拱桥静、动力荷载试验方案毕业设计

毕业设计（论文）

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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，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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

目 录

摘 要 ................................................................................................................................ 1 ABSTRACT ..................................................................................................................... 2 第1章 绪 论 ................................................................................................................ 1

1.1 本文的研究背景及意义 ................................................................................... 1

1.1.1 我国既有桥梁现状 ................................................................................ 1 1.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义 ............................................................ 2 1.2荷载试验的主要内容 ........................................................................................ 3

1.2.1 静力试验 ................................................................................................ 4 1.2.2 动力试验 ................................................................................................ 5 1.3 国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势 ............................................... 5 1.4 本文的主要工作 ............................................................................................... 7 第2章 建立有限元模型 ................................................................................................ 8

2.1工程概况 ............................................................................................................ 8 2.2 CAD中模型的绘制 ......................................................................................... 9 2.3 在Sap2000建立平面杆件单元模型 ............................................................. 10

2.3.1 在Sap2000中的几何处理和约束限制处理 ...................................... 10 2.3.2 在Sap2000中定义材料和截面特性 .................................................. 11 2.3.3 在Sap2000中定义荷载工况 .............................................................. 12 2.3.4 在sap2000中拱桥模型的展示 .......................................................... 15

第3章 桥梁结构分析 .................................................................................................. 16

3.1 静力试验 ......................................................................................................... 16

3.1.1 试验的主要内容及观测项目 .............................................................. 16 3.1.2 控制截面以及控制内力的计算 .......................................................... 17 3.1.3 荷载效率的概念 .................................................................................. 19 3.1.4 试验工况的确定 .................................................................................. 20 3.1.5 试验结果分析 ...................................................................................... 21 3.2 动力试验 ......................................................................................................... 24

3.2.1 桥梁动力试验测试内容与方法 .......................................................... 24 3.2.2 桥梁动荷载的特性 .............................................................................. 25 3.2.3 桥梁模态分析的振型图 ...................................................................... 28

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

第4章 荷载试验实施方案 .......................................................................................... 30

4.1 试验依据 ......................................................................................................... 30 4.2 试验目的 ......................................................................................................... 30 4.3 主要试验内容及检测方法 ............................................................................. 30

4.3.1 主要试验内容 ...................................................................................... 30 4.3.2 试验检测方法 ...................................................................................... 31 4.4 试验桥跨控制截面及测点布置 ..................................................................... 31

4.4.1 静力试验测点布置 .............................................................................. 32 4.4.1 动力试验测点布置 .............................................................................. 33 4.5试验荷载及试验工况 ...................................................................................... 34

4.5.1 控制荷载 .............................................................................................. 34 4.5.2 试验荷载 .............................................................................................. 34 4.5.3 试验工况 .............................................................................................. 35 4.5.4加载车布置 ........................................................................................... 36 4.6主要检测仪器及量测要求 .............................................................................. 40

4.6.1静力试验 ............................................................................................... 40 4.6.2 动力试验 .............................................................................................. 40 4.6.3 量测要求 .............................................................................................. 40 4.7 试验加载组织、控制与安全措施 ................................................................. 41

4.7.1 试验加载组织 ...................................................................................... 41 4.7.2 试验的荷载的控制与安全措施 .......................................................... 41 4.7.3 检测信息整理分析及处理反馈 .......................................................... 43

第5章 总结与展望 ...................................................................................................... 44

5.1总结 .................................................................................................................. 44 5.2展望 .................................................................................................................. 44 致 谢 .............................................................................................................................. 45 参考文献 ........................................................................................................................ 46

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

ABSTRACT

This 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 analysis, 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, dynamic 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 model to design the bridge load test plan.

Keywords: Arch bridge, Static loading test, Dynamic loading test, Simulation analysis, Finite element method

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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。

2008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18万座。

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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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，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，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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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 J21—2011)，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“梁式桥梁承载能力快速荷载试验与评定技术

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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10×10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)+2×1.0米(人行道及栏杆)。 设计荷载：公路—Ⅱ级，人群荷载3.5kN/㎡。 通航等级：四级。 设计洪水频率：1/100。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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。

图2.2 拱桥部分平面简图

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。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

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、拱上立柱以及立柱底梁和盖梁处理——取形心轴、确定上、下节点位置。 3、墩、桩处理——取形心轴墩的上节点位置。 4、主梁处理——取形心轴、取计算跨径。

5、定义单元——主梁分段（4等分）、墩柱分段（自定）、分组拱圈单元、主梁单

元、桥墩单元、立柱单元、盖梁单元、立柱底梁单元。

约束、限制处理[6]：

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

1、约束——拱脚固定约束，桩底固定约束，左梁端固定铰支，右梁端活动铰支。 2、限制——立柱底梁底部部：body限制，盖梁顶部：Equal.z限制三点，Equal.x

限制两点。

图2.5 拱桥杆件单元模型

2.3.2 在Sap2000中定义材料和截面特性

表2.1 材料特性

结构部件 拱圈 材料弹性模量质量密度重力密度泊松比 热膨胀系数 名称 （MPa） （kg/m³） （N/m³） C40 3.3×104 桥墩立柱 拱上立柱 2500 立柱底座 C30 空心板梁 盖梁 以上部件考虑其刚度、荷载、质量。 横系梁 桥面铺装 人行道板 C30 C40 C30 —— —— —— —— —— —— 25000 —— —— —— —— —— —— 3.0×104 25000 0.2 3.0×10-5 以上结构部件考虑其荷载，忽略其刚度、质量。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

表2.2 截面特性

几何特性 项目部位 截面形状 宽度（m） 拱上立柱 拱上立柱 （拱脚端） 桥墩立柱 横系梁 拱肋 空心板梁 盖梁 矩形 矩形 矩形 矩形 通用型 通用型 通用型 0.8 1.0 1.0 0.6 7.5 9.0 9.3 高度（m） 0.8 0.8 1.0 0.8 1.6 0.45 1.1 截面积抗弯惯矩修正系数 截面积 2 2 2 1 1 1 1 抗弯惯矩 2 2 2 1 1 1 1 （m2） I33（m4） 0.64 0.80 1.0 0.48 12 4.05 10.23 —— —— —— —— 1.743 0.06 1.989 2.3.3 在Sap2000中定义荷载工况

在sap2000中定义各种荷载工况，本模型采用车道荷载和人群荷载的组合计算控制截面的控制荷载，并根据控制截面的影响线定义不同的试验荷载工况。首先按照《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004）的要求完成对车道、人群、车辆荷载的定义，其次定义车辆类别，最后定义荷载组合。

图2.6 车道定义

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图2.7 车道荷载图式

P q 注：由《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004）对车道荷载有如下要求： 公路—I级：

1、q=10.5kN/m，

2、计算跨径≤5m时，P=180kN， 3、计算跨径≥50m时，P=360kN， 4、5m<计算跨径<50m时，P直线内插， 5、计算剪力效应时，P乘以1.2。 公路—II级：P和q取公路—I级的0.75倍。

在sap2000中定义人群、车道荷载工况如下：

图2.8 人群荷载

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图2.9 车道荷载

图2.10 荷载工况

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

2.3.4 在sap2000中拱桥模型的展示

本桥是用sap2000建立平面模型图，共分为269个节点，241个杆单元，其模型图如下：

图2.11 平面模型透视图

图2.12 模型3d效果图

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

第3章 桥梁结构分析

3.1 静力试验

静力试验是桥梁结构试验中最大量、最常见的基本试验。所谓桥梁静力试验，是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，然后对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力做出评价。因为桥梁结构工作时的所受的荷载主要是静力荷载，就是荷载位置随时间而变的移动车辆荷载，在设计计算时一般也是作为静力来考虑的。

桥梁结构静力试验一般可以通过重力或其他类型的加载设备来实现并能满足试验要求。静力试验的加载过程是从零开始逐步递增一直到预定的荷载为止。静力试验是了解结构特性的重要手段，不仅用它来直接解决结构的静力问题，在进行结构动力试验时一般也要先进行静力试验以测定结构有关的特性参数。本节主要介绍桥梁控制截面与控制内力的确定、试验荷载和试验工况的确定、以及各个试验工况下的理论值。 3.1.1 试验的主要内容及观测项目

常见桥梁的主要观测项目有：结构的挠度、支座沉降、结构最大拉、压应力和中性轴位置、支座附近截面的主拉应力、活动支座的变化以及裂缝的出现和扩展状况。本桥静力试验截面及观测内容详见表3.1。

表 3.1 主要试验内容及观测项目

截面编号

C D A B 截面部位 拱脚截面 3/8拱截面 1/4拱截面 拱顶截面 应力     扰度 ———    裂缝     部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

3.1.2 控制截面以及控制内力的计算

根据所建立的模型，对于拱桥来说，一般选取拱脚、1/4拱、3/8拱、拱顶截面作为控制截面。计算时只考虑A、B、C、D四个截面。如下图3.1。

图3.1 拱桥的各个控制截面

运行荷载工况，分别得出个控制截面的弯矩影响线，从而得出个控制截面的最不利加载位置，以进一步了解桥梁的受力特性，也为确定试验车辆的布载位置做好准备工作。

各控制截面的影响线如下：

图3.2 拱顶弯矩影响线

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图3.3 四分之一拱弯矩影响线

图3.4 八分之三拱弯矩影响线

图3.5 右拱脚弯矩影响线

根据《公路桥涵设计通用规范 》（JTG D60-2004），由车道荷载和人群荷载组合求得个控制截面的控制内力。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

设计荷载作用下控制截面的控制内力见表3.2 。

表3.2 控制内力

控制截面 A 拱脚 弯矩M (kN.m) 6057 752 7111 6074 947 7324 B 3/8拱 弯矩M (kN.m) 3198 441 3798 5115 467 5837 C 1/4拱 弯矩M (kN.m) 3323 511 4000 5036 442 5729 D 拱顶 弯矩M(kN.m) —— —— —— 3724 351 4261 控制内力 车道 最大负弯矩 人群 总和 车道 最大正弯矩 人群 总和 拱脚处在的最大水平推力为1773kN。 由拱桥的受力特性可知，拱脚处承受的弯矩最大，试验结果理论值符合要求。 其中活载作用弯矩总和

（式3.1）

(1+μ)——按规范取用的汽车冲击系数值。 冲击系数可由以下式计算： 1.当f<1.5Hz时，μ=0.05；

2.当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ=0.1767lnf-0.0157； 3．当f>14Hz时，μ=0.45； 式中f为结构基频Hz。

由于本桥跨径小于150m，所以不考虑纵向折减系数，在sap2000中求得结构的基频为f=0.69Hz，因此按照规范规定，冲击系数μ=0.05 。 3.1.3 荷载效率的概念

试验荷载效应计算是在设计内力计算结果的基础上来确定加载位置、加载等级以及在试验荷载作用下结构反应大小的过程，也是一个反复试算的过程。由于桥梁静力试验为鉴定荷载试验，试验荷载原则上应尽量采用与设计标准荷载相同的荷载。但由于客观条件的限制实际采用的试验荷载往往很难与设计标准荷载一致。在不影响主要

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

试验目的的前提下一般采用内力或变形等效的加载方式：即计算出设计标准荷载对控制截面产生的最不利内力，以此作为控制值。然后调整试验荷载使该截面内力逐级达到此控制值。为保证试验效果，根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的要求，在选择试验荷载大小及加载位置时应采用静力试验效率η进行控制

（式3.2）

式中，η——静力试验荷载效率；

Static——试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或变位的最大计算效应值；

S——控制荷载产生的同一加载控制截面内力或变位的最不利效应计算值； (1+μ)——按规范取用的冲击系数值。

η取值宜在0.8—1.05之间。当桥梁调查、验算工作比较充分完善时可采用低限值，当桥梁调查、验算工作不充分尤其是缺乏设计资料时可采用高限值。

3.1.4 试验工况的确定

目前对于桥梁静荷载试验主要是测试控制截面的应力（应变）、挠度等。一般在进行桥梁静荷载试验的时候其加载一般是按规范采用车辆分级加载，通过控制每级加载车的荷载大小来做到安全加载。这里仅讨论荷载试验采用车辆加载的情况。

首先，依据《公路桥涵设计通用规范 》（JTG D60-2004）对车辆荷载的要求，根据控制截面的设计内力、控制截面的影响线，以及加载设备的种类，初步确定加载车辆、加载位置、加载等级。以使试验荷载逐级达到该截面的设计内力，实现预定的加载效率。

其次，应计算其他控制截面在试验荷载作用下内力，如未超过其设计内力，说明试验荷载的加载位置、加载等级有效且安全，如超过其设计内力。则应重新调整试验荷载的加载位置、加载等级，直至找到既可使控制截面达到其加载效率、又可使其它截面在试验荷载作用下不超过其设计内力的加载方式为止。

最后，在上述工作的基础上结合现场实际情况形成严密可行的加载程序，以便试验时的实施。静力试验荷载效率为试验方案计算值，实际荷载效率因加载车辆装载的差异会有所变化。

本试验采用汽车进行加载来确定试验荷载效应。以设计正常使用荷载作为加载控制按控制截面内力、轴力等效原则进行布载，并使控制截面的试验荷载效率满足检测规程的要求。在sap2000中定义好试验车辆荷载工况。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

表3.3 试验工况

工况序号 1 2 3 4 5 6 7 8 3.1.5 试验结果分析

工况名称 拱脚最大正弯矩的加载试验 拱脚最大负弯矩的加载试验 1/4拱最大正弯矩的加载试验 1/4拱最大负弯矩的加载试验 3/8拱最大正弯矩的加载试验 3/8拱最大负弯矩的加载试验 拱顶最大正弯矩的加载试验 拱脚最大水平推力的加载试验 测试内容 拱脚处应力及位移 拱脚处应力及各截面位移 1/4拱处应力与各截面位移 3/8拱处应力与各截面位移 3/8拱处应力与各截面位移 3/8拱处应力与各截面位移 拱顶截面应力与各截面位移 拱脚处应力 备注 试验车辆及其布置方式详见第4章 由此得出每个试验工况下的试验车辆布载，通过对各个工况的运行分析，得出各部位的内力及加载效率。

表3.4 试验荷载下各截面内力、荷载效率

试验荷载 控制截面 试验工况 最大正弯矩(kN.m) 最大负弯矩（kN.m） 轴力(kN) 荷载效率 正弯矩荷载效率 负弯矩荷载效率 拱脚 1、2 6941 7412 1790 0.95 1.04 1/4拱 3、4 5848 3809 1848 1.02 0.95 部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

3/8拱 5、6 5917 3804 1870 1.01 1.00 拱顶 7 4002 ——— 1669 0.94 ———— 试验荷载下（试验工况8）拱脚最大水平推力1660kN，荷载效率为0.94 。 荷载效率满足规范要求。

由于拱圈主要受弯矩和轴力作用的组合变形，因此由试验荷载的弯矩和轴力计算出测试部位的应力σ：

（式3.3）

式中F为测试截面的轴力， M为测试截面的弯矩，A为测试截面的面积， I为截面绕x轴的惯性矩，y为截面边缘到中性轴的距离。

其中F、M可由sap2000试验工况确定，A、I、y由在CAD中查找截面属性确定。由于拱圈是等截面，因此个控制截面的截面属性相同。

由此可以计算出每个控制截面在试验荷载下的应力，此即为拱桥的仿真模型的分析结果，通过与现场检测结果相比较，可以验证了两者之间的一致性。也为以后桥梁评定减小工作量作出相应的理论依据。

表3.5 试验荷载作用下的应力

控制截面 拱脚 3/8拱 1/4拱 拱顶

4.58 面积2截面属性 惯性矩距离y4 轴应力正弯曲应负弯曲应正应力负应力A(m) I（m） （m）（MPa） 力（MPa） 力（MPa） （MPa） （MPa） 0.39 3.19 3.65 2.80 4.04 0.40 1.74 0.8 0.40 2.09 1.33 1.68 1.74 2.69 1.81 2.29 2.21 0.36 2.23 ——— 1.87 ——— 部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

由于在实测中测试拱圈挠度比较困难，而经过模型验算，发现立柱对桥面和拱圈的竖向变形影响很小，因此在桥面采用精密水准仪测试桥面对应截面的挠度来与桥面竖向变形的理论值做比较。

挠度测点如图3.6，测的各截面扰度结果见表3.6 。

图3.6 扰度测点布置

表3.6 各试验工况下挠度测点的挠度值

试验 工况 挠度 测点 Y1（mm） Y2（mm） Y3（mm） Y4（mm） Y5（mm） Y6（mm） Y7（mm） Y8（mm）

10.6 15.1 16.9 12.4 11.6 15.4 16.8 12.4 9.3 12.3 13.7 12.5 12.6 9.6 7.2 4.2 10.3 13.2 16.5 9.8 9.2 12.5 12.6 9.6 8.4 11.9 13.7 9.8 11.7 10.2 8.6 6.2 9.2 14.3 17.1 12.2 11.8 10.7 9.6 9.3 9.4 12.5 13.7 12.3 10.4 9.6 9.3 4.6 3.5 7.2 16.6 22.6 22.6 16.6 7.1 3.4 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6 工况7 部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

3.2 动力试验

桥梁结构是承受以自重荷载和各种车辆为主要荷载的结构物。桥梁结构在移动的车辆、人群、风力和地震等动力荷载作用下会产生振动，但主要是由于车辆荷载以一定的速度在桥上通过而产生的。同时，车辆驶过桥梁时，由于桥面起伏不平或发动机的抖动等原因都会使桥梁振动加剧。

为满足交通运输日益增长的需要，不但各种交通车辆的数量有了迅速的增长而且车辆的行驶速度和载重量也有很大提高。并且近年来由于计算理论不断的完善，以及新结构型式和轻质高强材料的应用，都促使桥梁结构逐渐轻型化。因此，车辆荷载或其它动力荷载对桥梁结构的冲击和振动影响，己成为桥梁结构计算分析中不容忽视的重要因素之一。

桥梁结构的振动分析是桥梁结构分析的又一项重要内容。桥梁结构的振动问题影响因素复杂，仅靠理论分析还不能满足工程应用的需要，一般需采用理论分析与试验测试相结合的方法解决，桥梁动力试验就成为解决该问题必不可少的手段。桥梁结构的动力特性（振型、频率和阻尼比）是桥梁承载力评定的重要参数，同时也是识别桥梁结构工作性能和桥梁抗震分析的重要参数。

在桥梁的设计实践中，车辆荷载的动力作用是用一个综合性的技术指标 “冲击系数”来反映的，它因结构型式、跨度和车辆的类型而异。冲击系数综合地反映了桥梁结构的动力特性、车辆的运动性能以及桥面的平整程度等因素的影响。它在桥梁设计或桥梁检验中，是确定车辆荷载对结构的动力作用的重要技术参数，它直接影响到桥梁结构的安全和设计的经济合理性。因此，在桥梁结构振动的研究中，车辆荷载冲击系数的试验研究是一个重要课题。

桥梁的动力试验与静力试验相比具有其特殊性。首先，引起结构产生振动的振源(例如车辆、人群、阵风或地震力等)和结构的振动响应都是随时间而变化，而且结构在动荷载作用下的响应与结构本身的动力特性有密切关系。动荷载产生的动力效应一般大于相应的静力效应。

3.2.1 桥梁动力试验测试内容与方法

动力测试主要包括自振特性测试和行车激振试验。自振特性测试是测试主梁、主塔的自振频率和振型。行车激振试验包括有障碍行车试验和无障碍行车试验，分别模拟桥面有无损伤时桥面行车对桥跨结构的冲击作用。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

（一）检验桥梁受迫振动特性的试验荷载

自振特性测试方法是测试环境随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应，并通过计算机记录并实施FFT信号处理分析出频域响应结果。

(1) 通常采用接近运营条件的汽车，列车或单辆重车以不同车速通过桥梁，要求每次实验时车辆在桥上的行驶速度保持不变；或在桥梁动力效应最大的检测位置行刹车或起动)试验。

(2) 进行特殊科学实验项目的桥梁进行模拟船舶披击桥墩、汽车撞击防护构造和弹药爆炸等冲击荷载试验。

(3) 桥梁在风力、流冰幢击和地震力等动力荷载作用下的动力性能试验，只宜在专门的长期观测中实现。

（二）测定桥梁自振特性的激振荷载

行车激振试验采用车辆以特定速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用于的动力响应。障碍行车(跳车)试验是在测试截面所对应的桥面上设置障碍物来模拟桥面铺装局部损伤状态，来测定桥跨结构在桥面处于不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应。由动态应变仪测试主梁的动态应变，并由桥梁光电挠度仪测试主梁的动挠度。

(1) 在预定激振位置，汽车后轮越过一根高5─I5厘米的有坡面的横木，车轮落下后立即停车。

(2) 车辆通过桥梁后的余振。

(3) 撞击或冲击荷载(如落锤、火箭发射器等)。 (4) 突然卸载(如释放)。

(5) 运转频率可调节的起振机(可测定不同振型的频率)。

(6) 对于频率低、柔性大的桥梁可用有节奏行进的人群作为荷载。 3.2.2 桥梁动荷载的特性

引起桥梁结构产生振动的荷载，主要是经常行驶于桥上的各种车辆荷载，此外还有风动荷载和地震荷载等。上述各种荷载产生的动力荷载大致可分为三种类型：冲击荷载、振动荷载以及二者联合作用的动力荷载。

桥梁结构在运营过程当中，经常会受到由车辆自身的振动所引起的动力作用，特别是当车辆行驶在不平整的桥面上时，这种作用尤为明显。在对桥梁结构进行动力分析和抗震设计时，首先必须了解并确定作用于结构上的一切动力荷载的特性，例如作

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

用力的大小、方向、频率和作用规律等，没有这些资料就无法可靠地进行试验，也不可能完善地进行试验结果的分析。

车辆荷载行驶在桥上时，由于桥上路面的不平整会激起车辆的振动。此时，车轮与路面之间荷载的波动则是造成桥梁结构发生振动的激振力。如果车身连同货物的惯性力使轮压发生周期性的变化，则对结构形成周期性的扰动力。我们知道路面的平整度是随机变化的，由此所引起的振动也是随机的。在移动的车辆荷载对桥梁振动的影响当中，不平整的桥面起着控制作用。

桥梁结构在使用期间，除了经常受到使用荷载，即各种车辆荷载的动力作用外，有时也要考虑到风荷载和地震荷载的作用。对于大跨度悬吊结构需要考虑风荷载的动力作用，由于结构在风力作用下的受力和振动情况很复杂，在理论上目前还不能很好的解决桥梁的风振问题。对于重要的结构通常是通过结构模型进行风洞试验，除了验证和分析桥梁的风动稳定性外，还可合理的选择具有良好的空气动力性能的结构断面形式。对于地震荷载的特性可利用强震观测所获得的地面运动过程及结构对它的反映等资料进行分析研究。在地震荷载作用下，桥梁结构的强迫振动一方面取决于地面运动的规律，另一方面也同结构本身的动力特性有关。因此，可以在地震时观测地面运动及结构物在地震荷载作用下的振动过程，从而在此基础上研究分析地震荷载的特性。 (一) 桥梁受迫振动特性

(1) 动力试验荷载效率

ηdyn=Sdyn/S 式(3.4)

式中:

Sdyn—动力试验荷载(按静力重量考虑)作用下检测部位的变形或力的计算数值； S—设计标准活荷载作用下，检测部位变位或力的计算值(不计动力系数)； (2) 动力系数

σmax=Smax/Smean 式(3.5)

式中：

Smax—动力荷载引起检测部位的实测最大动力变形或力值(即最大波峰值)；

Smean静力荷载引起同一检测部位的实测最大静力变形或力值

Smean =1/2(Smax+Smin) 式(3.6)

Smin与Smax为相应的最小值，即同一周期的波谷值。

(3) 结构受迫振动频率、振幅与加速度。加速度可用仪器直接测出，也可按公式 a=4π2f2A 式(3.7) 求得，式中：f——受迫振动频率，A——振幅。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

(4) 振型。可将结构分成若干段，在各分界点安放测振仪器，在同一瞬间求出个测点的振幅和相位差，即可给出振型。

(5) 动力系数与车速的关系曲线。

(6) 动力系数与受迫振动频率的关系曲线。 (7) 车速与受迫振动频率的关系曲线。 (8) 卸载后(车辆出桥后)的结构自振频率。 （二）桥梁自振特性的资料，包括：

(l) 结构自振频率f0(或周期T0)。当激振荷载对结构振动具有附加质量影响(如用汽车跳车或落锤激振)时，应采用下列近似公式求得自振周期：

T0TM0 式(3.8)

M0M式中：

To—自振周期，T01； f0T——有附加质量影响的实测周期，T=1/f，f为有附加质量影响的实测频率； M0——结构在激振处的换算质量； M——附加质量。

结构的换算质量可用两个不同重量的突加荷载依次激振，分别测定自振周期为T和T2其附加质量分别为M1和.M2，可用下列关系式求得换算质量Mo 。

M0M1M0M2 式(3.9) T12T22T12M2T22M1 式(3.10) M022T2T1(2) 结构的阻尼特性

阻尼自由衰减的时程曲线

图3.7 阻尼自由衰减时程曲线

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

平均衰减系数：

a1lnn 式(3.11) mTanm式中:m—波数；mT—m个波所需的时间；T—阻尼振动的周期；an和anm—m个波最初和最终的振幅。 平均阻尼比值：

a1lnn 式(3.12) 2manm式中:—阻尼振动园频率；

(3) 结构的振动形式(振动弹性曲线)。表示沿桥跨各测点的振幅和振动相位的关系。

(4) 结构各部分的振动速度和加速度的分布图。 3.2.3 桥梁模态分析的振型图

图3.8 一阶振型图

图3.9 二阶振型图

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图3.10 三阶振型图

图3.11 四阶振型图

图3.12 五阶振型图

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

第4章 荷载试验实施方案

4.1 试验依据

1、 交通部部颁《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》 （1988）； 2、 交通部部颁标准《公路圬工桥涵设计规范》 （JTG D61-2005）

3、 交通部部颁标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 （JTG

D62-2004）；

4、 交通部行业标准《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004 ）； 5、 交通部行业标准《公路桥梁技术状况评定标准》（JTGT H21-2011）； 6、 试验桥梁相关设计文件； 7、 桥梁荷载试验合同文件。

4.2 试验目的

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等指标，以达到下述目的：

1、考察桥梁结构的整体变形规律，评价结构的实际受力状态和工作状况； 2、检验桥梁的动力性能是否满足正常使用的要求；

3、检验桥梁的承载能力是否满足设计要求，为桥梁的运营、养护和管理提供依据。

4.3 主要试验内容及检测方法

4.3.1 主要试验内容

1、结构外观检测

(1) 桥梁外观检测（采用目测和高倍望远镜观测桥台、桥墩、空心板梁、桥面铺装、伸缩缝、栏杆等外观状况）；

(2) 空心板梁控制截面附近区域开裂情况检测。 2、静力试验 (1) 控制截面应力；

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

(2) 控制截面最大挠度及其横向分布规律； (3) 控制截面附近区域裂缝观测。 3、动力试验

(1) 结构动力特性，包括固有频率和阻尼比。

(2) 结构动力响应，包括控制截面动应变、冲击效应等。 4.3.2 试验检测方法

1、应力

控制截面应力采用工具式应变传感器和应变仪检测测点的应变，测试分辨率为±1×1e.6（1με），根据材料的弹性模量换算测点应力。试验桥梁为预应力混凝土结构，应变测点主要布置在试验桥跨各片T梁下缘混凝土表面，以检测截面的最大应力和应力横向分布。对梁端剪力控制截面，在腹板的中性轴附近布置应变花测点，根据应变分析确定腹板的主拉应力。

2、变位

控制截面挠度采用精密水准仪进行检测，测试分辨率为±0.01mm。沿挠度控制截面横向布置2个测点，以检测挠度横向分布规律；并沿纵向截面布置8测点，以测试拱的纵向变形规律。

3、试验荷载作用下裂缝观测

主要采用目测的方法检测荷载作用下控制截面的开裂情况，如若发现裂缝，采用裂缝观测仪测量其宽度，测试分辨率为±0.02mm。

4、结构动力荷载试验

通过跑车、刹车、跳车、脉动测试等试验方法，采用动态信号采集分析系统采集结构的应变、加速度等信号，通过对时域信号和频谱信号进行分析，得到结构的冲击系数以及结构固有频率、阻尼比等结构动力特性指标。

4.4 试验桥跨控制截面及测点布置

试验测点布置的合理科学与否，是决定试验效果的关键因素。经第三章的分析，将拱桥的应力测点及挠度测点布置详图如下，此外还应在控制截面附近区域观测主拱圈的开裂情况。在做拱脚最大水平推力试验时，还应该观测桥墩处的开裂及水平方向位移情况。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

4.4.1 静力试验测点布置

图4.1 拱顶截面应变花测点布置

图4.2 四分之一拱与八分之三拱截面应变花测点布置

注：图4.1，图4.2中“”标记为混凝土表面应变花测点。

图 4.3控制截面位置

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图4.4 横截面方向挠度测点布置

图4.5 拱跨方向挠度测点布置

注：图4.4，图4.5中“”标记为静挠度测点，采用精密水准仪测试。

4.4.1 动力试验测点布置

加速度测点布置在拱脚截面、四分之一拱截面、拱顶截面，及图4.3的A、B、D三个截面，布置位置见图

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图4.6 加速度计布置位置

注：图4.6中“ ”代表加速度测点。

4.5试验荷载及试验工况

4.5.1 控制荷载

设计荷载：公路—Ⅱ级，人群荷载3.5kN/㎡。控制内力根据交通部行业标准《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004）的规定按设计荷载计算其控制截面的控制弯矩。其中，汽车荷载按规范考虑冲击效应。 4.5.2 试验荷载

以设计正常使用荷载作为加载控制，按控制截面内力等效原则进行布载，并使控制截面试验荷载效率满足检测规程的要求。采用2台30t三轴载重车和2台42t三轴载重车对试验跨进行等效布载，正式加载试验之前，须对每台车辆均进行过磅称重。

试验车型及加载车辆的参数如下：

图4.7 三轴重车加载车型图

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

表4.1 加载车辆参数

车辆型号 加载车数量（台） 前—中（前－后）轴距（m） 中—后轴距（m） 后轴—车尾距离（m） 前轴重（t） 中—后轴重（t） 总重（t） 说明：

车型1 4 4.00左右 1.40左右 ≤2.00 6.0 18.0×2=36.0 42.0 车型2 4 4.00左右 1.40左右 ≤2.00 6.0 12.0×2=24.0 30.0 1、配套方提前落实加载车辆并及时将车辆规格参数告之检测方。 2、加载车辆的轴重分配应与表尽量一致。

3、轴重误差应控制在1吨以内4台加载车的总重偏差应控制在±1%以内。 4、加载车过磅完毕应及时提供车辆过磅单。过磅单中应有车辆牌号、前轴重、 中-后轴重、总重、过磅员签字、过磅单位印章等信息。

5、加载车辆租用时间应考虑途中、重物装在以及调整、车辆过磅等时间。 6、现场实际用车时间可能会有所延长。 4.5.3 试验工况

根据本试验采用汽车进行加载来确定试验荷载效应。以设计正常使用荷载作为加载控制按控制截面内力、轴力等效原则进行布载，并使控制截面的试验荷载效率满足检测规程的要求，试验工况分为静力试验工况和动力试验工况。

静力试验工况及荷载效率见下表：

表4.2 试验工况 工况序号 1 2 3 4 工况名称 拱脚最大正弯矩的加载试验 拱脚最大负弯矩的加载试验 四分之一拱最大正弯矩的加载试验 四分之一拱最大负弯矩的加载试验 测试内容 拱脚处应力及各截面挠度 四分之一拱处应力及各截面挠度 部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

5 6 7 8 八分之三拱最大正弯矩的加载试验 八分之三个最大负弯矩的加载试验 拱顶最大正弯矩的加载试验 拱脚最大水平推力的加载试验

八分之三拱应力及各截面挠度 拱顶处应力及各截面挠度 拱脚处应力 表4.3静力试验荷载效率

控制荷载内力 工况 控制截面 用车数量 最大正弯矩最大负弯矩试验荷载内力 最大正弯矩最大负弯矩荷载效率 正效负效率 率 (kN.m) （kN.m） (kN.m) （kN.m） 1、2 拱脚 4 4 4 4 8 7324 5729 5837 4637 7111 4000 3798 —— 6941 5848 5917 4852 7412 3809 3804 —— 0.95 1.04 1.02 0.95 1.01 1.00 0.94 —— 0.94 3、4 1/4拱 5、6 3/8拱 7 8 拱顶 拱脚 水平推力（kN） 1773 水平推力（kN） 1670 说明：表中荷载效率为试验荷载设计值，实际荷载效率因加载车辆实际装载情况会有所变化。

动力试验：

a、跑车试验（跑车速度根据现场情况确定）； b、30km/h车速跨中截面紧急刹车试验； c、跳车试验； d、脉动试验。 4.5.4加载车布置

加载车横向布置和纵向布置见图4.8 。其中，拱脚最大正弯矩工况采用两台30吨三轴重车，其余工况采用如图所示的两种三轴重车。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图4.8 试验车辆横向和纵向布置

图4.9 工况1、拱脚截面最大正弯矩车辆布置方式

图4.10 工况2、拱脚截面最大负弯矩车辆布置方式

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图4.11 工况3、四分之一拱截面最大正弯矩车辆布置方式

图4.12 工况4、四分之一拱截面最大负弯矩车辆布置方式

图4.13 工况5、八分之三截面最大正弯矩车辆布置方式

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

图4.14 工况6、八分之三拱截面最大负弯矩车辆布置方式

图4.15 工况7、拱顶截面最大正弯矩车辆布置方式

图4.16 工况8、右拱脚最大水平推力车辆布置方式

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

4.6主要检测仪器及量测要求

4.6.1静力试验

1.BX120.80A应变片； 2.0~30mm电测百分表； 3.YE2539高速静态应变仪； 4.SW.LW0.101裂缝观测仪； 5.其他辅助设备。 4.6.2 动力试验

1.BX120.80A应变片； 2.0~30mm电测百分表； 3.YE14105高灵敏加速度计；

4.DH5938/37动态信号采集及分析系统； 5.其它辅助设备。 4.6.3 量测要求

在现场荷载试验的短时间里，必须注意日照和昼夜温度变化对结构物及量测数据的影响。根据不同的量测方法和条件，采取以下措施减少温度对结构及测量结果的影响：

（1）荷载试验安排在昼夜温差小、阴天或夜间（深夜至黎明前）近乎恒温的条件下进行试验；

（2）选择气象条件较稳定的日期进行试验。事先从当地气象台站取得可靠的天气预报资料，在加载试验前，即在无荷载作用下至少记录24小时的气温变化，并采用与试验程序相同的间隔时间对所有测点进行读数，以此修正加载试验过程中各测点的量测数据；

（3）在试验过程中可采用连续观测读数、分段计算每个荷载阶段读数增量的方法（假设加载短时间内结构温度场近乎不变）；

（4）埋设与测点相同的、以传感器制备的无应力试件。在加载试验中，每次观测应力测点的同时。观测无应力计的变化，以此修正其它量测数据。此法只能补偿结构均匀温度变化和均匀收缩的影响；

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

（5）量测仪器的精度、静态测定时应选用不大于预计量测值的5％，动态测定时应选用不大于预计量测最大值的10％；

（6）测量的基准点、如仪表架、水准观测站及标尺等，必须牢固可靠；连同量测仪器，均应予以防护，避免日照、风雨、振动和周围其它干扰；

（7）测量中选用受温度影响小、能够进行自动温度补偿的仪器设备。

4.7 试验加载组织、控制与安全措施

4.7.1 试验加载组织

（1）召开动员会，明确各专业组分工和各组负责人责任，为保证荷载试验的顺利进行对工作人员进行如下分工： 设试验指挥1名负责加载、卸载、仪器测读、交通控制等指令的分布；电测组由2人组成负责静力试验的电测数据（包括水准挠度）采集及监测；车辆引导组由1人组成具体负责车辆调度、引导、就位以及加载信息的记录；保持试验现场工作人员通讯的畅通以保证试验指令和反馈信息的通畅。

（2）经过前期准备、桥况详查，进行测点和试验项目调整； （3）设置测点、基准点；

（4）在桥面划出车道线、载位线； 对于桥梁加载，根据控制截面位置及截面的控制内力，进行加载车位置划分。

（5）连接仪器设备、通电，检测各个系统工作是否正常； （6）根据天气、交通情况，最终确定加载时间。 4.7.2 试验的荷载的控制与安全措施

（1）荷载试验的试验加载：

a) 按预定的加载时间、加载方案开始试验； b) 按拟定的测试工况加载； c) 发现试验异常，立即中止试验； d) 试验完成后，清理试验现场；

e) 整理试验资料和电子数据，确认试验成果； f) 确定试验现场作业结束。 （2）荷载试验的控制

试验指挥人员在加载试验过程中随时掌握各方面的情况，对加载进行控制。既要

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

取得良好的试验效果，又要确保人员、仪表设备及桥梁的安全，避免不应有的损失。

1、加载控制

加载控制应严格按设计的加载程序进行加载。荷载的大小应由小到大逐渐增加并随时作好停止加载和卸载的准备。

2、测点的观测

对加载试验的控制点应随时观测、随时计算。并将计算结果报告试验指挥人员。如实测值超过计算值较多，则应暂停加载，待查明原因再决定是否继续加载。试验人员如发现其它测点的测值有较大的反常变化也应查找原因并及时向试验指挥人员报告。

3、加载过程的观测

加载过程中应指定人员随时观察结构各部位可能产生的新裂缝，注意观察构件薄弱部位是否有开裂、破损组合构件的结合面是否有开裂、错位支座附近混凝土是否开裂、横隔板的接头是否拉裂、结构是否产生不正常的响声、加载时墩台是否发生摇晃现象等等。如发生这些情况应报告试验指挥人员，以便采取相应的措施。

4、终止加载控制条件

a) 控制测点的应力值已达到或超过用弹性理论按规范安全条件反算的控制应力

值时；

b) 控制测点变位（或挠度）超过规范允许值时；

c) 由于加载，使结构裂缝的长度，缝宽急剧增加，新裂缝大量出现，裂缝宽度超

过允许值的裂缝大量增多，对结构使用寿命造成较大的影响时；

d) 加载时沿跨长方向的实测挠度曲线分布规律与计算值相差过大或实测挠度超

过计算过多时；

e) 发生其他损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。 5、荷载试验过程中的交通管制

进行桥梁荷载试验，必须中断交通，为此应根据最终确定的试验方案、试验开始时间和试验预计历时，编制交通管制方案，考虑道所有试验桥均未通车，交通管制采取封闭试。

6、动力试验要求及注意事项

a) 行车试验时严格按照预定的行车速度在行车道上均匀行驶，注意根据各控制断

面结构构造，确定振动测点位置的布置。

b) 脉动试验采用的传感器试验前应进行严格标定。由于桥梁结构的振动频率一般

比较低，信号采集系统要有足够的放大倍数，另外低通滤波器截止频率不宜

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

太高。

c) 脉动试验时，合理地布置参考点和测点，可以根据理论分析结果对测点进行合

理的优化布置，测出前几阶固有振动特性。

4.7.3 检测信息整理分析及处理反馈

(1) 资料的整理和保存

a) 检测过程中做好检测记录，每天对检测记录进行分类整理；

b) 每座桥梁对照竣工资料填写桥梁资料卡，对资料不全，通过现场调查完成桥梁

资料卡；并现场校对桥梁的基本数据，拍摄桥梁的全景及相关照片； c) 现场按照竣工图（或设计图）对墩、台、梁等构件进行编号，对桥梁病害做好

现场记号，内业资料中应有书面记录。 (2) 检测报告的编制 a) 检测报告内容分桥编写；

b) 按业主要求提交检测报告与电子文档；

c) 报告包括的内容有：桥梁检测的原因、内容、项目、方法；使用的仪器设备；

检测结果分析；

d) 结构定期检测的评论结论；结构使用限制（包括荷载、速度、机动车通行或车

道数限制）；

e) 按照《桥梁养护技术规范》中规定的表格进行填写，包括桥梁资料卡，桥梁等

级分类等内容；

f) 进行仿真验算，计算书作为附件附于检测报告中，提交业主。 (3) 荷载试验报告（实验数据处理分析）

a) 按照试验大纲的内容，简要介绍试验实施概况；

b) 试验前后和试验期间对桥梁进行外观检测所得到的结构状况（包括构件尺寸、

裂缝和损坏等）；

c) 量测数据的计算结果和各种关系曲线；

d) 对试验成果的分析与评定，包括试验值与理论计算值或标准规定值的比较； e) 对于结构适用性、耐久性和设计合理性的评定和桥梁安全运营条件的建议； f) 试验和报告的日期，主持和参加单位及人员名称，主持者签名。

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

第5章 总结与展望

5.1总结

荷载试验是桥梁结构检测的一种重要的手段是一项复杂而细致的试验研究工作。它能为桥梁结构的特性、桥梁结构的实际承载能力的评估提供科学、直观的依据。特别是对于一些新桥型、新结构的应用可以提供有效的实测资料能为新的设计理论和新的施工工艺的发展积累实践资料。

本文在总结有关桥梁的荷载试验方法的基础上通过对该桥的理论计算及分析研究。设计了该桥的静、动力试验方案。本桥梁荷载试验方案设计包括了对此桥梁结构的模型计算，主桥的静、动力荷载试验方案。由于时间和实际因素等限制的原因对此桥的动力试验没有做详细研究。但是动力试验是桥梁检测的重要部分所以在日后还需对此桥的动力性能作更详细的分析。

5.2展望

随着国家基础建投资的不断增加，我国桥梁工程的建设规模越来越大，既有桥梁数量日益增多。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。为了对这类桥梁进行综合评定为相应的技术改造或拆迁改建的决策提供依据。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。

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，目前正逐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！

随着桥梁检测技术的发展，特别是借助于现代化检测手段的无损检测技术代表着桥梁检测技术的最新发展方向，也是桥梁健康监测这一大型综合智能型决策系统设计

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

的关键。无损检测技术将向着智能化、快速化、系统化的方向发展。检测技术也将在桥梁工程建设中发挥重要的作用。

致 谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师许羿老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，许老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了许老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，特别是我的同组成员。在建模过程中也得到了陈世明老师的悉心指导。在此一并致以诚挚的谢意。

感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

感谢我的父亲、母亲对我的理解、支持和帮助。尽管与他们为我付出的一切相比，所有的语言都显得苍白无力，我仍要真诚地说声：谢谢您们！

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！

.

参考文献

[1]周水兴，向中富，桥梁土程[M]，重庆：重庆大学出版社，新疆大学出版社，2001 [2]胡钊芳，湛润水，公路桥梁荷载试验[M]，北京：人民交通出版社，2003 [3]周明华，土木工程结构试验与检测[M]，南京：东南大学出版社，2010

[4]张宇峰，朱晓文，桥梁工程试验检测技术手册[M]，北京：人民交通出版社，2009 [5]宋一凡，公路桥梁荷载试验与结构评定[M]， 北京：人民交通出版社，2002 [6]陈世民，陈卓，何琳，SAP2000结构分析简明教程[M]，北京：人民交通出版社，2005

[7]公路桥涵设计通用规范（JTG D60.2004），交通部行业标准，人民交通出版社 [8]大跨径混凝土桥梁的试验方法（YC4.4/1982），交通部行业标准，人民交通出版社 [9]公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21.2011），交通部行业标准，人民交通出版社

[10]桥梁承载能力评定（报批稿），交通部行业标准（报批稿）

[11]Hans Petorsson，Peter Collin，Milan Veljkovic，Jorgen Andersson，Monitoring of a Swedish Integral Abutment Bridge［J］，STRUCTURAL ENGINEERING INTERNATIONAL，May 2011．

[12]Ricardo OLIVEIRA，Engineering Geological Investigations for the Foundations of Large Structures.Examples of a Concrete Dam and a long Bridge in Portugal [J]，J. Mt. Sci. 2011

部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！