鋼筋混凝土肋拱橋靜動力荷載實驗方案設(shè)計

1、前 言近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，橋梁建筑技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。為保證橋梁的正常使用，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)特性及其工作狀態(tài)是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，需要對橋梁進(jìn)行動靜載荷載試驗。我國自上世紀(jì)80年代起開始，公路建設(shè)事業(yè)步入了高速發(fā)展時期，建設(shè)了大量各類橋梁，目前公路橋梁總數(shù)已突破57萬座，成為僅次于美國的世界第二橋梁大國。許多大跨度橋梁也應(yīng)運而生，但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m；加勁梁的高跨比越來越小(1/40-1/300)；安全系數(shù)也隨之下降，由以前的4-5下降為2-3。而我國現(xiàn)有橋梁設(shè)計、施工的缺陷

2、和長期使用過程中的損傷、老化或災(zāi)害也逐漸暴露出來，混凝土結(jié)構(gòu)開裂、使用性能降低、承載力不足、抗震性能不良等諸多問題嚴(yán)重影響了現(xiàn)有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命周期和結(jié)構(gòu)安全。且隨著超重設(shè)備運輸?shù)某霈F(xiàn)，部分橋梁由于設(shè)計荷載等級的限制，特別是早期修建的橋梁，荷載等級均不能滿足超重設(shè)備運輸?shù)男枰?。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國民經(jīng)濟(jì)和生命財產(chǎn)造成了巨大損失。為了確保這些耗資巨大，與國計民生密切相關(guān)的大橋的質(zhì)量，特別是一些新結(jié)構(gòu)形式的橋梁及使用新材料、新施工工藝橋梁的質(zhì)量，根據(jù)交通部頒布的公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，必須對這些大橋進(jìn)行承載力鑒定。然而由于理論推斷與實際結(jié)構(gòu)的特性往往

3、存在著一定的差別，所以目前承載力的鑒定還離不開荷載試驗，橋梁荷載試驗是評價橋梁質(zhì)量的最直接和有效的方法和手段。一般橋梁荷載試驗的目的有:1、檢驗橋梁設(shè)計與施工的質(zhì)量對于一些新建的大、中型橋梁或者具有特殊設(shè)計的橋梁，在設(shè)計施工過程中必然會遇到許多新問題，為保證橋梁建設(shè)質(zhì)量，施工過程中往往要求做施工監(jiān)控。在竣工后一般還要求進(jìn)行荷載試驗，以檢驗橋梁整體受力性能和承載力是否達(dá)到設(shè)計文件和規(guī)范的要求，并把試驗結(jié)果作為評定工程質(zhì)量優(yōu)劣的主要技術(shù)資料和依據(jù)。2、判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載力舊橋由于構(gòu)件局部發(fā)生意外損傷，使用過程中產(chǎn)生明顯病害，設(shè)計荷載等級偏低等原因，有必要通過荷載試驗判定構(gòu)件損傷程度及承載力、受

4、力性能的下降幅度，確定其運營荷載等級。同時，舊橋荷載試驗也是改建、加固設(shè)計的重要依據(jù)。3.驗證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和設(shè)計方法對于橋梁工程中的新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，應(yīng)通過荷載試驗驗證橋梁的計算圖式是否正確，材料性能是否與理論相符.施工工藝是否達(dá)到預(yù)期目的。對相關(guān)理論問題的深入研究，往往也需要大量荷載試驗的實測數(shù)據(jù)。橋梁荷載試驗是判定橋梁承載力性能時所不可忽略的重要步驟之一。橋梁荷載試驗利用荷載作用引起橋梁結(jié)構(gòu)的變位和振動從而測試橋梁結(jié)構(gòu)指定部位的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及加速度等數(shù)據(jù)。可按加載方式不同分為靜載試驗和動載試驗。由靜載試驗可得到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度;由動載試驗可得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性(自振頻率、振型和

5、阻尼比) 和系統(tǒng)參數(shù)(剛度、質(zhì)量和阻尼矩陣) 。由此可確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀況和承載能力,掌握理論上難以模擬的部位或工況下的橋梁實際受力狀態(tài),發(fā)現(xiàn)一般性檢查和檢測中難以發(fā)覺的隱蔽病害,對橋梁結(jié)構(gòu)做出總體評價并判別橋梁的安全承載能力。目前,對于新建的大跨橋梁,修復(fù)或改建/ 加固的舊橋,以及要通過特種車輛的新、舊橋梁,均需進(jìn)行橋梁荷載試驗以有效評定其承載能力。本文重點闡述了有限元模型的建立及橋梁荷載試驗在橋梁檢測中的應(yīng)用,指出了其存在的問題及今后的研究發(fā)展方向。目 錄摘要ABSTRACT第1章 緒論.11.1橋梁動載靜載試驗簡介.11.1.1橋梁的荷載試驗.11.1.2選題目的的理論價值和現(xiàn)實意義

6、.11.1.3本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢.21.1.4荷載試驗研究的主要內(nèi)容.41.2 混凝土箱型肋拱橋靜荷載試驗方案設(shè)計的重點.51.2.1本論文研究內(nèi)容及目的.51.2.2本方案設(shè)計的重點.51.3大橋概述.61.3.1工程概況.61.3.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).61.3.3橋位，橋型的確定.61.3.4橋孔布置及橋面標(biāo)高.61.3.5基礎(chǔ)工程.61.3.6設(shè)計要點.6第2章 軟件介紹及有限元模型的建立.82.1引言.82.2 SAP2000介紹.82.2.1 SAP2000特點.82.2.2 SAP2000適用范圍.82.2.3 SAP2000程序的一些主要功能.92.3 SAP2000模

7、型的建立.92.3.1 SAP2000建模的一般步驟.92.3.2 SAP2000模型平面圖形.122.3.3 SAP2000模型立體圖.13第3章 荷載試驗理論計算資料.143.1荷載效率的定義.143.2 計算汽車沖擊系數(shù)的確定.143.3試驗荷載與控制截面的確定.153.4拱頂截面內(nèi)力的計算.163.4.1求拱頂截面的設(shè)計內(nèi)力.163.4.2求拱頂截面的試驗內(nèi)力.173.4.3拱頂截面的試驗荷載效率.173.5拱腳截面內(nèi)力的計算.173.5.1拱腳截面設(shè)計內(nèi)力.183.5.2拱腳截面試驗內(nèi)力.183.5.3求拱腳截面的試驗荷載效率.193.6四分之一截面內(nèi)力的計算.193.6.1四分之一

8、截面設(shè)計內(nèi)力.193.6.2四分之一截面試驗內(nèi)力.203.6.3求四分之一截面的試驗荷載效率.213.7八分之三截面內(nèi)力的計算.223.7.1求八分之三截面的設(shè)計內(nèi)力.223.7.2 八分之三截面的試驗內(nèi)力.223.7.3求八分之三截面的試驗荷載效率.243.8 肋拱橋的應(yīng)力、撓度計算.243.8.1各控制截面下的應(yīng)力計算.243.8.2各控制截面下的撓度計算.26第4章 荷載試驗方案.274.1 橋梁工程概況.274.1.1橋梁總體設(shè)計.274.1.2主要技術(shù)指標(biāo).274.2試驗依據(jù).274.3試驗?zāi)康?284.4主要檢測內(nèi)容.284.5試驗檢測方法.284.5.1應(yīng)力.284.5.2變位.

9、284.5.3試驗荷載作用下裂縫觀測.294.5.4結(jié)構(gòu)動力荷載試驗.294.6控制截面以及測點布置.294.6.1加載工況.294.6.2試驗橋跨測點布置.294.7試驗荷載及試驗工況.324.7.1控制荷載.324.7.2控制內(nèi)力.324.7.3試驗荷載.324.7.4試驗工況.334.7.5靜力試驗荷載效率.344.7.6加載車布置.344.8主要檢測儀器.364.8.1靜力試驗.364.8.2動力試驗.364.9試驗組織及安全措施.37第5章 總結(jié)與展望.39致 謝.41參考文獻(xiàn).42摘要近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國橋梁建設(shè)取

10、得了舉世矚目的成就，橋梁建筑技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。鋼筋混凝土拱橋由于承載力高、跨越能力強(qiáng)、抗震性能好、施工方便而得到迅速發(fā)展。為保證橋梁的正常使用，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)特性及其工作狀態(tài)是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，需要對橋梁進(jìn)行動靜載荷載試驗2。橋梁在長期的使用過程中不免會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。此外隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，這也可能因為超載而造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導(dǎo)致了橋梁承載能力和耐久性的降低，由此而引起的一系列問題都需要相應(yīng)的維修、改造和加固來解決，而這些工作又必須在對橋梁結(jié)構(gòu)詳細(xì)和系統(tǒng)的檢測的基礎(chǔ)上才能妥善進(jìn)行3。關(guān)鍵字：橋

11、梁，交通，荷載試驗ABSTRACTIn recent decades, with scientific and technological progress, the rapid development of the national economy, national infrastructure continues to expand the scale of construction, bridge construction in China has made remarkable achievements in bridge construction technology has al

12、so been much progress. Since the high capacity of reinforced concrete arch bridge, spanning ability, seismic performance, construction of convenient and rapid development. To ensure the normal use of the bridge, bridge inspection and structural characteristics and working conditions for conformance

13、to design standards and use requirements, the need for dynamic and static load on the bridge load test. Bridge in the long process of using a variety of structural damage will inevitably occur. In addition, as the rapid development of transportation construction, a substantial increase in traffic vo

14、lume, traffic density and traffic load increases, which may also be due to overloading of the damage caused by the bridge and then increased their natural aging. These factors have led to a bridge carrying capacity and durability of the reduction, the resulting series of questions have to be the app

15、ropriate maintenance, renovation and reinforcement to solve, and these must be on the bridge structure and detailed and based on the detection system can be properly carried out. Keywords: bridges, traffic, load test第1章 緒論1.1橋梁動載靜載試驗簡介1.1.1橋梁的荷載試驗近幾十年來，城市中大跨橋梁、立交工程和復(fù)雜高架橋梁大量涌現(xiàn)。我國的江河上和城市內(nèi)，都修建了許多特大和大、中

16、型橋梁，包括鐵路橋梁、公路橋梁、公鐵兩用橋和城市的立交橋等4。檢驗橋梁結(jié)構(gòu)特性及其工作狀態(tài)是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，以保證橋梁今后的安全運營，需要對已建成橋梁進(jìn)行動靜載荷載試驗。通過動靜載荷載試驗為橋梁結(jié)構(gòu)評估提供參考依據(jù)，是橋梁建設(shè)和使用中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。一般來說，橋梁有以下情況時需進(jìn)行荷載試驗：一是興建的大跨度混凝土橋，尤其是采用了新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝的橋跨結(jié)構(gòu)更需進(jìn)行荷載試驗；二是需通行特種車輛的新舊橋梁，為保證該橋使用安全，需按實際輪位和軸重進(jìn)行模擬荷載試驗或等效荷載試驗；三是修復(fù)的、改建的或加固的舊橋，為驗證工程效果，需進(jìn)行驗收或鑒定性荷載試驗；四是年久失修，且缺乏設(shè)計和

17、施工技術(shù)數(shù)據(jù)的舊橋，為判斷是否能承受預(yù)計的荷載，也需進(jìn)行荷載試驗 在實際工作中，橋梁荷載試驗在橋梁的科研，設(shè)計，施工，驗收等各方面都起著重要的作用。按照荷載試驗的側(cè)重點，目的與要求不同，橋梁荷載試驗分為以下幾種：（1） 科學(xué)研究性試驗和生產(chǎn)堅定性試驗（2） 動荷載試驗和靜荷載試驗（3） 原型試驗和模型試驗（4） 破壞性試驗和非破壞性試驗（5） 長期試驗和短期試驗1.1.2選題目的的理論價值和現(xiàn)實意義通過制定動靜荷載實驗方案，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合有限元方法分析該橋的靜載受力性能，以及動力特性等，從而對橋梁的安全性作出評估。橋梁荷載試驗的目的有：（1）檢驗橋梁設(shè)計與施工的質(zhì)量，對于一些大，中

18、型橋梁或者具有特殊設(shè)計的橋梁，在設(shè)計施工中必然會遇到許多新問題，為保證橋梁建設(shè)質(zhì)量，施工過程中往往要求做施工監(jiān)控，在竣工后一般還要求進(jìn)行荷載試驗，以檢驗橋梁是否符合規(guī)范和滿足要求。（2）檢驗橋梁的動力性能是否滿足正常使用的要求；通過荷載試驗驗證橋梁的計算圖式是否正確，材料性能是否與理論相符，施工工藝是否達(dá)到預(yù)期目的。（3）檢驗橋梁的承載能力是否滿足設(shè)計要求，橋梁使用中產(chǎn)生病害嗎，設(shè)計荷載等級偏低等原因，有必要通過荷載試驗判定構(gòu)件損傷程度及承載力，受力性能的下降幅度，確定其運營荷載等級，為橋梁的運營、養(yǎng)護(hù)和管理提供依據(jù)。橋梁檢測的價值與意義：隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，新建的橋梁越來越多，同時亦

19、有許多舊橋逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維護(hù)階段，為了適應(yīng)公路運輸量不斷發(fā)展的要求，充分利用既有的公路橋梁，使之能夠安全地為公路運輸服務(wù)，根據(jù)交通部頒布的公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范要求，必須對橋梁進(jìn)行檢測而對橋梁進(jìn)行荷載試驗是橋梁檢測的重要手段。通過橋梁荷載試驗結(jié)果可以更精確的評估橋梁的實際承載能力并判定橋梁是否需要檢修加固，從而使橋梁在實際工程中發(fā)揮更大的運輸作用。 1.1.3本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢橋梁在長期的使用過程中不免會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。此外隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，交通運輸量大幅度增加，行車密度及車輛載重越來越大，這也可能因為超載而造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷繼而加劇其自然老化。這些因素均導(dǎo)致了橋梁承載能力

20、和耐久性的降低，甚至影響到運營的安全，由此而引起的一系列問題都需要相應(yīng)的維修、改造和加固來解決，而這些工作又必須在對橋梁結(jié)構(gòu)詳細(xì)和系統(tǒng)的檢測的基礎(chǔ)上才能妥善進(jìn)行。傳統(tǒng)的橋梁檢測方法主要依賴于動靜載試驗和檢測人員的現(xiàn)場目測，輔以混凝土硬度實驗、超聲波探測、腐蝕作用實驗等多種檢測手段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)更是出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢態(tài)，先后涌現(xiàn)出一大批新的檢測方法和檢測手段，使無損檢測技術(shù)向著智能化、快速化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。近年來，一些新的方法被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達(dá)測試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態(tài)，

21、利用雙波長遠(yuǎn)紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動檢測鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等。隨著振動實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，運用振動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力模型修正理論得到了充分的發(fā)展，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測開辟了新的途徑?；谡駝幽B(tài)分析技術(shù)，人們研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)是整體狀態(tài)的一種度量，當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時，選用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進(jìn)行加權(quán)處理，從而實現(xiàn)對單元損傷的識別和有效定位。國外橋梁檢測技術(shù)發(fā)展動向：1）先進(jìn)的橋面板檢測系統(tǒng)，包括雙帶遠(yuǎn)紅外熱成像系統(tǒng)、地面滲透雷達(dá)等。2)先進(jìn)的橋梁測試和健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括全橋監(jiān)測系統(tǒng)的無線電發(fā)送、精確的差分式

22、全球定位系統(tǒng)測量橋梁變形、應(yīng)用鋼傳感器對橋梁超載進(jìn)行測量和監(jiān)測等。3)先進(jìn)的疲勞裂紋探測和評估系統(tǒng)，包括測橋梁裂紋的新型超聲波和磁分析儀系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、便攜式聲發(fā)射系統(tǒng)、無線應(yīng)變測量系統(tǒng)、微波探測和定量分析、無源疲勞荷載測量設(shè)備和電磁聲發(fā)射傳感器等。4)先進(jìn)的銹蝕探測和評估技術(shù)，包括磁漏探測技術(shù)、探測先張法壓漿空隙的沖擊一反射系統(tǒng)、埋入式銹蝕微傳感器以及以磁為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)。5)用強(qiáng)迫振動響應(yīng)法定量評估橋梁下部結(jié)構(gòu)、用激光振動計測量斜拉索索力以及量化的無損檢測方法與橋梁管理系統(tǒng)結(jié)合的課題。自八十年代起，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，橋梁工程的重點已逐步轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)維修、鑒定評估和加固改造方面，并已取得長

23、足進(jìn)展，在公路橋梁方面，美、英、加拿大和我國先后頒布了基于極限狀態(tài)原理和設(shè)計規(guī)范的橋梁評估標(biāo)準(zhǔn)。1980年，英國工程師協(xié)會發(fā)表了既有橋梁結(jié)構(gòu)的評估，1981 年，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織召開了關(guān)于道路橋梁維修管理國際會議，在1990 年、1993年1996 年，在英國召開了三次橋梁管理國際會議，此外，還有不少相關(guān)會議論集和專題研究報告，在工程實踐方面，美、英、加拿大先后頒布了基于結(jié)構(gòu)可靠性理論和設(shè)計規(guī)范的橋梁評估規(guī)范或文件。 國內(nèi)外檢測技術(shù)的一些最新發(fā)展在美國,每年有大量的橋梁急需維修，為了確保橋梁的維修經(jīng)費的合理使用，美國公路管理局?jǐn)M采用一種貝葉斯預(yù)測技術(shù)，將以前的檢測數(shù)據(jù)和工程判斷組合起來，可清

24、楚的考慮到測量的錯誤，將建立在工程評價和先前的經(jīng)驗信息上融入到未來的混凝土橋梁衰變預(yù)測中，并可隨時將新的檢測數(shù)據(jù)增添到已有橋梁的管理系統(tǒng)中的架構(gòu)中。這種技術(shù)現(xiàn)已運用于克羅拉多州的一座預(yù)應(yīng)力橋梁上。美國公路管理局早已開始對美國國內(nèi)所有的橋梁的基本數(shù)據(jù)建庫，并可將以后的檢測所獲得數(shù)據(jù)不斷的更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容。美國AASHTO 已建立起“DATAPAVE 路面長期管理使用性能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)”，相信不久其相應(yīng)的橋梁數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也將建立起來。我國上海市現(xiàn)已著手建立上“海市城市橋梁管理系統(tǒng)”，它通過對橋梁的不同部位進(jìn)行評價,通過加權(quán)匯總成全橋的橋梁缺損狀況值(BCI)，最后得出該橋的使用可靠度，這種分析

25、充分運用了模糊數(shù)學(xué)的知識。與世界先進(jìn)水平相比，我國公路橋梁方面的工作還存在一定的差距，主要現(xiàn)在設(shè)計評估理論還不夠先進(jìn)，評估體系還不夠健全，評估方法還有待于完善。近年來，我國也在積極開展橋梁方面的評估研究工作，逐步積累資料和經(jīng)驗，公橋梁已頒布基于設(shè)計規(guī)范的橋梁承載能力鑒定文件，而且，現(xiàn)在正在編寫城市梁抗震設(shè)計規(guī)范。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，公路橋梁在構(gòu)造形式上不斷更新，結(jié)構(gòu)上趨于輕型。這需要橋梁的設(shè)計工作者對橋梁的受力狀態(tài)等進(jìn)行合理的分析，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計目的5。1.1.4荷載試驗研究工作的主要內(nèi)容在結(jié)構(gòu)的檢測方法當(dāng)中，荷載試驗是一種最直觀、最重要的檢測方法。它是對橋梁結(jié)構(gòu)物進(jìn)行直接加載測試的一項科

26、學(xué)試驗工作，通過了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力及評價橋梁的營運質(zhì)量。對于一些在理論上難以計算的部位，通過荷載試驗可達(dá)到直接了解其受力的目的;通過荷載試驗還能有助于發(fā)現(xiàn)在一般性檢查中難以發(fā)現(xiàn)的隱藏病害;通過荷載試驗可以檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量:通過荷載試驗可以確定舊橋結(jié)構(gòu)的實際承載能力，為制定橋梁加固或改建技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)。橋梁的荷載試驗是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，技術(shù)含量高，應(yīng)根據(jù)荷載試驗的目的進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查分析，必要時進(jìn)行相關(guān)的理論分析。公路橋梁荷載試驗應(yīng)以國家和交通部頒布的有關(guān)公路橋涵的法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范為依據(jù)來進(jìn)行，對于某些新結(jié)構(gòu)以及

27、采用新材料、新工藝的橋梁，無相關(guān)條款規(guī)定時，可借鑒國外或國內(nèi)其它行業(yè)的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。荷載試驗的主要內(nèi)容包括:(l)荷載試驗方案的擬定(包括靜載試驗與動載試驗測試項目)；(2)荷載試驗的測點設(shè)置與測試儀器、設(shè)備組配；(3)荷載試驗的加載等級控制與試驗過程安全控制；(4)試驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)性能評定；(5)試驗報告編寫。根據(jù)荷載試驗的作用性質(zhì)，橋梁荷載試驗可分為靜載試驗和動載試驗。雖然二者在試驗?zāi)康暮蛢?nèi)容上都很不相同，但對承受以車輛荷載為主的橋梁結(jié)構(gòu)來說，這兩種性質(zhì)的荷載試驗對于全面分析和了解橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是同樣重要的。靜載試驗可在結(jié)構(gòu)上布置較多的測點，便于更全面的分析結(jié)構(gòu)的受力情況

28、。動載試驗則是研究分析橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載或其它動力荷載作用下的振動特性所必需的。在橋梁動載試驗當(dāng)中，按作用方式可將動力荷載分為沖擊荷載、振動荷載、和制動荷載。在具體的試驗中可根據(jù)試驗的具體要求來選擇荷載方式。目前，在橋梁設(shè)計實踐中，對于車輛荷載所產(chǎn)生的動力作用的影響，采用了在結(jié)構(gòu)靜力計算的基礎(chǔ)上引入活載沖擊系數(shù)的方法來考慮。以跨長或加載長度作為參數(shù)的沖擊系數(shù)是一個概括了多種影響因素的綜合性技術(shù)指標(biāo)。沖擊系數(shù)的數(shù)值范圍一般是通過橋梁動載試驗，并綜合分析來確定的。橋梁荷載試驗也是新型橋梁結(jié)構(gòu)性能研究、各類橋梁施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)承載能力評定工作的重要手段。普及橋梁荷載試驗技術(shù)，搞好試驗工作并做出橋梁結(jié)構(gòu)

29、性能的正確評價，對于推動我國橋梁建設(shè)，提高橋梁工程質(zhì)量，挖掘服役橋梁承載潛能，都具有十分重要的意義。1.2 混凝土箱型肋拱橋橋靜荷載試驗方案設(shè)計的重點1.2.1本方案研究內(nèi)容及目的在各種橋梁中，鋼筋混凝土箱型拱橋是公路橋梁廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，橋梁承載力評定的重要依據(jù)是橋梁荷載試驗。本次畢業(yè)設(shè)計是通過對混凝土箱型拱橋的結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計制定混凝土箱型拱橋的靜、動力荷載試驗方案。通過荷載試驗方案的設(shè)計了解實驗應(yīng)力分析在工程實際中的應(yīng)用，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，了解橋梁荷載試驗的全過程 。1.2.2本方案設(shè)計的重點：第一，查閱有關(guān)資料文獻(xiàn)，根據(jù)設(shè)計圖紙，應(yīng)用CAD和SAP2000建立混凝土箱型拱橋

30、的有限元模型，然后分析結(jié)構(gòu)的受力特點，通過結(jié)構(gòu)檢算，校合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定試驗控制截面；第二，對需要進(jìn)行實測的拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和理論值驗算分析和掌握需要進(jìn)行橋梁荷載試驗的實際拱式橋梁的結(jié)構(gòu)域受力特點,應(yīng)用SAP2000計算結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制內(nèi)力，選擇合適的試驗荷載并進(jìn)行等效布載和制定加載方案；第三，對實際橋梁進(jìn)行現(xiàn)場勘查和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)檢測,計算試驗荷載作用下控制測點,的應(yīng)力、撓度值；第四，根據(jù)不同的橋型確定主拱圈和拱上建筑的控制界面;選擇合理試驗設(shè)備，確定橋梁控制測點的應(yīng)力、撓度及索力的測試方法明確需要實測的截面參數(shù):應(yīng)力，應(yīng)變，撓度，變形。第五，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率分析，制定橋梁的動力試驗方案, 根

31、據(jù)結(jié)果對實橋?qū)嶋H工況進(jìn)行評定，并綜合分析判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載力，動力性能和使用條件, 對實橋進(jìn)行加載試驗，測取既定的各種實際參數(shù)并將理論值與實測值進(jìn)行比較。1.3大橋概述1.3.1工程概況大橋是連通三個區(qū)十多個鄉(xiāng)的交通要道，全橋長276.10米。1.3.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) （1）荷載：汽車20級，掛車100，人群300公斤/平方米。（2）橋面凈寬：凈7+2*2米人行道。（3）航道等級：按四級航道考慮。（4）設(shè)計洪水頻率：P=1%（5）橋頭引道：按三級公路接線。1.2.3橋位，橋型的確定（一）橋位： 初步設(shè)計時，提出來三個橋位，即峽門口橋位，中渡口橋位，紅豆樹橋位，進(jìn)行比較后采用紅豆樹橋位。（二）橋

32、型：采用無支架吊裝箱形拱。1.3.4橋孔布置及橋面標(biāo)高 孔徑和橋面標(biāo)高的確定，是根據(jù)水文，地質(zhì)，地形資料，并考慮了以下因素：滿足通航凈空的要求；避免水下基礎(chǔ)工程；減少橋前涌水保障船只行駛安全；滿足兩岸已建成的沿江路的立交。按此要求，主河槽用135米箱形拱跨過，兩橋墩均在枯水以上施工。兩岸分別布置了一跨55米的引孔，矢跨比均為1/6，橋面標(biāo)高確定為22米。1.3.5基礎(chǔ)工程 兩岸橋臺和1號，2號交界墩，采用明挖基礎(chǔ)，重力式墩臺，在滿足沖刷，強(qiáng)度，穩(wěn)定的要求下，基礎(chǔ)至于出去風(fēng)化層的基巖上。1.3.6設(shè)計要點（一）上部構(gòu)造 （1）主孔和引孔拱圈均為箱型斷面，全拱圈又五片拱箱組成，拱圈為等截面懸鏈線，

33、優(yōu)選拱軸系數(shù)，135米得拱軸系數(shù)m=1.121,55米拱軸系數(shù)m=1.521，拱上空腹部分由排架立柱支撐順橋向兩根連續(xù)縱梁，實腹部分為橫向與立柱同寬的墊墻，其上安裝橫向行車道板。 （2）拱圈為無鉸拱。135米但片拱箱合攏后，長細(xì)比較大，橫向穩(wěn)定系數(shù)較小，必須雙箱合攏并把拱腳接頭與墩帽用混凝土先澆好，形成固結(jié)，加強(qiáng)兩箱間各處橫向連接，保證兩箱的共同受力作用，才能滿足穩(wěn)定性要求。（二）下部構(gòu)造 （1）橋墩臺位置處，做過簡易的槽探和鉆探，施工開挖后，實際地質(zhì)情況與資料有出入，可酌情提高或加深基礎(chǔ)標(biāo)高。 （2）兩墩均是交界墩，剛度較大，與拱圈剛度比大于7，因此橋墩按單孔受力計算。 （3）兩墩均按施工制

34、動墩設(shè)計，即允許承受55米孔或135米孔的裸拱單向推力。第2章 軟件介紹及有限元模型的建立2.1引言在后續(xù)的計算和驗算中我們將運用到SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，它能簡化計算量，可以將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡化為桿件單元或者平面框架，使得建模更方便。在SAP2000三維圖形環(huán)境中提供了多種建模、分析和設(shè)計選項，且完全在一個集成的圖形界面內(nèi)實現(xiàn)。在今天的市場上SAP2000已經(jīng)被證實是最具集成化、高效率和實用的通用結(jié)構(gòu)軟件。在使用軟件之前，我們有必要對SAP2000個軟件有個基本的了解，清楚地知道它的使用方法和計算結(jié)果的調(diào)用。2.2 SAP2000介紹SAP2000 是獨立的基于有限元的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計程序。它

35、提供了功能強(qiáng)大的交互式用戶界面，帶有很多工具幫助快速和精確創(chuàng)建模型，同時具有分析最復(fù)雜工程所需的分析技術(shù)。SAP2000 是面向?qū)ο蟮?，即用單元?chuàng)建模型來體現(xiàn)實際情況。一個與很多單元連接的梁用一個對象建立，和現(xiàn)實世界一樣，與其它單元相連接所需要的細(xì)分由程序內(nèi)部處理。分析和設(shè)計的結(jié)果對整個對象產(chǎn)生報告，而不是對構(gòu)成對象的子單元，信息提供更容易解釋并且和實際結(jié)構(gòu)更協(xié)調(diào)。在SAP2000三維圖形環(huán)境中提供了多種建模、分析和設(shè)計選項，且完全在一個集成的圖形界面內(nèi)實現(xiàn)。在今天的市場上SAP2000已經(jīng)被證實是最具集成化、高效率和實用的通用結(jié)構(gòu)軟件。2.2.1 SAP2000特點三維結(jié)構(gòu)整體性能分析，空間

36、建模方便，荷載計算功能完善，可從CAD等軟件導(dǎo)入，文本輸入輸出功能完善。結(jié)構(gòu)彈性靜力及時程分析功能相當(dāng)不錯，效果高，后處理方便。不足之處在于彈塑性分析方面功能較弱，有塑性鉸屬性，非線性計算收斂性較差。提供二次開發(fā)接口。結(jié)構(gòu)工程分析中常用的工具。2.2.2 SAP2000適用范圍 SAP2000是通用的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件，適用范圍很廣，主要適用于模型比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如橋梁，大壩，海洋平臺，工業(yè)建筑，發(fā)電站，輸電塔，網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)然高層等民用建筑也能很方便的用SAP建模、分析和設(shè)計。在我國，SAP2000程序也在各高校和工程界得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是航空航天、土木建筑、機(jī)械制造、船舶工業(yè)、兵器以

37、及石油化工等許多部門都大量使用SAP2000程序。2.2.3 SAP2000程序的一些主要功能SAP2000具有極強(qiáng)的功能，如建模功能(二維模型、三維模型等)、編輯功能(增加模型、增減單元、復(fù)制刪除等)、分析功能(時程分析、動力反應(yīng)分析、等)、荷載功能(節(jié)點荷載、桿件荷載、板荷載、溫度荷載等)、自定義功能、以及設(shè)計功能等等。這些功能的實現(xiàn)均是在同一個可視化界面中實現(xiàn)的，用戶界面非常友好。它可以模擬大量的結(jié)構(gòu)形式，包括房屋建筑、橋梁、水壩、油罐、地下結(jié)構(gòu)等等。橋梁設(shè)計者可以用SAP2000的橋梁模板建立橋梁模型，自動進(jìn)行橋梁活荷載的分析和設(shè)計，進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)隔震和橋梁施工順序分析，進(jìn)行大變形懸索橋

38、分析和Pushover推倒分析。2.3 SAP2000模型的建立2.3.1 SAP2000建模圖2.1材料屬性截面定義如下圖2.2圖2.2定義截面SAP2000建模時有必要通過對組的定義，將同一類型的單元編為一組，從而方便模型的分析，組的定義見圖2.3圖2.3定義組車道定義見圖2.42.4定義車道車輛的定義見圖2.52.5定義車輛工況的定義如下圖所示圖2.6定義工況圖2.6定義分析工況2.3.2 SAP2000模型平面圖形圖2.6試驗橋梁有限元建模平面圖圖2.7平面圖形2.3.3 SAP2000模型立體圖圖2.8試驗橋梁三維拉伸圖形圖2.9 橋梁在恒載作用下的彎矩第3章 荷載試驗理論計算資料3

39、.1荷載效率的定義 為保證試驗效果，根據(jù)大跨境混凝土橋梁的試驗方法的要求，在選擇試驗荷載大小及加載位置時應(yīng)采用靜載試驗效率進(jìn)行控制，即： 式中：試驗荷載作用下，檢測部位變形或內(nèi)力的計算值； 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，檢測部位變形或內(nèi)力計算值； 設(shè)計取用沖擊系數(shù)。取值宜在0.81.05之間。當(dāng)橋梁調(diào)查、驗算工作比較充分完善時,可采用低限值；當(dāng)橋梁調(diào)查、驗算工作不充分，尤其是缺乏設(shè)計計算資料時，可采用高限值。根據(jù)上述兩點，在計算試驗荷載效應(yīng)時，首先要根據(jù)控制截面的設(shè)計內(nèi)力及加載設(shè)備的種類，初步確定加載位置、加載等級，以使試驗荷載逐級達(dá)到該截面的設(shè)計內(nèi)力，實現(xiàn)預(yù)定的加載效率，同時，應(yīng)計算其他控制截面在試驗

40、荷載作用下內(nèi)力，如未超過其設(shè)計內(nèi)力，說明試驗荷載的加載位置、加載等級有效且安全，如超過其設(shè)計內(nèi)力，則應(yīng)重新調(diào)整試驗荷載的加載位置、加載等級，直至找到既可使控制截面達(dá)到其加載效率、又使其它截面在試驗荷載作用下不超過其設(shè)計內(nèi)力的加載方式為止。其次，根據(jù)最終確定的加載等級、加載位置及加載重量，計算出試驗橋梁各級試驗荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為，包括試驗橋梁各應(yīng)力測試截面的應(yīng)力應(yīng)變，各撓度測點的撓度，必要時還要根據(jù)試驗橋梁的受力特點，計算出各測點的扭角、水平位移等結(jié)構(gòu)反應(yīng)，以便與實測值進(jìn)行比較，評價該橋的工作性能。最后，在上述工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，形成嚴(yán)密可行的加載程序，以便試驗時實施。根據(jù)拱橋的受

41、力特點，通常取拱頂、1/4截面、3/8截面和拱腳作為控制截面，所以對上述4個截面的控制內(nèi)力按照設(shè)計規(guī)范計算，再按照設(shè)計規(guī)范、加載等級、加載位置計算出試驗內(nèi)力，進(jìn)行試驗荷載效率控制8。3.2 計算汽車沖擊系數(shù)的確定1.鋼橋、鋼筋混泥土橋以及預(yù)應(yīng)力混凝土橋，圬工拱橋等上部構(gòu)造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺，應(yīng)計算汽車的沖擊系數(shù)。2 填料厚度等于或大于0.5m的拱橋、涵洞以及重力式墩臺不計沖擊力。3 支座的沖擊力，按相應(yīng)的橋梁取用。4汽車荷載的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)。5 沖擊系數(shù)可按下式計算：當(dāng)f14Hz時，=0.45式中f為結(jié)構(gòu)基頻（Hz）由于本橋計算跨

42、徑小于150m，所以不考慮縱向折減系數(shù)，在SAP2000里面分析以后得到基頻為0.78Hz，規(guī)范規(guī)定，當(dāng)基頻小于1.5Hz時，沖擊系數(shù)=0.05 。3.3試驗荷載與控制截面的確定 目前，對于橋梁靜荷載試驗主要是測試控制截面的應(yīng)力(應(yīng)變)、撓度等。對于公路橋梁，通常以汽車作為試驗荷載，并采用分級加載的方式進(jìn)行試驗6。本橋設(shè)計等級為公路二級，跨徑大于20m且小于150m時，城市規(guī)范規(guī)定：公路二級：當(dāng)計算彎矩時，車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用0.75倍的10.5 kN/m；計算剪力時，所加集中荷載采用0.75倍的360 kN。當(dāng)車道數(shù)等于或大于4條時，計算彎矩不乘以增長系數(shù)。計算剪力應(yīng)乘以增長系數(shù)1.

43、25，車道荷載如下所示：圖3.1車道荷載車輛荷載如下圖所示：圖3.2車輛荷載對于拱橋，控制截面的設(shè)計內(nèi)力包括拱圈控制截面(拱頂、L/4、拱腳)的軸力、彎矩，對于中承式、下承式拱橋還包括吊桿的軸力，對于系桿拱還包括系桿的軸力，對于上承式拱橋還包括立柱的軸力。而本橋，控制截面的選取主要為：肋拱拱腳截面的正、負(fù)彎矩，肋拱四分之一截面正、負(fù)彎矩，肋拱八分之三截面正、負(fù)彎矩，拱頂截面正彎矩。通過SAP2000軟件計算出各控制截面的設(shè)計內(nèi)力。3.4拱頂截面內(nèi)力的計算3.4.1求拱頂截面的設(shè)計內(nèi)力本橋拱頂?shù)膹澗財?shù)值=公路二級標(biāo)準(zhǔn)荷載+人群荷載產(chǎn)生的最大彎矩。根據(jù)規(guī)范，橋面寬7米時，車道數(shù)可取2，橫向折減系數(shù)

44、取1，當(dāng)跨徑大于150米時，應(yīng)考慮縱向折減系數(shù)，本橋跨徑135米，所以縱向折減系數(shù)取1，車道的定義和人群荷載的定義在建模中已有介紹，此處就不贅述了，在SAP2000里面運行工況后，就可以得到拱頂截面的彎矩影響線：圖3.3拱頂截面彎矩影響線按規(guī)范加載，得到拱頂?shù)恼龔澗貫?898kN.M3.4.2求拱頂截面的試驗內(nèi)力拱頂正彎矩部分影響線數(shù)值如下表： 表3-1 拱頂正彎矩影響線數(shù)值 由上表可以看出，拱頂截面處彎矩影響線豎標(biāo)值最大，據(jù)此可求出試驗內(nèi)力，加載方案和車輛布置見后面實驗方案，由此可得拱頂截面的試驗內(nèi)力5813 kN.m3.4.3拱頂截面的試驗荷載效率（5813/5898）100%=98%3.

45、5拱腳截面內(nèi)力的計算3.5.1拱腳截面設(shè)計內(nèi)力拱腳的彎矩數(shù)值=公路二級標(biāo)準(zhǔn)荷載+人群荷載產(chǎn)生的最大彎矩。據(jù)規(guī)范，在SAP2000中進(jìn)行車道、車道荷載定義，進(jìn)行移動荷載組合，即可得出各組合下的內(nèi)力。拱腳截面的影響線如下圖所示：圖3.4拱頂截面彎矩影響線按規(guī)范加載后，在SAP2000里面運行，得到拱腳的彎矩。拱腳正彎矩：10128kN.m， 拱腳負(fù)彎矩：-1158kN.m3.5.2拱腳截面試驗內(nèi)力拱腳正彎矩影響線數(shù)值如下表表3-2 拱腳正彎矩部分影響線數(shù)值拱腳負(fù)彎矩影響線數(shù)值如下表表3-3 拱腳負(fù)彎矩部分影響線數(shù)值由上表得到拱腳正負(fù)彎矩影響線的峰值，據(jù)此可求出試驗內(nèi)力，加載方案和車輛布置見后面實驗方案，由此可得拱頂截面的試驗內(nèi)力。 正彎矩：9981 kN.m 負(fù)彎矩：-10520 kN.m3.5.3求拱腳截面的試驗荷載效率正彎矩荷載效率（9954/10128）100%=98%負(fù)彎矩荷載效率（10520/11582）100%=91%3.6四分之一截面內(nèi)力的計算3.6.1四分之一截面設(shè)計內(nèi)力四分之一截面的彎矩數(shù)值=公路二級標(biāo)準(zhǔn)荷載+人群荷載所產(chǎn)生的最大彎矩數(shù)值。據(jù)規(guī)范，在SAP2000中進(jìn)行車道、車道荷載定義，進(jìn)行移動荷載組合，即可得出各組合下的內(nèi)力。四分之一截面的彎矩影響線如下圖所示：圖3.5四分之一截面的彎矩影響線按規(guī)范加載后，在SAP2000里面運行，得到四分之一截