1、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、部位、严重程度及发展趋势，以便
2、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
3、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
4、，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，在这基础上模拟进行试验加载并求出相
5、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。目 录摘 要 1ABSTRACT 2第 1 章 绪 论 11.1 本文的研究背景及意义 11.1.1 我国既有桥梁现状 11.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义 21.2 荷载试验的主要内容 31.2.1 静力试验 41.2.2 动力试验 51.3 国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势 51.4 本文的主要工作 7第 2 章 建立有限元模型 82.1 工程概况 82.2 CAD 中模型的绘制 92.3 在 Sap2000 建立平面杆件单元模型 102.3.1 在 S
6、ap2000 中的几何处理和约束限制处理 102.3.2 在 Sap2000 中定义材料和截面特性 112.3.3 在 Sap2000 中定义荷载工况 122.3.4 在 sap2000 中拱桥模型的展示 15第 3 章 桥梁结构分析 163.1 静力试验 163.1.1 试验的主要内容及观测项目 163.1.2 控制截面以及控制内力的计算 173.1.3 荷载效率的概念 193.1.4 试验工况的确定 203.1.5 试验结果分析 213.2 动力试验 243.2.1 桥梁动力试验测试内容与方法 243.2.2 桥梁动荷载的特性 253.2.3 桥梁模态分析的振型图 28第 4 章 荷载试验
7、实施方案 304.1 试验依据 304.2 试验目的 304.3 主要试验内容及检测方法 304.3.1 主要试验内容 304.3.2 试验检测方法 314.4 试验桥跨控制截面及测点布置 314.4.1 静力试验测点布置 324.4.1 动力试验测点布置 334.5 试验荷载及试验工况 344.5.1 控制荷载 344.5.2 试验荷载 344.5.3 试验工况 354.5.4 加载车布置 364.6 主要检测仪器及量测要求 404.6.1 静力试验 404.6.2 动力试验 404.6.3 量测要求 404.7 试验加载组织、控制与安全措施 414.7.1 试验加载组织 414.7.2 试
8、验的荷载的控制与安全措施 414.7.3 检测信息整理分析及处理反馈 43第 5 章 总结与展望 445.1 总结 445.2 展望 44致 谢 45参考文献 46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
9、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 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 performan
10、ce 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
11、 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 elem
12、ent model 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
13、 ，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
14、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
15、，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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、，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
21、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。
22、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
23、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
24、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。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
25、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
26、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
27、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“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
28、) “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
29、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
30、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
31、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
32、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。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
33、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
34、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
35、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：公路级，人群荷载 3.5kN/。通航等级：四级。设计洪水频率：1/100。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
36、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、
37、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 6：1、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 材料名称 弹性模量 （MPa）质量密度（kg/m）重力密度（N/m） 泊松比 热膨胀系数拱圈桥墩立柱C40 3.3104拱上立柱立柱底座C30 3.01042500 2
38、5000 0.2 3.010-5空心板梁盖梁以上部件考虑其刚度、荷载、质量。横系梁 C30 桥面铺装 C40 人行道板 C30 25000 以上结构部件考虑其荷载，忽略其刚度、质量。几何特性 修正系数项目部位截面形状 宽度（ m）高度（ m）截面积（m 2）抗弯惯矩I33（ m4）截面积抗弯惯矩拱上立柱 矩形 0.8 0.8 0.64 2 2拱上立柱（拱脚端）矩形 1.0 0.8 0.80 2 2桥墩立柱 矩形 1.0 1.0 1.0 2 2横系梁 矩形 0.6 0.8 0.48 1 1拱肋 通用型 7.5 1.6 12 1.743 1 1空心板梁 通用型 9.0 0.45 4.05 0.06
39、 1 1盖梁 通用型 9.3 1.1 10.23 1.989 1 1表 2.2 截面特性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5
40、0m 时，P=360kN，4、5m14Hz 时，=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 =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。在不影响主要试验目的的前提下一般采用内力或变形等效的加
41、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 进行控制（式 3.2）式中，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+)按规范取用的冲击系数值。 取值宜在 0.81.05 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.
42、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
43、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。工况序号 工况名称 测试内容 备注1 拱脚最大正弯矩的加载试验 拱脚处应力及位移2 拱脚最大负弯矩的加载试验 拱脚处应力及各截面位移3 1/4 拱最大正弯矩的加载试验 1/4 拱处应力与各截面位移4 1/4 拱最大负弯矩的加载试验 3/8 拱处应力与各截面位移5 3/8 拱最大正弯矩的加载试验 3/8 拱处应力与各截面位移试验车辆及其布置方式详见第4 章
