摘 要：以贵州某高速公路悬索桥为研究对象，通过Midas Civil进行荷载试验模型建立，在结构平衡态分析收敛状态下进行移动荷载数据分析，求解活载内力和位移增量。导入控制截面影响线通过Civil Designer进行静载试验布载方案设计，根据规范要求控制加载效率、模拟加载车辆信息和确定加载位置。通过Midas Civil与Civil Designer两款软件配合使用，不仅方案设计效率大幅提高，还实现试验工况优化合并且能直观判断当前截面布载对其余相邻截面的影响，对试验检测单位悬索桥静载试验方案设计提供借鉴。
关键词：布载方案设计;工况优化合并;车位快速调整;分级加卸载限值提取;
作者简介：雷民（1992—）,男,本科,工程师,研究方向：公路桥梁试验检测。;
0 引言悬索桥静力荷载试验工况[1]复杂，测试内容较多，用车数量大，单纯在Civil中进行布载工作效率低，布载时所有控制截面加载效率无法实现可视化，最大工况布载易造成其余相邻截面构件加载效率超限。当Civil与Civil Designer配合使用时，不仅能实现加载效率的可视化，还能实现对车辆位置快速调整、工况优化合并和分级加卸载限值提取。
1 工程概况主桥跨径为1×1 080 m简支钢桁梁悬索桥。主缆跨径组合为（265 1 080 435)m，成桥状态中跨垂跨比为1∶10，主缆由199根索股组成；全桥共71对吊索，水平间距15 m；主塔均为门式主塔，塔高分别为172 m、246 m；两岸锚碇均采用重力锚；主桁架采用带竖腹杆的华伦式结构，桁高7.5 m，标准节段长15 m。桥宽28 m，主梁纵坡按 0.6%～-2.0%人字坡设计；设计标准为双向四车道高速公路、设计速度100 km/h、公路-I级荷载等级，桥梁效果图如图1。
图1 桥梁结构效果图 下载原图
竖向、横向约束：主塔与加劲梁通过塔连杆连接；主梁与主塔横向设置抗风支座。
纵向约束：主梁与主塔下横梁处各设置一组黏滞型阻尼器，全桥共4套；主缆跨中设置三对柔性中央扣形成缆梁连接。
2 荷载试验方案设计前提静力荷载试验方案设计前，应确保结构处于自平衡状态，即结构在恒载作用下各构件变形趋向于“0”且塔梁内力分布均匀，无突变。同时，结构计算结果应与设计单位、监控单位计算结果对比分析对比误差较小时，才可按规范相关规定要求的试验工况及测试内容进行静载试验方案设计[2]，该桥平衡态计算结果如图2所示。
图2 结构平衡态计算结果（mm) 下载原图
3 静载试验方案设计3.1 静载试验工况根据规范要求结合计算结果分析，该桥共设计12个控制截面，荷载试验工况如下[2]:
(1）主梁L/4、3L/8、L/2截面最大正弯矩及挠度工况。
(2）两岸主梁伸缩缝处最大纵向漂移工况。
(3）两岸主塔根部最大负弯矩工况。
(4）两岸主塔顶部最大纵向偏位工况。
(5）主缆最大挠度、锚跨索股最大张力工况。
(6）典型吊杆索力最不利工况。
测试内容包含主缆截面挠度、纵向挠度曲线和锚跨索股拉力；吊索最大索力增量；主塔根部应变及裂缝和塔顶纵向位移；主梁截面应变、挠度、挠度曲线和端部纵向飘移。
每一工况加载时应对主梁扭曲变形、螺栓松动以及其他异常现象观测。最大工况时应对阻尼器、伸缩缝变形伸缩性能及承台锚碇位移观测。
3.2 Civil与Designer的配合布载方案设计时，采用Midas Civil与Civil Designer两款计算软件配合使用。根据移动荷载计算结果，在Midas Civil中导出控制截面影响线至Civil Designer进行布载方案设计。方案设计时，除满足加载效率要求前提下，还应结合测试内容考虑能优化合并的工况，快速调整车辆位置及数量，实现加载效率的可视化，该桥根据布载结果，试验工况合并优化如下所示：
(1）通过主塔根部最大负弯矩、塔顶最大纵向位移和主缆索股最大张力影响线分析，可将主塔根部弯矩、塔偏和主缆索股张力合并为1个工况。由影响线数值及范围可知，该工况为最大静力荷载工况，用车量相比其余工况多，布载时应综合考虑车辆间距对吊杆索力、主梁L/4、L/2弯矩及挠度局部的影响。最大工况影响线如图3所示。
图3 塔偏最大位移影响线 下载原图
(2）通过主缆最大竖向挠度、主梁最大纵向飘移及吊杆索力最大张力影响线分析，可将其合并为1个工况。该桥吊索标准间距为15 m，布载时应严格控制布载车辆间距，避免布载范围内吊索加载效率超限。
(3）通过主梁上下弦杆轴力及挠度影响线分析，主梁L/4、3L/8、L/2截面影响线分布范围较短且数值较小，与其他测试参数不能进行工况合并，每控制截面需进行单独布载。根据桥宽结合主梁受力特性，布载时需检验偏载作用下荷载的横向分布。
(4）该桥试验车辆按单辆350 k N三轴载重汽车模拟，模拟车辆信息如下：前轴重70 k N、中轴重140 k N、后轴重140 k N；中后轴距1.4 m、前中轴距4.0 m、轮距1.8 m。在Civil Designer中，加载车辆横向数量及位置是以Midas Civil中添加的车道线来定义的，即正载、偏载加载位置与车辆横向数量同Midas Civil中的车道线保持一致。由于悬索桥加载车辆较多，每个工况用车数量不一致，为了减小工作量，避免反复调整车辆数，可根据预估最大工况用车量作为控制车辆数，布载时根据用车数需求输入距参考节点位置，即可快速确定加载位置和用车量。
(5)Civil Designer中的控制截面单元和节点与Midas Civil同样保持一致，根据测试参数类型对应选择内力和位移。为保证结构构件的局部安全，Civil Designer中的加载效率上、下限值宜按照0.85～0.99控制，尽量不超1.00。
(6）参数设置完成后正式进入手动布载阶段，该阶段布载的车位为当前加载截面最多用车量的工况。布载时，根据模拟的加载车辆相关信息并通过参考节点调整车位距离，仔细检查当前布载车位是否造成其余相邻截面位置加载效率超限，手动布载结果如图4所示。
图4 Designer布载可视化示意图 下载原图
由图4可看出，主缆最大竖向挠度、主梁最大纵向飘移在正载28车作用下加载效率满足设置要求且工况可以合并，其余相邻截面如主梁、主塔加载效率未超限。通过参考节点1 450（即Civil中移动荷载车道线添加参考单元所在截面位置处的节点）结合车辆轴距和布载距离设置，可快速准确地将试验车辆布置于相应位置。
(7）根据布载结果，主梁最大弯矩（或轴力）及挠度工况用车数为16车，分正载与偏载工况；主缆最大竖向挠度及主梁梁端最大纵向飘移和吊杆最不利（或最大索力）增量用车数为28车，仅考虑正载工况；主塔根部最大负弯矩、塔顶最大纵向位移及主缆索股最大增量用车数为60车，仅考虑正载工况。
(8）在Civil Designer中根据手动布载结果将车辆按规范要求的3～5级[3]进行分级加载设计，生成分级加载工况，并导入Midas Civil中对应生成相应的分级加载试验工况。
4 加载效率复核及限值提取(1）根据Civil Designer导入Midas Civil中的布载方案，计算各控制截面内力、位移加载效率是否满足规范对基本荷载的要求[3]，加载效率计算如下所示：
式中，ηq——静力试验荷载效率；Ss——试验荷载作用下效应；S——控制荷载作用下效应；(1 μ)——规范取用冲击系数。
(2）即使布载结果在Civil Designer中显示各控制截面加载效率满足要求，导入Midas Civil后也应复核控制截面的加载效率。当两者存在差异时，应以Midas Civil中提取的数据为准。
(3)Civil Designer中暂不支持索单元类型的内力输出，布载时应根据吊索间距控制车辆间距，布载后仔细检查核对吊索的索力增量是否超限，尤其在正载60车最大工况下布载区域的索力增量及主梁跨中挠度。
(4）当加载效率不满足规范要求时[4]，应在Civil Designer中重新调整车距或车辆数，将更新后的布载方案导入Midas Civil中重新运算。导入新布载方案前，应将Civil中原有布载方案工况删除，避免荷载叠加。该桥加载效率统计如表1所示：
表1 Civil中提取的加载效率 下载原图
根据表1可知，各工况作用下控制截面加载效率在0.87～0.99之间，满足规范要求[4]且未超过Civil Designer中对加载效率上限0.99的控制，布载方案满足规范要求。
(5）根据导入的布载方案，分级提取主梁控制截面应变、竖向挠度、纵向飘移、挠度曲线数据、主缆索股索力及吊索索力、主缆截面挠度及挠度曲线数据、主塔根部应变及塔顶最大纵向位移数据，主缆最大挠度加载限值如表2所示、吊索最大索力增量如表3所示：
表2 主缆最大挠度限值表 下载原图
/mm
表3 典型吊索最大索力增量限值表 下载原图
/kN
据表2、表3可知，通过Civil Designer分级布载导入Civil后，可在Civil中分级提取该工况下的相应限值。现场荷载试验实施时还可分级对比实测值与理论值，为下一级加载过程提供有效预警，为构件在试验荷载作用下安全加载增加保障，分级布载如图5所示。
5 结论与建议该桥静载方案设计时，结合Midas Civil和Civil Designer两款计算软件配合使用，不仅提高布载方案的设计效率，还同步实现试验工况的优化合，并且能直观判断当前截面布载对其余相邻截面的影响。
图5 Designer导入Civil的分级布载方案工况 下载原图
根据Civil控制截面影响线范围导入Civil Designer进行布载和分级布载，导出布载方案在Civil中自动生成相应静力荷载工况，当加载效率不满足规范要求时，亦可返回Civil Designer重新布载，两款计算软件配合使用时可灵活互相切换和互导，如车辆位置确定、间距调整、车辆数增加减少等，最终确保各控制截面加载效率满足规范要求[1]。
Civil Designer通过识别Midas Civil中的影响线和车道线位置，为加载车辆提供有效参考点，通过输入距离的方式快速定位加载车辆的位置和数量，实现加载效率的可视化，同时根据需求还可高效提取各分级加载状态下构件控制截面的应力（应变）、变形（位移）、索力等理论值，为结构构件安全加载提供保障。
相关建议如下所示：
(1）静力荷载方案布载前，应首先与设计单位和监控单位对比悬索桥平衡态计算结果及各类活载增量，对比分析误差较小前提下才可进行布载方案设计。
(2）布载时，Civil Designer暂不支持索单元的内力输出，即布载时加载效率的可视化问题，布载后应仔细检查核对吊索的索力增量是否超限，尤其在最大工况下对布载区域构件的影响。
(3）当Midas Civil与Civil Designer查看或提取的加载效率存在差异时，应以Civil中提取的数据为准。
(4）悬索桥加载工况及用车数量众多且相对复杂。静力荷载布载方案设计时应结合Midas Civil和Civil Designer两款计算软件配合使用互导，才可提高工作效率和方案质量，同时还应结合现场踏勘情况对布载方案优化调整，避免加载时间过长导致环境因素影响检测数据。
参考文献[1] 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范:JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司, 2015.
[2] 长安大学.公路桥梁荷载试验规程:JTG/T J21—01—2015[S]北京：人民交通出版社股份有限公司, 2015.
[3] 中交公路规划设计院有限公司.公路悬索桥设计规范:JTG/T D65—05—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司, 2015.
[4] 中交公路规划设计院有限公司.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司, 2018.
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