拱桥静动力荷载试验方案毕业设计.docx

1、拱桥静动力荷载试验方案毕业设计毕业设计（论文）前 言拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱式结构在竖向荷载作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力，由于这个水平推力的存在，拱的弯矩将比相同跨径梁的弯矩小很多，而使整个拱主要承受压力。这样便可以充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建拱桥，由于拱桥的这些优点，使得它成为我国公路桥梁中主要的桥型之一1。桥梁结构与生物的生长衰亡周期一样，具有其独特的生命周期。而在桥梁结构的生命周期内发生的结构缺陷和损伤将不可避免地影响桥梁的使用性能。为此，在桥梁的寿命周期内需对桥梁的使用状况、缺陷及损伤进行全面检测，明确缺陷和损伤的性质、部

2、位、严重程度及发展趋势，以便分析、评价缺陷及损伤对桥梁性能和承载力的影响。精确有效地评估桥梁的实际承载能力具有重大的社会经济价值：一方面它可以减少不必要的加固、维修费用；另一方面，也可以确保交通基础设施的安全性能。桥梁结构的鉴定主要包括既有桥梁的检算和外观检测工作以及荷载试验，通过检算与外观的检测，可以基本上确定桥梁结构物的使用状况，然而理论推断与实际结构的特性往往存在着一定的差别，尤其是承载力的鉴定，目前还离不开荷载试验2。桥梁荷载试验是一项复杂而细致的工作，技术含量高，涉及面广。应在桥梁调查和检算的基础上确定试验项目，仔细地考虑试验的全过程，预计可能出现的问题及处理方法，制定切实可行的试验

3、计划，保证试验工作的顺利进行。荷载试验是要弥补桥梁调查和检算中的不足，使桥梁承载能力鉴定工作进一步深化。按桥梁荷载试验方法，通过对试验桥梁进行荷载试验，检测控制截面应力、挠度、裂缝及桥梁动力特性指标，以达到下述目的3：(1) 检验桥梁设计与施工质量对于一些新建的大、中型桥梁或者具有特殊设计的桥梁，在设计施工过程中必然会遇到许多新的问题，为保证桥梁建设质量，施工过程中往往要求作施工监控。在竣工后一般还要求进行荷载试验，以检验桥梁整体受力性能和承载能力是否达到设计文件和规范的要求，并把试验结果作为评定工程质量优劣的主要技术资料和依据。(2) 判断桥梁结构的实际承载能力旧桥由于构件局部发生意外损伤，

4、使用过程中产生明显病害，设计荷载等级偏低、原有设计资料遗失以及需要通过特种车辆等原因，都有必要通过荷载试验判定构件损伤程度及其承载力、受力性能的下降幅度，确定其运营荷载等级。同时，荷载试验也是改建、加固设计的重要依据。(3) 验证桥梁结构设计理论和设计方法对于桥梁工程中的新结构、新材料和新工艺，应通过荷载试验验证桥梁的计算图式是否正确，材料性能是否与理论相符，施工工艺是否达到预期目的。对相关理论问题的深入研究，往往也需要大量荷载试验的实测数据4。 本文的主要工作是根据某拱桥的设计资料，通过有限元模型的建立对其进行受力分析，充分了解其受力特性，得出最不利截面位置以及相应的控制内力，在这基础上模拟

5、进行试验加载并求出相应的荷载效率。最后设计一套适合本桥的荷载试验实施方案。指出了桥梁结构分析中荷载试验的应用以及存在的问题，并分析了今后发展的趋势。摘 要本文详细论述了拱桥结构荷载试验的原理、方法和内容，同时根据某桥设计资料建立有限元平面杆件单元模型。借助上述模型，对该桥进行力学性能分析，充分了解其受力特性。首先确定控制截面、计算控制内力。其次依据交通部颁布的行业标准确定试验荷载工况，进行等效布载。最后针对静力、动力试验各个加载工况进行结构分析计算：计算试验内力、计算荷载效率、计算试验荷载作用下控制截面的应力、挠度、结构固有振动分析。本文的主要工作为依据有限元模型的计算结果设计本桥的荷载试验实

6、施方案。关键字：拱桥结构，动力实验，静力实验，模拟分析 ，有限元法 ABSTRACTThis paper discusses in detail the arch bridge load test principle, method and content, according to the design of a bridge data to establish the finite element planar bar element model.With the aid of the above model, the bridge mechanical performance analy

7、sis, to fully understand the characteristics of the force. First determine the control section, calculation of control internal force. Secondly, according to Ministry of Communications issued by the industry standard to determine the test load, equivalent distributed load. Finally, he static load, d

8、ynamic load test load cases structural analysis: Calculate the test internal force calculation load efficiency, calculation of test loads to control the cross-section stress, deflection, Natural vibration analysis.The main work of this paper is based on the calculation results of finite element mode

9、l to design the bridge load test plan.Keywords: Arch bridge,Static loading test, Dynamic loading test,Simulation analysis,Finite element method第1章 绪 论1.1 本文的研究背景及意义1.1.1 我国既有桥梁现状根据交通运输部和铁道部对既有桥梁规模统计有：交通运输部统计结果：2010年年底，全国公路网总里程395万公里，5年新增60.5万公里；其中，高速公路通车总里程达到7.4万公里，五年新增3.3万公里，国家高速公路网骨架基本形成，居世界第二。200

10、8年底，全国公路桥梁达59.46万座、2524.70万延米，比上年末增加2.46万座、205.52万延米。其中特大桥梁1457座、大桥39381座。2009年底，全国公路桥梁达62.19万座、2726.06万延米，比上年末增加2.73万座、201.37万延米。其中特大桥梁1699座、大桥42859座。铁道部部统计结果：2007年底国家铁路营业线路桥梁46888座、3355620延长米。其中，全长（正桥长度与引桥长度之和）500米以上的特大桥826座，全长100米以上至500米的大桥5459座，全长20米以上至100米的中桥13872座，全长不足20米的小桥26731座。各类铁路桥梁总数量达到1

11、8万座。 2008年底国家铁路营业线路桥梁47524座、3493735延长米。其中，全长（正桥长度与引桥长度之和）500米以上的特大桥872座，全长100米以上至500米的大桥5637座，全长20米以上至100米的中桥14188座，全长不足20米的小桥26827座。从上面的数据可知，随着国民经济的迅猛发展，我国交通运输建设也迎来了发展高峰。桥梁建设作为其中主要组成部分也得到了相应发展，极大的改善了交通环境，创造出可观的经济和社会效益，为经济的发展也发挥了巨大作用。另一方面，由于近年来交通量增长迅猛，大件运输车和超重车日益增多，公路运输对公路桥梁的通行能力和承载能力的要求越来越高，而一些旧桥陈旧

12、老化，破损现象日趋严重，许多旧桥难纵适应日趋增长的交通量需要。为保证公路的畅通，创造一个安全、舒适的行车环境，加强桥梁试验检测工作显得十分必要。这也已成为各级公路管理部门工作的重点。如何保证桥梁建设的质量，养护管理好现有桥梁，保持桥梁的完好工作状态，延长其使用寿命，这一新的机遇和挑战对各级公路管理部门提出了更高要求。为确保桥梁在建设过程中的安全及其在运营过程中的安全与健康，上至国家有关部委、下至省市交通部门采取种种措施，出台各种规定，以避免桥梁结构安全事故的发生。尽管如此，总体而言我国的桥梁结构安全现状仍不乐观，桥梁事故屡屡发生，给人民的生命财产和国民经济造成巨大损失，造成了极其恶劣的影响。由

13、中国工程院土木水利建筑学部陈肇元、范立础、刘建航等14位院士组成的工程结构的安全性与耐久性研究项目组，针对对我国土建工程的现状和存在的问题分别在2003年和2007年3月两次向国家有关部门递交了咨询报告，指出中国建筑（包括桥梁工程）安全的现状让院士们深感忧虑。中国工程院院士王景全教授2007年曾指出：在未来10到20年内，我国必将提前迎来大范围的桥梁老化现象，对于已建桥梁要经常进行安全可靠性和承载能力的评估，及时发现问题，加强维护、保养和加固，限载或降载通行，防止其“未老先衰”，必要时拆除重建，是一个紧迫而又必须面对的艰巨任务。1.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义由于多重因素的影响，使得目前

14、桥梁试验检测工作的重要性日渐突出，归结起来有以下几个方面。(1) 公路交通量剧增，加快了桥梁老化的步伐。到2010年，我国主要公路通道的平均交通达到30000辆/天，2020年将分别达到56000辆/天，京沪等交通量较大路段预计可达到每天10万13万辆。(2) 超重车、集装车、大吨位车的出现加重了桥梁的负荷，加快了桥梁的损坏。由于原桥设计荷载等级偏低，已不适应目前超重车、集装车、大吨位车增多的新情况，对这种现象如果不及时采取应对措施，极容易导致桥梁过早损坏。如江阴长江大桥由于长期的超载现象导致了设计使用年限为12年的桥面铺装层经过3年就发生大面积开裂，交通部门通过实地检测，发现过往这座大桥的货

15、运车辆的轴载有70%超限。(3) 桥梁修建中有些质量较低。造成桥梁使用的“先天不足”。相当数量的桥梁，尤其是早期修建的桥梁，由于资金短缺，设计、施工标准低，加上技术管理薄弱，施工质量不能保证这些桥梁使用寿命，有些很快就会变成危桥。(4) 桥梁设计计算荷载等级低，限制公路运输能力。由于旧有规范不能适应交通运输的飞速发展，使得旧有桥梁的设计荷载偏小，这也是旧桥承载力偏低的一个重要原因。(5) 桥梁管护不善。在大自然风、霜、雨、雪的侵蚀作用下以及环境污染的日益加重，造成桥梁自身老化破损，使得桥梁衰老加快，寿命缩短。因此对桥梁检测具有以下意义4：(一) 桥梁养护的主要依据(1) 由于桥梁多年的营运使用

16、，其主要部位出现缺陷，如裂缝、错位、沉降等，通过检测确定桥梁各部位损坏的程度及实际承载能力。(2) 人们出行需求对以前按旧标准荷载等级设计建造的桥梁要求愈来愈高，通过检测、评价确定现有桥梁的荷载等级，从而决定是否需要通过加固来提高其荷载等级。(3) 随着我国现代化工业建设的发展.特大型工业设备、集装箱运输逐渐频繁，超重车辆必须过桥的情况时有发生，通过检测、评价，可确定超重车辆是否能安全通过，并为临时加固提供技术资料。(4) 桥梁在遭受特大灾害时，如因地震、洪水等而受到严重损坏或在建造、使用过程中发生严重缺陷等，要通过检测、评价，为进行桥梁的修复加固提供可靠依据。(二) 积累技术资料、建立桥梁数

17、据库(1) 现有桥梁资料不全或缺乏资料，需通过检测重新建立和积累技术资料，为加强科学管理和提高桥梁技术水平提供必要条件。(2) 系统地收集桥梁技术数据，建立桥梁数据库，为桥梁计算机管理系统的基础工作，以便更好地养护管理好桥梁，并能指导今后的桥梁养护、加固与维修工作。(三) 检验桥梁结构的质量，确定工程可靠度(1) 对于一些重要的大桥或特大桥梁，在建成之后，通过检测、评价，可评定其设计与施工质量，确定工程的可靠度。(2) 对采用新型结构的桥梁，通过检测评价，可验证理论的实践性和可靠性，发现问题、总结经验、以便对结构设计理论及结构形式加以改进，使其更臻完善。(3) 对经过维修加固的桥梁进行竣工检测

18、，通过检测可检验维修加固的质量，加固方法的合理性与可靠性。(4) 了解桥梁实际受力状态，判断结构的安全承载能力和便用条件。1.2荷载试验的主要内容桥梁结构的鉴定主要包括既有桥梁的检算和外观检测工作以及荷载试验，通过检算与外观的检测，可以基本上确定桥梁结构物的使用状况，然而理论推断与实际结构的特性往往存在着一定的差别，尤其是承载力的鉴定，目前还离不开荷载试验。荷载试验在结构的检测方法当中荷载试验是一种最直观、最重要的检测方法。它是对桥梁结构物进行直接加载测试的一项科学试验工作，通过了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量。对于一些在理论上难以

19、计算的部位通过荷载试验可达到直接了解其受力的目的；通过荷载试验还能有助于发现在一般性检测中难以发现的隐藏病害；通过荷载试验可以检验桥梁结构的设计与施工质量；通过荷载试验可以确定旧桥结构的实际承载能力为制定桥梁加固或改建技术方案提供科学依据。桥梁的荷载试验是一项复杂而细致的工作，技术含量高。应根据荷载试验的目的进行认真的调查分析，必要时进行相关的理论分析。公路桥梁荷载试验应以国家和交通部颁布的有关公路桥涵的法规、技术标准、设计规范为依据来进行。对于某些新结构以及采用新材料、新工艺的桥梁，无相关条款规定时可借鉴国外或国内其它行业的相关规范、规程的有关规定。荷载试验的主要内容包括： (l) 荷载试验

20、方案的拟定(包括静力试验与动力试验测试项目)；(2) 荷载试验的测点设置与测试仪器、设备组配；(3) 荷载试验的加载等级控制与试验过程安全控制；(4) 试验数据分析与结构性能评定； (5) 试验报告编写。根据荷载试验的作用性质桥梁荷载试验可分为静力试验和动力试验5。1.2.1 静力试验通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的外载，采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构的控制部位与控制截面在各级试验荷载作用下的挠度、应力、裂缝扩展情况等特性的变化，并将测试结果与结构按相应荷载作用下的计算值、有关规范规定值作比较，从而评定桥梁结构的实际承载能力，是检验桥梁性能及工作状态（如结构的强

21、度、刚度）最直接、最有效的办法。通过校验系数来说明结构潜在的承载力，相对残余变形反应了结构的工作状态。1.2.2 动力试验主要是通过对结构进行脉动测试、汽车的行车、跳车、刹车激振或其他方式的激振试验，测试桥梁结构上各控制部位的动挠度、动应变、模态参数（自振频率、振型、阻尼比），然后通过模态参数识别结构的损伤。如结构的构件机械磨损，结构的刚度损失以及构件的裂缝等。动力试验反映了桥梁的整体工作性能。虽然二者在试验目的和内容上都很不相同，但对承受以车辆荷载为主的桥梁结构来说，这两种性质的荷载试验对于全面分析和了解桥梁结构的工作状态是同样重要的。在目前的情况下，桥梁荷载试验也是新型桥梁结构性能研究、各

22、类桥梁施工质量与结构承载能力评定工作的重要手段。普及桥梁荷载试验技术，搞好试验工作并做出桥梁结构性能的正确评价，对于推动我国桥梁建设提高桥梁工程质量、挖掘服役桥梁承载潜能都具有十分重要的意义。1.3 国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势桥梁结构的检测、评估及加固是从人类有修建桥梁以来便出现的一个传统专业。但是长期以来，人们在桥梁的检测和评估方面缺少系统的分析和理论探讨，技术水平提高不快。由于桥梁类型众多、影响因素庞杂、研究工作繁琐及部分桥梁资料缺乏，因而，无论是发达国家还是发展中国家，桥梁荷载试验的评定尚无统一的方法，评定理论尚未系统化、规范化。正处于发展的初级阶段，亟需加强和提高。目前正逐

23、渐成为具有现实意义的重要研究课题，越来越广泛地得到桥梁工程技术人员和管理人员的高度重视。可以相信，在这一研究领域内将具有广阔的发展前景！(一) 国内的发展现状(l) 加强相关政策的研究和制定由于公路旧桥承载能力鉴定方法(试行) （1988）等规范颁布时间较早，且限于当时的技术水平，随着时间的推移，国内相关标准和规范匮乏，有待完善。2011年第72号现公布公路桥梁承载能力检测评定规程 (JTG/T J212011)，作为公路工程行业推荐性标准，自2011年11月1日起施行，原公路旧桥承载能力鉴定方法(试行) （1988）同时废止。(2) 加强科研成果的推广应用力度比如江苏省交通科学研究计划项目“

24、梁式桥梁承载能力快速荷载试验与评定技术研究”对准静态荷载试验方法进行了研究，并得到很好的利用推广。(3) 加强对科研的投入力度。比如一系列课题的开展 a) 公路桥梁检测、评定与加固成套技术研究及推广应用；b) 混凝土梁式桥损伤检测与安全可靠性评价技术研究；c) 国家863项目“大跨度预应力混凝土连续箱梁桥长期下挠和开裂的控制研究”；d) “在用预应力连续梁、连续刚构桥箱梁开裂成因及处治技术研究”；e) 其他相关的科研课题。(二) 国外的研究现状以美国为例，由于1967年美国西弗吉尼亚州银桥事故桥梁检测得到重视，并以国家桥梁检测规范（NBIS）为总则外，还依托一系列的检测收藏、桥梁评定指南等来形

25、成整个养护体系，因此其检测体系内涵较丰富。(l) 建立了基于桥梁检测结果的承载能力评定方法体系；(2) 建立了系统的承载能力检测评定指标体系；(3) 各项检测指标的定量或定性评价标准；(4) 明确了各类桥梁的检算分析要点。(三) 桥梁检测的发展趋势(l) 现阶段我国桥梁评定还过份依赖荷载试验，而荷载试验规范的存在一些不足：a) 检算要点、检算方法等方面规定的过于原则；b) 评定指标单一，可操作性差；c) 基于检测结果的计算分析评定方法无法很好应用，而需大量借助昂贵的荷载试验对旧桥加以鉴定；d) 荷载试验鉴定比较直观，但费用高，需中断交通；e) 荷载试验不能反映结构的极限状态性能、疲劳性能，以及

26、在鉴定期内今后材料强度和结构响应的不定性，以及耐久性检测指标等因素对结构承载能力的影响。 因此，需要建立新的桥梁评定的发展方向：a) 桥梁安全与健康概念体系的建立；b) 基于桥梁安全与健康概念的评定指标体系；c) 结构损伤理论的应用；d) 可靠度方法；e) 基于神经网络和模糊逻辑推理机制的专家评估系统；f) 在西方发达国家采用了新的方法比如日本、加拿大采用的荷载效应的修正计算方法，专家系统。美国、英国采用的计算分析方法。(2) 随着科学技术的发展，桥梁检测也越来越向智能化方向发展：a) 桥梁健康检测系统的智能控制技术；b) 传感器的优化布设研究和智能传感器的研究；c) 实时的监测系统与现代网络

27、技术结合实现；d) 信息的网络共享；e) 无损检测技术的应用。1.4 本文的主要工作本文在明确桥梁检测重要性的前提下以现代桥梁设计理论、有限元分析技术为理论基础，依托某实桥介绍了桥梁荷载试验的方法、内容和过程。利用著名的结构分析软件Sap2000建立了大桥的有限元平面杆件单元模型。文章重点探讨了用于桥梁结构检测的有限元模型建立的原理、思路和过程。通过基于有限元模型的理论分析，在此基础上设计拱桥的静、动力荷载试验方案。同时也通过荷载试验方案的设计掌握桥梁结构的有限元分析方法，了解桥梁荷载试验的全过程，并且明确模型试验力学分析在工程实际中的应用。本文主要开展了以下几方面的工作：(1) 了解拱桥的结

28、构特点和发展历史，分析桥梁检测技术的发展现状和趋势。(2) 明确荷载试验在桥梁结构状态评定分析中的重要性，详细分析了荷载试验的基本方法、内容和过程。(3) 依据大桥的设计资料建立了该桥的有限元平面杆件模型。(4) 通过有限元模型，对大桥的结构和力学特性进行理论分析，确定拱桥的控制截面和控制内力。在保证荷载试验效果的前提下确定试验采用的试验荷载和加载工况，通过运行各种工况，得出结构各控制截面的变形和应力理论计算值。(5) 设计了一套适合本桥的荷载试验实施方案。最后确定该桥的实际承载能力为交通职能部门对大桥今后的管理、养护工作提供了可靠的信息。(6) 为以后进行荷载试验方案的现场检测结果，与有限元

29、模型的理论值相对比，确定校验系数，从而验证两者之间的一致性。也为今后的检测工作减轻负担提出美好的应用前景。第2章 建立有限元模型有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），即利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元方法的最广泛应用就是如在桥梁、房屋建筑等工程结构的结构分析。有限元分析是对物理现象的模拟是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。而进行有限元分析的前奏就是要建立有限元分析模型。简单的说有限元法思

30、想是将连续体分成有限个单元，单元间相互有结点连接的理想结点系统。分析时先进行单元分析用结点位移表示单元内力然后将单元再合成结构进行整体分析建立整体平衡关系由此求出结点位移。本章主要陈述了限元分析问题的一般方法、分析步骤，并用sap2000建立了拱桥平面杆件单元模型，同时按照规范确定了车道、人群荷载工况。2.1工程概况某桥为一跨100米的钢筋砼箱型拱桥，全长182米。主孔为一跨净跨100米钢筋砼箱型拱桥，净矢高20米，矢跨比为1/5，供系数M=1.756的等截面悬链线无铰拱。主拱圈为钢筋砼箱型拱桥，拱圈厚度为1.6米，拱圈全宽为7.5米。拱上构造由底梁、立柱构成，立柱和盖梁组成拱上排架。拱上底梁

31、较低一侧高均为40厘米，另一侧高度随着底梁位置的变化而变化。拱脚段底梁宽度为120厘米，拱顶段底梁宽度为100厘米。拱上立柱横向为2棑，横向尺寸为80厘米，拱脚段立柱纵向尺寸为100厘米。桥轴线处盖梁高为110厘米，顶面设双向2%的横坡，底面为水平。行车道板采用空心板高35厘米和45厘米两种，中板宽127厘米，边板宽129.5厘米，中间设置三孔直径为19厘米（板高35厘米）和26厘米（板高45厘米）的圆孔。行车道板铺装层为8厘米的C40钢纤维砼，铺装层设1010厘米的钢筋网络。人行道设有垫梁、缘石及人行道板，栏杆为钢筋砼结构。桥面净宽：净7.0米(行车道)+21.0米(人行道及栏杆)。设计荷载

32、：公路级，人群荷载3.5kN/。通航等级：四级。设计洪水频率：1/100。图2.1 施工中的拱桥全景图2.2 CAD中模型的绘制首先根据设计资料提供的数据绘制拱桥部分平面模型简图，为后期导入SAP2000建立框架体系做准备，拱桥部分平面模型简图如下图2.2。根据设计资料尺寸建立拱桥拱圈部分和桥面板梁部分横向截面形状，在cad中查阅比如惯性矩、面积等截面特性，为后面sap2000定义框架截面以及计算应力提供数据支持。板梁截面属性如图2.3，拱圈截面属性见图2.4。图2.3 梁板截面属性图2.4 拱圈截面属性2.3 在Sap2000建立平面杆件单元模型2.3.1 在Sap2000中的几何处理和约束限制处理几何处理：1、拱圈处理取形心轴，拱轴线分断，各段布置等分点，折线化。2、拱上立柱以及