第１期 林云，等：桥梁结构静荷载实验的物理与虚拟仿真研究 １ ０３ 原来的１／６２５，集中荷载缩小到原来的１／２５，则分 别得到均布设计荷载为公路一Ｉ级荷载的Ｏ．０１ ５％， 集中设计荷载为公路．Ｉ级荷载的Ｏ．３７２％． （２）横断面布置：４０ ｃｍ宽车道． １．２荷栽实验的目的 （１）检验桥梁结构受力性能是否达到设计及规 范要求；（２）通过荷载实验建立桥梁初始技术档案． １．３实验内容 根据该桥实验的主要目的，进行模型桥静载 实验（图２），检验结构承载能力和刚度性能． 图２实验现场 ２ 桥梁静载物理仿真实验 静载实验主要通过测量桥梁结构在静力实验 荷载作用下的变形和应力，确定结构的实际工作 状态与设计期望值是否相符，以及结构强度、剐度 是否满足规范要求． ２．１静力实验荷载确定原则 静力实验荷载采用三轴载重汽车充当，实验 车的轴距尺寸如图３所示，车辆各参数见表１，其 中两车轮距都为８．８ ｃｍ．就加载实验项目而言，所 需加载车辆的数量将根据设计标准活荷载产生该 加载实验项目对应的控制截面应力或变位的最不 利效应值，并参照有关规范规定，按下式所确定的 原则进行等效换算： ——＝＼ 手 手 — — ① ② 图３ 实验重车轴距布置示意图（单位：ｃｍ） 一 ０．９５≤／７：— 鲣Ｌ一≤１．０５． （１＋ ）・ｓ 式中：ｒ／为静力实验荷载效率，一般情况下尽量接 近１．０；Ｓｓ 为实验荷载作用下，某加载实验项目 对应的控制截面内力或变位的最大计算效应值；ｓ 为设计标准活载不计冲击荷载作用时，产生的该 加载实验项目对应的控制截面内力或变位的最不 利计算效应值；１＋ 为设计计算取用的冲击系数． 通过理论计算，桥梁模型一阶自振频率为１５．６ Ｈｚ， 由于一阶自振频率＞１４ Ｈｚ，根据设计荷载规范，取 冲击系数 ＝０．４５． 表ｌ实际实验车辆参数 车辆名称 轴重 前轴 中轴＋后轴 ２．２加栽工况和实验内容 根据《公路工程质量检验评定标准，第一册 （土建工程）》（ＪＴＧ Ｆ８０／１—２００４），拟选取模型桥梁的 以下工况作为静载实验的内容：（１）Ｉ截面ｌ号梁支 点剪力；（２）ＩＩ截面１号梁正弯矩．截面位置与实验 工况如图４所示，各工况测试内容见表２． ＠ ６・０ ⑨ 图４桥梁静载实验测试截面（单位：ｃｍ） 表２静载实验工况及测试内容 工况及描述 测试内容 应变 变形 Ｉ：１号梁支座最大剪力 截面剪应力 跨中截面挠度 ＩＩ：１号梁最大正弯矩跨中截面正应力跨中截面挠度 ２．３观测方法与所用仪器 （１）应变测试：应变采用应变片进行测量，测 量精度为１ ￡．（２）变形测试：对于跨中截面的下挠 及支座沉降，均采用机电百分表进行测量，测量精 度为０．０１ ｍｍ． ２．４测点布置 （１）应变测量．各控制截面的主要应变测点布 置如图５所示，底板粘贴混凝土电阻应变片，支点 位置腹板粘贴混凝土应变花．电阻应变片的应变 读数采用电阻应变仪，混凝土应变片规格为ＢＸ １ ２０．２ＡＡ胶基片，电阻值为１ ２０ Ｑ，实验时配静态 应变测量系统． （２）挠度测量．挠度测点所在断面如图６所示， 测点布置在Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３断面上，其中，Ｄ１和Ｄ３ 宁波大学学报（理工版） 测量支座处的沉降，而挠度测试采用百分表 南 ＝『＝『＝『：『北 －应变片 百分表 （ａ）应变位移断面图 一５ ① ④一４ ⑦ 西 －３ 东 ② ⑤一２ ③ ③ ⑥一１ ⑨ （ｂ）应变位移俯视图 ④ 应变花 ⑨ （ｃ）应变花位置示意图（９，１０，１１号测点数据相对较小而未采用） 图５应变位移测点布置图ｆ单位：ｃｍ） Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３ ④ ６・０ ⑨ 图６控制截面挠度测点布置示意（单位：ｃｍ） ２．５加栽原则 （１）尽可能用最少的加载车辆达到最大的实验 荷载效率．（２）在满足实验荷载效率以及能够达到 实验目的的前提下，加载工况应进行简化、合并， 尽量减少布置次数．（３）每个加载工况以某个测试 项目为主，兼顾其他实验目的．（４）为了解桥梁结构 应变和变位随加载内力增加的变化规律，并防止 意外损坏，实验荷载采用分级加载方式，每个工况 原则上分三级加载，通过车辆数量及车辆位置来 控制等级．在每个测试工况加载实验中，为单次逐 级递加到最大荷载，然后卸载到零荷载． ３ 桥梁虚拟仿真实验 ３．１各控制截面的内力影响线 通过ＭＩＤＡＳ有限元分析软件汁算，得到各控 制截面的内力、位移影响线．结构计算模型采用梁 格法模型（图７），车道荷载冲击系数依据有限元理 沦算得的一阶自振频率（６４ Ｈｚ）来确定，控制截面 的内力影响线如图８所示． 一 （ａ）俯视 （ｂ）仰视 图７模拟桥梁计算模型 囊： 主０ 。 羹 ０ 鑫０ ： 舯 挢长／ｃｍ 矫长／ｃｍ （ａ）Ｉ－Ｉ截面支点剪力影响线 （ｂ）ＩＩ—ＩＩ截面弯矩影响线 图８控制截面的内力影响线 在影响线计算基础上进行设计控制内力的计 算，活载采用按实际模型极限抗拉强度对应的设 计荷载．在控制内力（位移）计算时按规范规定计入 汽车的冲击系数，模拟桥梁考虑冲击系数／．ｔ＝０．４５ 将上述各控制截面的控制内力、控制位移计算的结 果数据见表３． 表３设计活载、分级加载内力控制值 ３＿２实验加栽图式 Ｉ截面和Ｉ截面的分级加载效率见表４，而Ｉ截 面１号梁支点剪力与ＩＩ截面ｌ号梁跨中正弯矩的 实验加载情况如图９所示． 表４ Ｉ、ＩＩ工况分级加载效率 ４ 物理仿真与虚拟仿真实验结果比较 表５是工况Ｉ荷载作用下的实测结果与理沦结 果对比，表６和表７为工况ＩＩ（ＩＩ截面ｌ号梁跨中 正弯矩实验工｝兕）荷载作用下的实测与理论结果对 比．根据结构实测结果，可得到如下儿点结论：（１） 跨中梁底挠度和应变效验系数都小于１．０，即板梁 第１期 林云，等：桥梁结构静荷载实验的物理与虚拟仿真研究 １０５ Ｔｍａｘ：三厮 ，而 ＋， 其中，Ｖ＝０．２，Ｅ＝２．０４ＧＰａ． ５ 结论 （ｂ）ＩＩ工况一级加载 用精细化的车辆模型对Ｔ梁桥有机玻璃结构 模型进行物理仿真加载，并运用ＭＩＤＡＳ有限元软 件对桥梁模型静载实验进行虚拟仿真分析，将物 理仿真实验结果与虚拟仿真实验结果进行比较， 得出以下结论： （１）物理仿真实验前对桥跨进行了桥梁外观 检查，支座、梁板等结构正常；实验中支座处剪力 和跨中正弯矩工况的加载效率为，７＝０．９６～１．０５，满 足规范规定的加载要求；实验数据表明有机玻璃 （ｆ）ＩＩ工况三级加载 图９工况Ｉ、ＩＩ加载示意图ｆ单位：ｃｍ） 桥梁模型结构强度与刚度也满足规范要求． （２）物理仿真实验与实际桥梁实验相比较，具 有如下优点：经济性好，模型制作简单、装拆方便， 节省材料、降低劳力、模型可重复使用；针对性强， 物理仿真实验能够根据实验目的简化次要因素． 突出主要的因素；结果准确及开展方便，由于实验 理论挠度大于实测挠度；（２）板梁的挠度和应变残 余变形都小于２０％，卸载后能恢复原状；（３）支点剪 应力检验系数小于１．０，即板梁的理论应变大于实 测应变值；（４）支点相对残余剪应力小于２０％，即板 梁卸载后能立即恢复原状，塑性变形小．板梁抗剪 模型小而精细，可以在室内进行，受外界环境干扰 小，从而保证了实验结果的准确度． （３）从物理仿真与虚拟仿真实验结果对比可 以看出，这种基本一致的结果表明物理仿真与虚 拟仿真都能准确地模拟出实际桥梁的受力与变形 满足设计要求，并有较大的安全储备．（５）板梁结构 最大挠度小于桥跨的１／６００（１．３３ ａｒｍ）． 表５中的剪应力由４５。直角应变花计算最大剪 应力公式得到： ＝ ，ｃ＝ 孚 ， 情况，有着较高的精确性与有效性．通过这种仿真 实验能满足桥梁工程科研与实验教学要求，有效 表５ １号梁支座处实测应变、残余应变与理论应变（应变测点） 号 悼 尉 理 肘 １０６ 宁波大学学报（理工版） ２０１５ 提高实验教学水平，且物理仿真与虚拟仿真互为 补充，将两者紧密结合才能有效推动桥梁工程科 ［７】张俊平，梅力彪，蔡卡宏．展翅梁结构有机玻璃模型实 验研究［Ｊ］．广州大学学报，２００１，１５（２）：６５—７０． 【８】Ｖｌａｄｉｍｉｒ Ａ，Ｋｌｉｆｐｐｅｌ Ｍ Ｆ，Ｒａｏｓ Ｇ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｐｔｕｒｅ ｉｎ ｇｌａｓｓｙ ｐｏｌｙｍｅｒ ｂｒｉｄｇｅｓ ｗｉｔｈｉｎ 研与实验教学的不断发展． 参考文献： ［１】刘蕾，鲍小龙，牛超然．虚拟现实技术在桥梁工程中的 ｉｆｌｌｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ，２０１２，８６（４）： ４１８０１．４１８ｌ０． ［９］Ｖｅｒｂｒａｅｃｋ Ａ，Ｖｅｒｓｔｅｅｇｔ Ｃ．Ａ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ： 应用［ 市政技术，２０１０，２８（３）：７９＇８１． ［２］湖南大学，太原工业大学．建筑结构实验［Ｍ】．北京： 中国建筑工业出版社，２００４：１０５．１８８． Ｌｉｎｋｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ［Ａ］． Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２０００：２３８－２４３． ［３】余山雾，蔡敏．结构模型实验的工程检测应用研究［Ｊ】 ＿［１０］安群慧，刘自明．荆州长江公路桥整体模型实验的研 安徽建筑工业学院学报，２００９，１ ７（５）：１ ７ ２ １． ［４】刘自明．桥梁结构模型实验研究［Ｊ］＿桥梁建设，１９９９ （４）：１—７． 究『Ｊ］．桥梁建设，２００２（２）：１５．１８． ［Ｈ】赵信海，杨善武．钢筋混凝土预应力梁桥静载实验及 仿真分析［Ｊ］．工程与建设，２００６，２０（５）：４２８—４３２． 【１２］张在铭．部分斜拉桥有机玻璃模型实验综述［Ｊ］＿福建 建设科技，２００６（３）：２８。２９． 【５】安新正，孟闻远，李秋英．试析实验教学在高校土木工 程专业中的重要作用［Ｊ］．河北建筑科技学院学报，２００４， ２１（２）：８５・８６． ［１３］胡建华，沈锐利，张贵明．佛山平胜大桥全桥模型实验 研究［Ｊ］．土木工程学报，２００７，４０（５）：１７．２５． ［６］周义武．桥梁有机玻璃模型实验的几个技术问题［Ｊ】 ．中南公路工程，１９８５（１）：５７—６４． Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ Ｌｏａｄｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＬＩＮ Ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ，ＤＩＮＧ Ｙｏｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，Ｎｉｔｎｇｂｏ ３ １ ５２ １ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｆｉｎｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｃａｌｅ ｏｆ １：２５ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｐｈｙ ｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＭＩＤＡＳ，ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｙ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ｆｏｕｎｄ ｔｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｈ ａｒｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ ｓｉｍｉｌａｒ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｙ ｃｏｍｐｌｔｅｍｅｎｔ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ａｎｄ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ ｍｏｄｅｌ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ；ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ （责任编辑章践立）
