橋梁荷載試驗(yàn)車輛自動(dòng)化布載程序?qū)Ρ确治?/h1>
2021-03-17 09:53劉旭政湯仲訓(xùn)賈麗華
劉旭政,湯仲訓(xùn),賈麗華,王 鵬
(1.華東交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013;2.華東交通大學(xué)土木工程國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,江西 南昌 330013;3.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司,浙江 杭州 310017;4.廣深鐵路股份有限公司廣州南高鐵工務(wù)段,廣東 廣州 511400)
橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間由于自然環(huán)境、材料劣化、施工缺陷、超載等不利因素的影響,結(jié)構(gòu)的安全性和承載能力都會(huì)受到一定的影響[1]。橋梁荷載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)承載力最直接有效的方式之一[2-6]。傳統(tǒng)的橋梁荷載試驗(yàn)車輛布載方案存在計(jì)算繁瑣、耗時(shí)較長以及加載方案優(yōu)化的問題。一些學(xué)者對(duì)于橋梁荷載試驗(yàn)車輛的自動(dòng)化布載開展了相關(guān)研究,取得了一些研究成果。彭俊杰等[7]分析研究了橋梁靜載試驗(yàn)加載方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,對(duì)橋梁檢測(cè)中的加載方案選擇提出了一些思路和方法,并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。石永燕等[8]根據(jù)連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)證明了車輛加載方程實(shí)根的存在,實(shí)現(xiàn)了車輛自動(dòng)化快速布載系統(tǒng)。劉思孟等[9]在現(xiàn)有荷載試驗(yàn)布載方法的基礎(chǔ)上提出了一種彎矩控制并又考慮撓度效率的荷載試驗(yàn)布載方法。呂毅剛[10]基于Visual C++語言,針對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)橫向分配系數(shù)開發(fā)了橋梁荷載試驗(yàn)橫向分布自動(dòng)計(jì)算軟件,能方便的給定加載車輛位置并求出各個(gè)主梁的橫向分配系數(shù)。還有部分學(xué)者[11-13]運(yùn)用C++Builder、VBA等計(jì)算機(jī)編程語言,結(jié)合荷載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況編制了一些車輛自動(dòng)化布載程序。這些自動(dòng)化程序大多數(shù)沒有考慮非控制截面加載效率超標(biāo)的問題,少數(shù)學(xué)者[14]通過控制車輛縱向間距的大小來簡單考慮。目前對(duì)于橋梁在試驗(yàn)過程中非控制截面加載效率存在超標(biāo)的問題研究不深入,且對(duì)最優(yōu)加載方案的選擇問題研究較少。課題組對(duì)于這一問題進(jìn)行了持續(xù)深入研究,黃曉鶴[15]對(duì)索吊橋梁靜載試驗(yàn)時(shí)的安全布載問題展開研究,并對(duì)幾類典型的大跨度索吊橋梁的敏感工況的加載方式提出了改進(jìn)的布載方案。趙軍[16]分析確定了敏感工況的加載超標(biāo)問題,基于MATLAB軟件編寫了車輛安全自動(dòng)加載程序。王鵬[17]采用Python語言編制了索吊橋梁荷載試驗(yàn)自動(dòng)化安全布載程序,并選用梁拱組合橋和懸索橋驗(yàn)證了程序的可行性。
基于上述研究分析,筆者首先介紹了課題組開發(fā)完成的CSBVL程序的編制原理及流程,并以一座計(jì)算跨徑為100 m系桿拱橋?yàn)槔?分別采用CSBVL程序與某商業(yè)軟件的試驗(yàn)自動(dòng)化加載模塊對(duì)荷載試驗(yàn)車輛布置方案進(jìn)行了自動(dòng)化計(jì)算,并從軟件計(jì)算效率、非控制截面加載效率和布載結(jié)果優(yōu)化多個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要參考意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。
1 CSBVL車輛自動(dòng)化布載程序
針對(duì)車輛布載中存在的手工、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算難度大、耗時(shí)長等問題,本課題組基于Python編程語言編制了車輛自動(dòng)化安全布載程序[17](Cable-Suspender Bridge Testing Vehicle Safety Layout，CSBVL)。CSBVL主要包括四部分功能,分別為試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)項(xiàng)目影響線的輸入、試驗(yàn)工況加載效率計(jì)算及車輛布置方案確定、計(jì)算結(jié)果顯示。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[18]中對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)荷載效率的規(guī)定,確保最終計(jì)算結(jié)果能夠滿足靜載試驗(yàn)安全要求。
CSBVL計(jì)算前首先要對(duì)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,包括橋梁的影響線文件以及目標(biāo)工況截面的活載效應(yīng)值等。參數(shù)設(shè)定完成后,程序可自動(dòng)計(jì)算出滿足荷載試驗(yàn)規(guī)范要求的車輛加載位置,并確定最優(yōu)試驗(yàn)車輛。最后程序列出最優(yōu)車輛布載方案的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果以及車輛位置布置圖。程序算法流程圖如圖1所示。
圖1 CSBVL程序流程圖Fig.1 Flow chart of CSBVL program
橋梁靜載試驗(yàn)布載方案的確定需要綜合考慮其安全性和經(jīng)濟(jì)性,橋梁結(jié)構(gòu)類型以及跨徑等因素的差異也對(duì)布載方案中試驗(yàn)車輛軸重、間距的選擇有影響。CSBVL程序通過引入“性價(jià)比法”[17]對(duì)布載方案中不同試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果進(jìn)行匯總評(píng)分比較,確定性價(jià)比最高的試驗(yàn)車輛類型。布載方案中試驗(yàn)車輛的匯總評(píng)分見式(1)、(2)。
(1)
(2)
式中:N為試驗(yàn)車輛總數(shù)量;R為試驗(yàn)車輛布置排數(shù);η為試驗(yàn)加載效率;Ci為單個(gè)工況評(píng)分;C為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛匯總評(píng)分。
依照每一噸軸重所能產(chǎn)生的效率最高,通過將不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛的匯總評(píng)分采用內(nèi)插法歸一化處理為[60,100]內(nèi)的換算評(píng)分,建立性價(jià)比得分計(jì)算公式(3),計(jì)算其性價(jià)比得分,最終選出性價(jià)比最高的試驗(yàn)車輛重量。經(jīng)上述公式的評(píng)比,可確定出最優(yōu)的試驗(yàn)車輛重量,并給出安全性、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的布載方案。
(3)
式中:V為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛性價(jià)比得分;H為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛換算評(píng)分;M為試驗(yàn)車輛總質(zhì)量。
2 工程背景
2.1 工程概況
筆者選取一座計(jì)算跨徑100 m的系桿拱橋荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為研究對(duì)象。該橋拱軸線為二次拋物線,矢跨比為1/5,矢高20 m。拱肋采用啞鈴型鋼管砼,截面高2.6 m。全橋共設(shè)置吊桿18對(duì),間距5.1 m。全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)行車速度80 km /h,設(shè)計(jì)荷載為公路-Ι級(jí)。該橋總體布置圖見圖2所示。
圖2 橋梁總體布置圖Fig.2 Bridge general layout
2.2 有限元模型
采用Midas/Civil2019建立本橋的有限元計(jì)算分析模型。主拱采用啞鈴型截面,使用施工聯(lián)合截面進(jìn)行模擬,混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C50,鋼管材料采用Q345鋼。橫梁、系梁均采用梁單元模擬,吊桿采用桁架單元模擬,單根拱肋設(shè)置18根剛性吊桿。吊桿下端與系梁共用節(jié)點(diǎn),兩端拱腳處采用一般支撐的約束形式模擬。全橋模型共劃分458個(gè)節(jié)點(diǎn),758個(gè)單元。有限元計(jì)算分析模型如圖3所示。
圖3 有限元計(jì)算分析模型Fig.3 Finite element model
2.3 荷載試驗(yàn)工況
橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)按照橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確立試驗(yàn)工況和測(cè)試截面[19]。對(duì)于組合體系橋梁,依據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和荷載試驗(yàn)規(guī)程確定試驗(yàn)工況及相應(yīng)的測(cè)試截面，該系桿拱橋確定的試驗(yàn)加載工況詳見表1。
表1 試驗(yàn)加載工況及活載效應(yīng)值
3 自動(dòng)化布載計(jì)算及結(jié)果對(duì)比分析
3.1 CSBVL和某商業(yè)布載軟件的參數(shù)設(shè)定
使用荷載試驗(yàn)車輛自動(dòng)化布載程序進(jìn)行計(jì)算首先要對(duì)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。CSBVL需對(duì)控制截面以及非控制截面活載效應(yīng)值、橋梁基本參數(shù)、車輛類型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;同時(shí)還應(yīng)輸入車輛軸間距、車輪距,程序?qū)⒆詣?dòng)生成總軸質(zhì)量分別為30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7種常用試驗(yàn)車輛類型;此外,還需設(shè)置橋長、橋?qū)捯约皹蛎娣指纛愋蛥?shù)用于車輛位置布置圖的繪制。某商業(yè)軟件通過有限元模型的導(dǎo)入,需要對(duì)試驗(yàn)車輛類型、相鄰車輛最小縱向間距、車輛移動(dòng)步長、試驗(yàn)荷載效率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。兩種布載軟件試驗(yàn)車輛均采用三軸車[20],車軸間距為4 m+1.4 m,相鄰車輛最小縱向間距為4 m(前車后軸與后車前軸間距),車輛移動(dòng)步長為1 m,目標(biāo)試驗(yàn)荷載效率取值0.85～1.05。程序參數(shù)設(shè)定界面如圖4、圖5所示。
圖4 CSBVL參數(shù)設(shè)定界面Fig.4 Parameter setting interface of CSBVL
圖5 商業(yè)軟件參數(shù)設(shè)定界面Fig.5 Parameter setting interface of commercial software
3.2 計(jì)算結(jié)果及效率對(duì)比
筆者對(duì)某座系桿拱橋進(jìn)行自動(dòng)布載計(jì)算分析,CSBVL分別取質(zhì)量為30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7種試驗(yàn)車輛對(duì)大橋的5個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。商業(yè)布載軟件單次只能計(jì)算1種重量的試驗(yàn)車輛,因篇幅所限,筆者展示了兩種布載軟件采用40 t試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果,如表2所示。
表2 兩種布載軟件對(duì)40 t車輛的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of 40 t vehicle by two deployment software
根據(jù)表中布載結(jié)果,所有工況控制截面的試驗(yàn)荷載效率均在0.85～1.05,符合規(guī)范要求,CSBVL和商業(yè)布載軟件完成所有工況試驗(yàn)均需要5輛40 t車。兩種布載軟件均可根據(jù)布載結(jié)果輸出車輛布載示意圖,以工況4為例,依據(jù)吊桿彎矩影響線,在中載工況下CSBVL需要5輛車,商業(yè)布載軟件需要5輛車。加載車輛布置示意如圖6所示。
商業(yè)布載軟件單次計(jì)算只能考慮1種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛,同時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入試驗(yàn)車輛的數(shù)量進(jìn)行試算,計(jì)算過程繁瑣、復(fù)雜。而CSBVL能夠進(jìn)行同時(shí)計(jì)算多種車輛質(zhì)量的試驗(yàn),并根據(jù)輸入的試驗(yàn)荷載效率直接算出所需的試驗(yàn)車輛數(shù)量,大大提高了計(jì)算效率。
3.3 非控制截面的荷載效率對(duì)比
索吊橋梁在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)該在滿足工況控制截面的荷載效率的同時(shí),保證非控制截面的荷載效率不超標(biāo)。本橋中以典型工況(吊桿最大拉力增量)的中載為例,考察非控制截面的荷載效率的超標(biāo)問題?？刂平孛鏋榈鯒U188#單元,非控制截面為188#單元影響線最大值附近的主拱(208#單元)、吊桿(187#單元)和主梁(160#、159#單元)截面。根據(jù)布載結(jié)果,兩種程序計(jì)算出的布載方式中非控制截面的荷載效率如圖7所示。
圖6 車輛布載示意圖Fig.6 Schematic diagram of vehicle layout
圖7 非控制截面試驗(yàn)荷載效率Fig.7 Non-critical cross-sections test load efficiency
根據(jù)非控制截面試驗(yàn)荷載效率結(jié)果,CSBVL的布載結(jié)果中非控制截面的荷載效率均小于1.05,分別為0.86,0.99,1.03和1.03。而商業(yè)軟件布載結(jié)果中共有3個(gè)非控制截面的荷載效率超出1.05,分別為1.07,1.13和1.14,超出各自安全荷載效率1.9%,7.6%和8.6%。因此,CSBVL可以保證非控制截面的荷載效率滿足安全要求,而商業(yè)軟件則無法保證非控制截面的荷載效率不超標(biāo)。
3.4 車輛自動(dòng)布載優(yōu)化對(duì)比
靜載試驗(yàn)方案中最佳試驗(yàn)車輛的質(zhì)量應(yīng)通過評(píng)比方法來確定。文中商業(yè)布載軟件對(duì)于布載結(jié)果不具備優(yōu)化評(píng)比功能。CSBVL對(duì)布載結(jié)果中不同重量的試驗(yàn)車輛進(jìn)行匯總評(píng)分比較。因篇幅所限,僅展示工況1計(jì)算結(jié)果,表3為工況1在不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛所對(duì)應(yīng)的計(jì)算評(píng)分。
根據(jù)“性價(jià)比法”分析,將CSBVL對(duì)各試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果匯總得分歸一化處理為[60,100]內(nèi)的換算評(píng)分,即30 t試驗(yàn)車輛設(shè)成60分,45 t試驗(yàn)車輛設(shè)為100分,其余試驗(yàn)車輛評(píng)分按內(nèi)插法換算,再將換算得分除以試驗(yàn)車輛質(zhì)量,即可得出不同質(zhì)量試驗(yàn)車輛的性價(jià)比值。評(píng)比結(jié)果如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,42 t試驗(yàn)車輛的性價(jià)比評(píng)分是最高的,每噸荷載產(chǎn)生的加載效率最大,因此，42 t試驗(yàn)車輛為最優(yōu)荷載類型。
表3 工況1對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛的評(píng)分表Table 3 Condition 1 corresponds to the score table under different test vehicle weights
表4 試驗(yàn)車輛性價(jià)比評(píng)分表
4 結(jié) 論
(1)在某些試驗(yàn)車輛參數(shù)設(shè)定下,兩種布載程序均能計(jì)算出符合試驗(yàn)規(guī)程的車輛布載方案。商業(yè)布載軟件計(jì)算時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試算,且只能考慮一種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛;而CSBVL能夠同時(shí)計(jì)算多種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛,自動(dòng)化程度更高。
(2)CSBVL布載結(jié)果中非控制截面的試驗(yàn)荷載效率均小于1.05;而商業(yè)布載軟件在某些設(shè)定參數(shù)下,其計(jì)算結(jié)果中存在非控制截面的試驗(yàn)效率超出規(guī)定值的布載形式,危害荷載試驗(yàn)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)安全。
(3)在此算例中,CSBVL采用“性價(jià)比法”分析確定布載方案中42 t試驗(yàn)車輛為性價(jià)比最優(yōu)的試驗(yàn)車輛;商業(yè)布載軟件對(duì)于布載結(jié)果沒有優(yōu)化分析功能。
(4)CSBVL具有操作便捷、計(jì)算快速以及多種試驗(yàn)車輛同步計(jì)算的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能兼顧布載方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性,可以廣泛應(yīng)用于各類橋梁的荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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基于上述研究分析,筆者首先介紹了課題組開發(fā)完成的CSBVL程序的編制原理及流程,并以一座計(jì)算跨徑為100 m系桿拱橋?yàn)槔?分別采用CSBVL程序與某商業(yè)軟件的試驗(yàn)自動(dòng)化加載模塊對(duì)荷載試驗(yàn)車輛布置方案進(jìn)行了自動(dòng)化計(jì)算,并從軟件計(jì)算效率、非控制截面加載效率和布載結(jié)果優(yōu)化多個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要參考意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。
1 CSBVL車輛自動(dòng)化布載程序
針對(duì)車輛布載中存在的手工、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算難度大、耗時(shí)長等問題,本課題組基于Python編程語言編制了車輛自動(dòng)化安全布載程序[17](Cable-Suspender Bridge Testing Vehicle Safety Layout，CSBVL)。CSBVL主要包括四部分功能,分別為試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)項(xiàng)目影響線的輸入、試驗(yàn)工況加載效率計(jì)算及車輛布置方案確定、計(jì)算結(jié)果顯示。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[18]中對(duì)橋梁靜載試驗(yàn)荷載效率的規(guī)定,確保最終計(jì)算結(jié)果能夠滿足靜載試驗(yàn)安全要求。
CSBVL計(jì)算前首先要對(duì)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,包括橋梁的影響線文件以及目標(biāo)工況截面的活載效應(yīng)值等。參數(shù)設(shè)定完成后,程序可自動(dòng)計(jì)算出滿足荷載試驗(yàn)規(guī)范要求的車輛加載位置,并確定最優(yōu)試驗(yàn)車輛。最后程序列出最優(yōu)車輛布載方案的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果以及車輛位置布置圖。程序算法流程圖如圖1所示。
圖1 CSBVL程序流程圖Fig.1 Flow chart of CSBVL program
橋梁靜載試驗(yàn)布載方案的確定需要綜合考慮其安全性和經(jīng)濟(jì)性,橋梁結(jié)構(gòu)類型以及跨徑等因素的差異也對(duì)布載方案中試驗(yàn)車輛軸重、間距的選擇有影響。CSBVL程序通過引入“性價(jià)比法”[17]對(duì)布載方案中不同試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果進(jìn)行匯總評(píng)分比較,確定性價(jià)比最高的試驗(yàn)車輛類型。布載方案中試驗(yàn)車輛的匯總評(píng)分見式(1)、(2)。
(1)
(2)
式中:N為試驗(yàn)車輛總數(shù)量;R為試驗(yàn)車輛布置排數(shù);η為試驗(yàn)加載效率;Ci為單個(gè)工況評(píng)分;C為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛匯總評(píng)分。
依照每一噸軸重所能產(chǎn)生的效率最高,通過將不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛的匯總評(píng)分采用內(nèi)插法歸一化處理為[60,100]內(nèi)的換算評(píng)分,建立性價(jià)比得分計(jì)算公式(3),計(jì)算其性價(jià)比得分,最終選出性價(jià)比最高的試驗(yàn)車輛重量。經(jīng)上述公式的評(píng)比,可確定出最優(yōu)的試驗(yàn)車輛重量,并給出安全性、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的布載方案。
(3)
式中:V為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛性價(jià)比得分;H為某一質(zhì)量的試驗(yàn)車輛換算評(píng)分;M為試驗(yàn)車輛總質(zhì)量。
2 工程背景
2.1 工程概況
筆者選取一座計(jì)算跨徑100 m的系桿拱橋荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為研究對(duì)象。該橋拱軸線為二次拋物線,矢跨比為1/5,矢高20 m。拱肋采用啞鈴型鋼管砼,截面高2.6 m。全橋共設(shè)置吊桿18對(duì),間距5.1 m。全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)行車速度80 km /h,設(shè)計(jì)荷載為公路-Ι級(jí)。該橋總體布置圖見圖2所示。
圖2 橋梁總體布置圖Fig.2 Bridge general layout
2.2 有限元模型
采用Midas/Civil2019建立本橋的有限元計(jì)算分析模型。主拱采用啞鈴型截面,使用施工聯(lián)合截面進(jìn)行模擬,混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C50,鋼管材料采用Q345鋼。橫梁、系梁均采用梁單元模擬,吊桿采用桁架單元模擬,單根拱肋設(shè)置18根剛性吊桿。吊桿下端與系梁共用節(jié)點(diǎn),兩端拱腳處采用一般支撐的約束形式模擬。全橋模型共劃分458個(gè)節(jié)點(diǎn),758個(gè)單元。有限元計(jì)算分析模型如圖3所示。
圖3 有限元計(jì)算分析模型Fig.3 Finite element model
2.3 荷載試驗(yàn)工況
橋梁靜載試驗(yàn)應(yīng)按照橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確立試驗(yàn)工況和測(cè)試截面[19]。對(duì)于組合體系橋梁,依據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和荷載試驗(yàn)規(guī)程確定試驗(yàn)工況及相應(yīng)的測(cè)試截面，該系桿拱橋確定的試驗(yàn)加載工況詳見表1。
表1 試驗(yàn)加載工況及活載效應(yīng)值
3 自動(dòng)化布載計(jì)算及結(jié)果對(duì)比分析
3.1 CSBVL和某商業(yè)布載軟件的參數(shù)設(shè)定
使用荷載試驗(yàn)車輛自動(dòng)化布載程序進(jìn)行計(jì)算首先要對(duì)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。CSBVL需對(duì)控制截面以及非控制截面活載效應(yīng)值、橋梁基本參數(shù)、車輛類型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;同時(shí)還應(yīng)輸入車輛軸間距、車輪距,程序?qū)⒆詣?dòng)生成總軸質(zhì)量分別為30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7種常用試驗(yàn)車輛類型;此外,還需設(shè)置橋長、橋?qū)捯约皹蛎娣指纛愋蛥?shù)用于車輛位置布置圖的繪制。某商業(yè)軟件通過有限元模型的導(dǎo)入,需要對(duì)試驗(yàn)車輛類型、相鄰車輛最小縱向間距、車輛移動(dòng)步長、試驗(yàn)荷載效率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。兩種布載軟件試驗(yàn)車輛均采用三軸車[20],車軸間距為4 m+1.4 m,相鄰車輛最小縱向間距為4 m(前車后軸與后車前軸間距),車輛移動(dòng)步長為1 m,目標(biāo)試驗(yàn)荷載效率取值0.85～1.05。程序參數(shù)設(shè)定界面如圖4、圖5所示。
圖4 CSBVL參數(shù)設(shè)定界面Fig.4 Parameter setting interface of CSBVL
圖5 商業(yè)軟件參數(shù)設(shè)定界面Fig.5 Parameter setting interface of commercial software
3.2 計(jì)算結(jié)果及效率對(duì)比
筆者對(duì)某座系桿拱橋進(jìn)行自動(dòng)布載計(jì)算分析,CSBVL分別取質(zhì)量為30 t、33 t、35 t、37 t、40 t、42 t、45 t共7種試驗(yàn)車輛對(duì)大橋的5個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。商業(yè)布載軟件單次只能計(jì)算1種重量的試驗(yàn)車輛,因篇幅所限,筆者展示了兩種布載軟件采用40 t試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果,如表2所示。
表2 兩種布載軟件對(duì)40 t車輛的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of 40 t vehicle by two deployment software
根據(jù)表中布載結(jié)果,所有工況控制截面的試驗(yàn)荷載效率均在0.85～1.05,符合規(guī)范要求,CSBVL和商業(yè)布載軟件完成所有工況試驗(yàn)均需要5輛40 t車。兩種布載軟件均可根據(jù)布載結(jié)果輸出車輛布載示意圖,以工況4為例,依據(jù)吊桿彎矩影響線,在中載工況下CSBVL需要5輛車,商業(yè)布載軟件需要5輛車。加載車輛布置示意如圖6所示。
商業(yè)布載軟件單次計(jì)算只能考慮1種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛,同時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入試驗(yàn)車輛的數(shù)量進(jìn)行試算,計(jì)算過程繁瑣、復(fù)雜。而CSBVL能夠進(jìn)行同時(shí)計(jì)算多種車輛質(zhì)量的試驗(yàn),并根據(jù)輸入的試驗(yàn)荷載效率直接算出所需的試驗(yàn)車輛數(shù)量,大大提高了計(jì)算效率。
3.3 非控制截面的荷載效率對(duì)比
索吊橋梁在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí),應(yīng)該在滿足工況控制截面的荷載效率的同時(shí),保證非控制截面的荷載效率不超標(biāo)。本橋中以典型工況(吊桿最大拉力增量)的中載為例,考察非控制截面的荷載效率的超標(biāo)問題?？刂平孛鏋榈鯒U188#單元,非控制截面為188#單元影響線最大值附近的主拱(208#單元)、吊桿(187#單元)和主梁(160#、159#單元)截面。根據(jù)布載結(jié)果,兩種程序計(jì)算出的布載方式中非控制截面的荷載效率如圖7所示。
圖6 車輛布載示意圖Fig.6 Schematic diagram of vehicle layout
圖7 非控制截面試驗(yàn)荷載效率Fig.7 Non-critical cross-sections test load efficiency
根據(jù)非控制截面試驗(yàn)荷載效率結(jié)果,CSBVL的布載結(jié)果中非控制截面的荷載效率均小于1.05,分別為0.86,0.99,1.03和1.03。而商業(yè)軟件布載結(jié)果中共有3個(gè)非控制截面的荷載效率超出1.05,分別為1.07,1.13和1.14,超出各自安全荷載效率1.9%,7.6%和8.6%。因此,CSBVL可以保證非控制截面的荷載效率滿足安全要求,而商業(yè)軟件則無法保證非控制截面的荷載效率不超標(biāo)。
3.4 車輛自動(dòng)布載優(yōu)化對(duì)比
靜載試驗(yàn)方案中最佳試驗(yàn)車輛的質(zhì)量應(yīng)通過評(píng)比方法來確定。文中商業(yè)布載軟件對(duì)于布載結(jié)果不具備優(yōu)化評(píng)比功能。CSBVL對(duì)布載結(jié)果中不同重量的試驗(yàn)車輛進(jìn)行匯總評(píng)分比較。因篇幅所限,僅展示工況1計(jì)算結(jié)果,表3為工況1在不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛所對(duì)應(yīng)的計(jì)算評(píng)分。
根據(jù)“性價(jià)比法”分析,將CSBVL對(duì)各試驗(yàn)車輛的布載結(jié)果匯總得分歸一化處理為[60,100]內(nèi)的換算評(píng)分,即30 t試驗(yàn)車輛設(shè)成60分,45 t試驗(yàn)車輛設(shè)為100分,其余試驗(yàn)車輛評(píng)分按內(nèi)插法換算,再將換算得分除以試驗(yàn)車輛質(zhì)量,即可得出不同質(zhì)量試驗(yàn)車輛的性價(jià)比值。評(píng)比結(jié)果如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,42 t試驗(yàn)車輛的性價(jià)比評(píng)分是最高的,每噸荷載產(chǎn)生的加載效率最大,因此，42 t試驗(yàn)車輛為最優(yōu)荷載類型。
表3 工況1對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量的試驗(yàn)車輛的評(píng)分表Table 3 Condition 1 corresponds to the score table under different test vehicle weights
表4 試驗(yàn)車輛性價(jià)比評(píng)分表
4 結(jié) 論
(1)在某些試驗(yàn)車輛參數(shù)設(shè)定下,兩種布載程序均能計(jì)算出符合試驗(yàn)規(guī)程的車輛布載方案。商業(yè)布載軟件計(jì)算時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試算,且只能考慮一種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛;而CSBVL能夠同時(shí)計(jì)算多種質(zhì)量的試驗(yàn)車輛,自動(dòng)化程度更高。
(2)CSBVL布載結(jié)果中非控制截面的試驗(yàn)荷載效率均小于1.05;而商業(yè)布載軟件在某些設(shè)定參數(shù)下,其計(jì)算結(jié)果中存在非控制截面的試驗(yàn)效率超出規(guī)定值的布載形式,危害荷載試驗(yàn)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)安全。
(3)在此算例中,CSBVL采用“性價(jià)比法”分析確定布載方案中42 t試驗(yàn)車輛為性價(jià)比最優(yōu)的試驗(yàn)車輛;商業(yè)布載軟件對(duì)于布載結(jié)果沒有優(yōu)化分析功能。
(4)CSBVL具有操作便捷、計(jì)算快速以及多種試驗(yàn)車輛同步計(jì)算的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能兼顧布載方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性,可以廣泛應(yīng)用于各類橋梁的荷載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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