土施工，施工方案制定时易忽略其水化热影响，从而导致混凝土水化热产生的温度影响占主导因素，其它因素相互耦合而开裂。因此薄壁小箱梁浇筑时建议如下: 加强箱室内通风；降低混凝土入模温度；水泥过熟化期后再使用以降低水泥水化热。,5.连续刚构箱梁桥腹板开裂原因分析(东北林业大学),裂缝特征： 该桥腹板斜裂缝基本对称于跨中，边跨斜裂缝主要集中在8L/3531L/35之间，次边跨斜裂缝主要集中在距边墩1.6mL/4之间，中跨斜裂缝主要集中在2L/9L/2之间，裂缝长度8106cm，宽度0.080.29mm，裂缝基本沿着主拉应力方向。 总体来讲，就T构的斜裂缝而言，腹板厚度0.55m的箱梁段在有下弯束提供

7、预剪力的梁段（5#块以前）没有斜裂缝，取消下弯束的，均产生了较严重的斜裂缝；在腹板厚度为0.4m的梁段大部分均产生了较严重的斜裂缝，这些裂缝表现为明显的主拉应力开裂的特征，即主梁抗剪不足，典型腹板斜裂缝见图3。,5.连续刚构箱梁桥腹板开裂原因分析(东北林业大学),裂缝成因分析： 1) 纵向预应力损失：大跨度连续刚构箱梁桥在纵桥向一般将梁高设计为按高次抛物线变化，而在实际施工中通常采用分段悬臂现浇施工，设计的线形变化实际上是由多个直线段组成，同时主梁须经历预抛高、张拉预应力钢束、合龙等施工过程，因此预应力管道很不平顺，管道摩阻偏大，致使部分截面有效预应力不足；另外，混凝土的收缩、徐变等因素会进一

8、步降低预应力钢束的有效预应力从而降低腹板的抗剪承载能力。 2) 竖向预应力损失：该桥的纵向预应力布置情况为：除了0#4# 采用下弯束外，其余梁段均无下弯束，由于下弯束可以有效地减小主拉应力，而无下弯钢束的梁段，主拉应力则 主要依靠竖向预应力来克服，如果竖向预应力损失过大，腹板的主拉应力将超过文献规定的限值，有可能出现斜裂缝。 实际施工中竖向预应力损失为25%左右，各控制截面已经 非常接近甚至超过了容许值，很可能出现裂缝。 3) 活载超载,6.悬浇箱梁底板崩裂原因分析及预防措施(杭州市交通工程安全质量监督局),裂缝特征： 当中跨合龙后，底板束张拉到最短束时，位于中跨跨中附近的底板混凝土发生崩裂现

9、象，裂缝长度约为1.2m，宽度约为34mm，深度约100mm。局部位置底板外侧混凝土崩碎，混凝土的破坏形态为抗拉和抗剪破坏，钢筋发生向下变形，预应力管道变形破裂，底板内侧的混凝土未发现裂缝。,6.悬浇箱梁底板崩裂原因分析及预防措施(杭州市交通工程安全质量监督局),裂缝成因分析及结论： 管道的定位误差，造成预应力束波浪形布置，产生径向力远远大于原设计的径向力，对底板的局部应力影响很大;因此，必须严格将预应力管道的竖向定位误差控制在士1cm以内。 抵抗预应力径向力的最好方法是底板防崩钢筋的设置。一般情况下， 如果采用d8的防崩钢筋， 间距须小于40cm，在跨中附近， 间距须加密到20cm，或者采用

10、d10的防崩钢筋， 间距不小于30cm。遇特殊情况， 也可采用公式计算。 底板混凝土强度、底板厚度等对抵抗预应力束径向力有一定的影响， 预应力束最小间距设置及分批张拉对预防底板混凝土崩裂也有好处,7.大跨径连续刚构桥0#块施工过程中裂缝成因浅析(陕西高速公路工程试验检测有限公司),7.大跨径连续刚构桥0#块施工过程中裂缝成因浅析(陕西高速公路工程试验检测有限公司),裂缝成因分析及结论： 引起大桥0#块裂缝的原因: 设计已经多方论证，无缺陷；原材料、配合比、混凝土强度均经过试验，属于合格产品；施工工艺及养护符合相关规范要求;施工期间天气为小雨1725 ，温度稳定。目前能引起0#块裂缝的因素主要有

11、: 自重、墩顶对箱梁的位移约束、混凝土水化热3个因素。 通过有限元计算，在混凝土凝固初期(20h) ，腹板表面温度比内部温度要低，内部会产生膨胀，导致腹板产生拉应力。底板与腹板交界处主拉应力最大，底板与桥墩顶部接触，腹板外模板与外界空气接触，由于两部分之间所处环境不同，对流情况差别也较大，因此在底板与腹板交界处温度虽然并不是最高，但温差较大，直接导致此处主拉应力过大，有产生裂缝的可能。结合目前的裂缝调查结果分析，开裂首先出现在箱梁底板和腹板内侧交界位置，裂缝产生后，裂缝的扩展方向将沿刚度较小的腹板向上延伸，导致了目前的3条裂缝。 此外，墩身混凝土和0#块混凝土浇注相隔时间过长也是引起裂缝的原因

12、之一。0#块与墩身混凝土浇注时间间隔均为60 天左右，墩身混凝土的收缩先期基本完成，而0#块混凝土浇注后，开始收缩，这种收缩受到墩身接触面( 约束面) 的约束，在0#块内产生拉应力，导致开裂，即基岩约束效应。,8.现浇预应力混凝土箱梁后浇段施工缝开裂分析(陕西省通宇公路研究所有限公司),8.现浇预应力混凝土箱梁后浇段施工缝开裂分析(陕西省通宇公路研究所有限公司),裂缝特征： 该立交桥建成通车一年后，新建铁路线要通过该立交桥位，与该匝道桥桥墩位置相冲突，需要对该匝道桥进行改建。为保证施工安全，采用MIDAS FEA 对上部结构建立整体实体模型进行计算，验算整个结构及顶升部位局部的承载能力及安全性

13、。在查看计算结果时，意外发现梁端后浇段附近施工缝处正截面应力、主拉应力及剪应力均严重超出混凝土所能承受的应力。 在进行该桥改造施工时，发现主梁梁端后浇段施工缝处有裂缝存在，且裂缝宽度较大。经现场调查，除本匝道桥外，该立交内其余采用后浇段施工方法的箱梁，施工缝处均有裂缝出现，表明该问题的出现并非偶然。后来在某市政桥梁的检测中，也发现了大批采用该施工方法现浇的箱梁施工缝处均有开裂的现象，最大裂缝宽度宽达2mm5mm。主梁梁端后浇段施工缝处裂缝见图7，图8。,8.现浇预应力混凝土箱梁后浇段施工缝开裂分析(陕西省通宇公路研究所有限公司),裂缝成因及结论： 设计时仅采用杆单元及梁格法计算，计算截面应力均

14、为平均应力，与实体单元计算有一定的误差。 在施工缝两侧的正应力，出现了一侧为拉应力，另一侧为压应力，使得施工缝早期开裂。 施工缝开裂具有必然性，要求设计上增加大梁端头段必要预应力索的配置。 合理选取施工缝位置值得研究，设计上对施工缝的选取宜离开正拉、主拉应力较大的区域。 现实桥施工缝的开裂属破坏性裂缝，影响结构的安全和耐久性，需要根据各实桥特征进行具体研究,9.现浇空心板梁桥梁底纵向开裂分析与加固(机械工业第三设计研究院),裂缝特征： 通过检测发现该桥上部结构普遍存在沿板孔底部薄弱截面处纵向裂缝，裂缝间距约670mm(与板孔间距相符合），裂缝宽度0.050.25 mm，部分裂缝渗水。,9.现浇

15、空心板梁桥梁底纵向开裂分析与加固(机械工业第三设计研究院),裂缝成因分析及结论： 通过检测发现该桥上部结构普遍存在沿板孔底部薄弱截面处纵向裂缝，裂缝间距约670mm(与板孔间距相符合），裂缝宽度0.050.25mm，部分裂缝渗水。 通过查阅桥竣工图，该桥空心板梁横向钢筋配置为10200，空腔处配筋率为0.26%，满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中对构件最小配筋率的要求。经验算该桥空腔处横向抗弯承载力为41.40kNm，裂缝宽度验算结果为0.337mm。其截面抗弯承载力及裂缝宽度均不满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范的要求。 计算结果与桥梁检测报告中所描述的裂缝位置相符，说

16、明本文采用的有限元分析模型和方法是正确可靠的。 该桥空心板梁底部纵向开裂的原因是由于该桥横向受力特征明显，而设计时仅按规范规定的最小配筋率进行配筋，未对构件横向受力进行分析及验算。,10.预应力混凝土曲线梁桥支座病害成因分析(广东省深圳市建筑工务署),10.预应力混凝土曲线梁桥支座病害成因分析(广东省深圳市建筑工务署),曲线梁支座常见病害及分析:,(1) 支座脱空 从曲线梁桥的运营现状来看，曲线梁内侧支座，特别是边墩内侧支座脱空是其典型病害之一，在主梁的架设、运营及拆除过程中均有可能发生。曲线梁内外侧支座反力不一致，且随着结构运营不断变化，支座可能由反力较小状态逐渐发展为局部脱空、整体脱空。

17、曲线梁支座脱空主要由施工工序不当或设计缺陷引起，从根本上说是由于对结构施工及运营期间的扭转荷载未引起重视或估计不足。,(2) 支座横向限位不当 采用板式橡胶支座的曲线梁，若不设横向限位装置将发生明显的横向位移，结构整体呈“漂浮”状态，并在梁端伸缩缝处呈明显竖向高差，造成“跳车”，且板式橡胶支座在往复荷载作用下极易发生破坏。 若板式橡胶支座设挡块( 通常为混凝土构件) ，挡块在曲线梁径向力作用下也极易发生破坏。 若采用具有横向限位的盆式橡胶支座，支座限位钢板亦将顶紧，使得主梁及墩柱产生约束内力，严重时将导致混凝土结构开裂; 当结构平面内变位较大时，即使是盆式橡胶支座也可能因构件局部承压过大而发生

18、如四氟滑板滑脱、橡胶体由钢盆脱出等形式的破坏。,11.铰缝破坏对装配式空心板桥荷载横向分布影响的分析(同济大学桥梁工程系),装配式板桥主要通过铰缝中竖向剪力来实现车辆的横向分配。 早期的装配式板桥设计所采用的铰缝尺寸较小，在强度与刚度方面，小铰缝都无法满足荷载反复作用下的变形和受力要求。 随着交通流量和车载重量的增加，空心板铰缝常会出现破坏，严重时会导致单板受力现象。 铰缝弹性模量折减到千分之一时，主板跨中截面正应力变化不大；继续折减时，正应力迅速增大，铰缝两侧主板错位迅速增大。,11.铰缝破坏对装配式空心板桥荷载横向分布影响的分析(同济大学桥梁工程系),12.浅谈膨胀土对桥梁的危害(陕西通宇

19、公路研究所有限公司),病害情况： 该桥养护人员巡查中发现该桥3#、4#、5#盖梁向下游严重偏移，且部分桥墩盖梁、墩柱、横系梁出现明显开裂现象。,土对桥墩的水平作用力： 考虑到在4#桥墩下游侧的新填土基本为虚土，上游侧新填土的密实度远远大于下游侧新填土的密实度，所以假定填土仅对桥墩上游柱的上游侧有水平土压力；再加该地区土质基本以膨胀土为主。综合以上两个因素，最后假定土对桥墩的水平作用力就只包括土压力和土的膨胀力。,12.浅谈膨胀土对桥梁的危害(陕西通宇公路研究所有限公司),结论： 把土压力按实际位置和高度作用在桥墩上后，经计算4#墩发生的最大位移为318.4mm；计算得出4#墩最大拉应力和最大压

20、应力均超过混凝土标准值，直接导致混凝土被拉裂和压碎，混凝土开裂的位置与现场调查的位置也基本吻合；4#墩部分位置的钢筋被屈服。 计算结果与实际情况基本吻合，由此可以判断出4#桥墩主要受新填土的作用才发生变形。 膨胀土是影响道路及其它构造物建设的一种特殊土质，在实际工程中，其破坏力是巨大的。解决膨胀土的问题，应着重从影响其物理力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑，从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。在实际工程施工中，对膨胀土合理的处理对施工工程质量起着至关重要的作用。,箱梁被砸击损伤 损伤前后比较分析 火灾影响分析,2. 损伤检测及分析,1.预应力混凝土箱梁砸击后损伤检测与仿真分析(常州市市

21、政管理处),损伤情况： 2012 年12 月22 日上午11 时左右，常州某大桥引桥第五联附近打桩机倒塌，桥梁受到撞击多处受损。 砸击事故造成引桥桥面铺装与箱梁顶板面积约（1.51.5）m2 的区域直接被砸穿，箱梁顶板3根纵向、3根横向预应力钢筋被砸外露且局部下凹变形，主筋被砸弯。有2个箱室顶板混凝土受冲击破碎、劈裂、脱空，腹板与顶板交接处纵向开裂，腹板混凝土产生5条斜向裂缝。纵向预应力筋锚固齿板混凝土在顶板连接处破碎，钢筋露出。,1.预应力混凝土箱梁砸击后损伤检测与仿真分析(常州市市政管理处),1.预应力混凝土箱梁砸击后损伤检测与仿真分析(常州市市政管理处),C、D、E 箱室检查结果表明：箱

22、室内混凝土顶、底、腹板混凝土基本完好，未发现劈裂、破碎区域。,1.预应力混凝土箱梁砸击后损伤检测与仿真分析(常州市市政管理处),此次计算分析取倒塌的打桩机重量6 t，动荷系数约200。砸击荷载采用面荷载模拟，作用面积约（1.51.5）m2。,结论： 在假定的砸击荷载作用下，箱梁顶板理论受损区域大于实测受损区域，大致在(5.57.0)m2 左右，顶板理论受损区域如图10 所示。 受砸区同一箱室内边、中腹板应力水平较大，其他箱室内腹板应力水平相对较小。其中，受砸击影响最显著部位位于中腹板与顶板交接区域，大致在(4.00.5)m2左右。 底板受砸击影响最显著部位位于边、中腹板交接区域，均在(1.51

23、.5)m2 左右。受损区域中心纵向位置与砸击区域相同。,2.基于损伤梁桥在控制荷载作用下的有限元分析(吉林省白城市公路管理处),主要病害： 1/4L、1/2L处有受力裂缝，3号4号主梁之间微弯板处有纵向裂缝，在桥下底部观测时发现行车作用下主梁变形过大。,损伤模拟简化方法： 将梁底相应位置处节点分割，以期实现主梁横向裂缝处损伤位置)、3号4号梁微弯板间的纵向裂缝。,3.地铁发生火灾时的耐火性能分析(韩国OO地铁),发生火灾1小时后温度沿板厚的分布,加腋处应力变化,空心板梁桥荷载试验 曲线箱梁匝道桥荷载试验,3. 荷载试验,1.某斜交空心板梁桥荷载试验空间效应分析(佛山市路桥建设有限公司),从表1

24、可以看出，按斜交板计算的校验系数为0.8810.936(偏载侧1#梁4#梁)，而按正交板计算的校验系数为0.7240.737，这是由于斜交梁桥弯扭耦合，导致了跨中弯矩折减，故按正交梁桥计算的应变理论值偏大。 从图5可以看出，按斜交计算的理论应变与实测应变的变化情况相吻合，斜交板计算模型比正交板计算模型更贴近实际情况。,1.某斜交空心板梁桥荷载试验空间效应分析(佛山市路桥建设有限公司),从表2可以看出，按斜交板计算的校验系数为0.6270.692(偏载侧1# 梁4# 梁)，而按正交板计算的校验系数为0.4890.554，这是由于斜交梁桥弯扭耦合，导致了跨中弯矩折减，故按正交梁桥计算的位移理论值偏

25、大。从图6可以看出，按斜交计算的理论位移与实测位移的变化情况相吻合，斜交板计算模型比正交板计算模型更贴近实际情况。 从表3 可以看出，实测1 阶竖弯振动频率为6.413Hz，按斜交板计算的理论值为6.024Hz，而按正交板计算的理论值为5.386Hz，按斜交计算的1阶频率更符合实际情况。虽然24阶频率的斜交计算值与正交计算值相差不大，但它们的振动模态有所不同。,2.小半径曲线箱梁独柱墩匝道桥荷载试验研究(安徽省公路工程检测中心),2.小半径曲线箱梁独柱墩匝道桥荷载试验研究(安徽省公路工程检测中心),2.小半径曲线箱梁独柱墩匝道桥荷载试验研究(安徽省公路工程检测中心),2.小半径曲线箱梁独柱墩匝

26、道桥荷载试验研究(安徽省公路工程检测中心),结论： 从支座反力计算结果来看，在边跨内外偏载作用下，边跨过渡墩支座反力较大，最大值超过自重作用下的支座反力，说明车辆荷载在边跨偏载作用下，产生的扭矩较大。 内偏载作用下，中墩内外侧侧向位移预偏载为25cm时为最小值；外偏载作用时，中墩内外侧侧向位移预偏载为35cm 时为最小值，设计预偏载对内偏载较为有利。 从实测结果来看，边跨无论在内偏载还是外偏载作用下实测内外侧应变比和内外侧位移之和均大于中跨。 从内偏载和外偏载的内外侧位移之和来看，内偏载均大于外偏载，说明结构的主要控制扭矩在内偏载，从测试值均小于理论值看，结构抗扭性能较好。 扭转荷载作用下，产

27、生的应变值、位移之和、侧向位移均小于内外偏载作用下的对应值。 从支座预偏载来看，考虑该桥的内偏载作用下，产生的效应较大，设计采用25cm的预偏载对减小独柱墩的侧向位移较为有利。,应变测量技术,4. 测量技术,1.工程试验检测中应变测量技术方法的试验研究(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院),电阻应变计,断面图(见图)中为电阻应变片测点位置，断面图中中为数码应变传感器测点位置。 通过对一试验梁采用两种不同的应变测试仪器进行应变测试，从而对应变（应力）测试方法中应该注意的问题提出建议，并分析两种应变测试仪器的优劣与理论计算的差异。,1.工程试验检测中应变测量技术方法的试验研究(广西壮族自治区交通

28、规划勘察设计研究院),1.工程试验检测中应变测量技术方法的试验研究(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院),1.工程试验检测中应变测量技术方法的试验研究(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院),结论： 对于电阻应变计与磁性应变传感两种应变测量设备来说，建议采用磁性应变传感器，由于电阻应变计受到环境的影响较大，尤其是受到大气中的温度影响极大，而磁性应变传感器完全不受到大气温度的限制。 在工程试验检测中时常会出现对钢筋应力测点失效的情况。此时，可采用本文所介绍的方式，由实测的混凝土应变值通过分布函数推算出该失效测点的钢筋应变值。 在对大型复杂桥梁进行应变测试时，建议采用磁性传感器对应变数据进行采集

29、，由于此测试元件对环境要求不高，且目前已能做到无线传输的功能，为桥梁荷载试验过程中的数据传输层提供了极大的便利，也减轻了大量人力，提高了试验效率。,支架预埋件部位细部分析 脚手架节点细部分析 塔柱施工支撑系统分析 钢围堰施工期受力分析 钢梁浇筑沥青时对钢梁的影响分析,3. 施工设备安全分析,1. 0号块托架的模块化设计(中铁四局集团有限公司设计研究院),结论： 对桥墩中预留孔洞后插入钢箱构件用MIDAS/FEA进行实体结构的细部建模，并进行应力计算承插部位的细部结构最大Von Mises 应力为125.9MPa，小于结构允许应力，结构满足设计要求。,2.桥梁施工中碗扣式脚手架节点受力性能分析(中铁