【正文】 長度之和） 500 米以上的特大橋 826 座，全長 100 米以上至 500 米的大橋5459 座，全長 20 米以上至 100 米的中橋 13872 座，全長不足 20 米的小橋 26731 座。 從上面的數(shù)據(jù)可知，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國交通運(yùn)輸建設(shè)也迎來了發(fā)展高峰。這也已成為各級(jí)公路管理部門工作的重點(diǎn)。 由中國工程院土木水利建筑學(xué)部陳肇元、范立礎(chǔ)、劉建航 等 14 位院士組成的工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性研究項(xiàng)目組，針對(duì)對(duì)我國土建工程的現(xiàn)狀和存在的問題分別在 2021 年和 2021 年 3 月兩次向國家有關(guān)部門遞交了咨詢報(bào)告，指出中國建筑（包括橋梁工程）安全的現(xiàn)狀讓院士們深感憂慮。到 2021 年，我國主要公路通道的平均交通達(dá)到 30000 輛 /天， 2020 年將分別達(dá)到 56000 輛 /天，京滬等交通量較大路段預(yù)計(jì)可達(dá)到每天 10 萬 —— 13 萬輛。 (3) 橋梁修建中有些質(zhì)量較低。由于舊有規(guī)范不能適應(yīng)交通2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，使得舊有橋梁的設(shè)計(jì)荷載偏小，這也是舊橋承載力偏低的一個(gè)重要原因。 (2) 人們出行需求對(duì)以前按舊標(biāo)準(zhǔn)荷載等級(jí)設(shè)計(jì)建造的橋梁要求愈來愈高，通過檢測(cè)、評(píng)價(jià)確定現(xiàn)有橋梁的荷載等級(jí)，從而決定是否需要通過加固來提高其荷載等級(jí)。 (2) 系統(tǒng)地收集橋梁技術(shù)數(shù)據(jù)，建立橋梁數(shù)據(jù)庫，為橋梁計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，以便更好地養(yǎng)護(hù)管理好橋梁，并能指導(dǎo)今后的橋梁養(yǎng)護(hù)、加固與維修工作。 (4) 了解橋梁實(shí)際受力狀態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)的安全承載能力和便用條件。對(duì)于一些在理論上難以計(jì)算的部位通過荷載試驗(yàn)可達(dá)到直接了解其受力的目的；通過荷載試驗(yàn)還能有助于發(fā)現(xiàn)在一般性檢測(cè)中難以發(fā)現(xiàn)的隱藏病害；通過荷載試驗(yàn)可以檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量；通過荷載試驗(yàn)可以確定舊橋結(jié)構(gòu)的實(shí)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)。對(duì)于某些新結(jié)構(gòu)以及采用新材料、新工藝的橋梁，無相關(guān)條款規(guī)定時(shí)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。通過校驗(yàn)系數(shù) 來說明結(jié)構(gòu)潛在的承載力，相對(duì)殘余變形反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。 雖然二者在試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容上都很不相同，但對(duì)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(yàn)對(duì)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。但是長期以來，人們?cè)跇蛄旱臋z測(cè)和評(píng)估方面缺少系統(tǒng)的分析和理論探討，技術(shù)水平提高不快?？梢韵嘈牛谶@一研究領(lǐng)域內(nèi)將具有廣闊的發(fā)展前景！ (一 ) 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 (l) 加強(qiáng)相關(guān)政策的研究和制定 由于《公路舊橋承載能力鑒定方法 (試行 )》 （ 1988）等規(guī)范頒布時(shí)間較早，且限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，隨著時(shí)間的推移，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范匱乏，有待完善。比如一系列課題的開展 a) 公路橋梁檢測(cè)、評(píng)定與加固成套技術(shù)研究及推廣應(yīng)用； b) 混凝土梁式橋損傷檢測(cè)與安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究； c) 國家 863項(xiàng)目“大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋長期下?lián)虾烷_裂的控制研究”； d) “在用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂成因及處治技術(shù)研究”； e) 其他相關(guān)的科研課題。 因此，需要建立新的橋梁評(píng)定的發(fā)展方向： a) 橋梁安全與健康概念體系的建立； b) 基于橋梁安全與健康概念的評(píng)定指標(biāo)體系； c) 結(jié)構(gòu)損傷理論的應(yīng)用； d) 可靠度方法； e) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理機(jī)制的專家評(píng)估系統(tǒng)； f) 在西方發(fā)達(dá)國家采用了新的方法比如日本、加拿大采用的荷載效應(yīng)的修正計(jì)2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 算方法，專家系統(tǒng)。利用著名的結(jié)構(gòu)分析軟件 Sap2021 建立了大橋的有限元平面桿件單元模型。 本文主要開展了以下幾方面的工作： (1) 了解拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)展歷史，分析橋梁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。在保證荷載試驗(yàn)效果的前提下確定試驗(yàn)采用的試驗(yàn)荷載和加載工況，通過運(yùn)行各種工況，得出結(jié)構(gòu)各控制截面的變形和應(yīng)力理論計(jì)算值。也為今后的檢測(cè)工作減輕負(fù)擔(dān)提出美好的應(yīng)用前景。有限元分析是對(duì)物理現(xiàn)象的模擬是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似。分析時(shí)先進(jìn)行單元分析用結(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)力然后將單元再合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析建立整體平衡關(guān)系由此求出結(jié)點(diǎn)位移。主拱圈為鋼筋砼箱型拱橋，拱圈厚度為 米，拱圈全寬為 米。拱上立柱橫向?yàn)?2 棑，橫向尺寸為 80 厘米，拱腳段立柱縱向尺 寸為 100 厘米。 人行道設(shè)有墊梁、緣石及人行道板，欄桿為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)洪水頻率： 1/100。 圖 拱橋部分平面簡(jiǎn)圖 10 圖 梁板截面屬性 圖 拱圈截面屬性 在 Sap2021 建立平面桿件單元模型 在 Sap2021 中的幾何處理和約束限制處理 幾何處理： 拱圈處理 —— 取形心軸，拱軸線分?jǐn)?，各段布置等分點(diǎn)，折線化。 定義單元 —— 主梁分段（ 4等分）、墩柱分段（自定）、分組拱圈單元、主梁?jiǎn)卧?、橋墩單元、立柱單元、蓋梁?jiǎn)卧?、立柱底梁?jiǎn)卧＃? 重力密度（ N/m179。首先按照《 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （ JTG D602021）的要求完成對(duì) 車道、人群、車輛荷載的定義，其次定義車輛類別，最后定義荷載組合。所謂橋梁靜力試驗(yàn)，是將靜止的荷載作用在橋梁上的指定位置，然后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫等參量進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能及使用能力做出評(píng)價(jià)。靜力試驗(yàn)是了解結(jié)構(gòu)特性的重要手段，不僅用它來直接解決結(jié)構(gòu)的靜力問題，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)一般也要先進(jìn)行靜力試驗(yàn)以測(cè)定結(jié)構(gòu)有關(guān)的特性參數(shù)。 表 主要試驗(yàn)內(nèi)容及觀測(cè)項(xiàng)目 截面編號(hào) 截面部位 應(yīng)力 擾度 裂縫 A 拱腳截面 ? ——— ? B 3/8 拱截面 ? ? ? C 1/4 拱截面 ? ? ? D 拱頂截面 ? ? ? 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 控制截面以及控制內(nèi)力的計(jì)算 根據(jù)所建立的模型，對(duì)于拱橋來說，一般選取拱腳、 1/4 拱、 3/8 拱、拱頂截面作為控制截面。 各控制截面的影響線如下： 圖 拱頂彎矩影響線 18 圖 四分之一拱彎矩影響線 圖 八分之三拱彎矩影響線 圖 右拱腳彎矩影響線 根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范 》（ JTG D602021），由車道荷載和人群荷載組合求得個(gè)控制截面的控制內(nèi)力。 沖擊系數(shù)可由以下式計(jì)算 ： f 時(shí)，μ =； ≤ f≤ 14Hz 時(shí)，μ =； 3．當(dāng) f14Hz 時(shí)，μ =； 式中 f為結(jié)構(gòu)基頻 Hz。但由于客觀條件的限制實(shí)際采用的試驗(yàn)荷載往往很難與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載一致。為保證試驗(yàn)效果，根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的要求，在選擇試驗(yàn)荷載大小及加載位置時(shí)應(yīng)采用靜力試驗(yàn)效率 η進(jìn)行控制 （ 式 ） 式中， η —— 靜力試驗(yàn)荷載效率； Static—— 試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值； S—— 控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值； (1+μ)—— 按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。一般在進(jìn)行橋梁靜荷載試驗(yàn)的時(shí)候其加載一般是按規(guī)范采用車輛分級(jí)加載，通過控制每級(jí)加載車的荷載大小來做到安全加載。 其次，應(yīng)計(jì)算其他控制截面在試驗(yàn)荷載作用下內(nèi)力，如未超過其設(shè)計(jì)內(nèi)力，說明試驗(yàn)荷載的加載位置、加載等級(jí)有效且安全，如超過其設(shè)計(jì)內(nèi)力。 本試驗(yàn)采用汽車進(jìn)行加載來確定試驗(yàn)荷載效應(yīng)。 表 試驗(yàn)荷載下各截面內(nèi)力、荷載效率 工況序號(hào) 工況名稱 測(cè)試內(nèi)容 備注 1 拱腳最大正彎矩的加載試驗(yàn) 拱腳處應(yīng)力及位移 試驗(yàn)車輛及其布置方式詳見第 4章 2 拱腳最大負(fù)彎矩的加載試驗(yàn) 拱腳處應(yīng)力及各截面位移 3 1/4 拱最大正彎矩的加載試驗(yàn) 1/4 拱處應(yīng)力與各截面位移 4 1/4 拱最大負(fù)彎矩的加載試驗(yàn) 3/8 拱處應(yīng)力與各截面位移 5 3/8 拱最大正彎矩的加載試驗(yàn) 3/8 拱處應(yīng)力與各截面位移 6 3/8 拱最大負(fù)彎矩的加載試驗(yàn) 3/8 拱處應(yīng)力與各截面位移 7 拱頂最大正彎矩的加載試驗(yàn) 拱頂截面應(yīng)力與各截面位移 8 拱腳最大水平推力的加載試驗(yàn) 拱腳處應(yīng)力 控制截面 試驗(yàn)工況 試驗(yàn)荷載 荷載效率 最大正彎矩 () 最大負(fù)彎矩（ ） 軸力(kN) 正彎矩荷載效率 負(fù)彎矩荷載效率 拱腳 2 6941 7412 1790 1/4 拱 4 5848 3809 1848 22 荷載效率滿足規(guī)范要求。 由此可以計(jì)算出每個(gè)控制截面在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力，此即為拱橋的仿真模型的分析結(jié)果，通過與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果相比較，可以驗(yàn)證了兩者之間的一致性。 撓度測(cè)點(diǎn)如圖 ，測(cè)的各截面擾度結(jié)果見表 。 為滿足交通運(yùn)輸日益增長的需要，不但各種交通車輛的數(shù)量有了迅速的增長而且車輛的行駛速度和載重量也有很大提高。橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題影響因素復(fù)雜，僅靠理論分析還不能滿足工程應(yīng)用的需要，一般需采用理論分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法解決，橋梁動(dòng)力試驗(yàn)就成為解決該問題必不可少的手段。它在橋梁設(shè)計(jì)或橋梁檢驗(yàn)中，是確定車輛荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用的重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)一般大于相應(yīng)的靜力效應(yīng)。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 （一）檢驗(yàn)橋梁受迫振動(dòng)特性的試驗(yàn)荷載 自振特性測(cè)試方法是測(cè)試環(huán)境隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，并通過計(jì)算機(jī)記錄并實(shí)施 FFT 信號(hào)處理分析出頻域響應(yīng)結(jié)果。 （二）測(cè)定橋梁自振特性的激振荷載 行車激振試驗(yàn)采用車輛以特定速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用于的動(dòng)力響應(yīng)。 (2) 車輛通過橋梁后的余振。 (6) 對(duì)于頻率低、柔性大的橋梁可用有節(jié)奏行進(jìn)的人群作為荷載。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析和抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須了解并確定作用于結(jié)構(gòu)上的一切動(dòng)力荷載的特性，例如作 26 用力的大小、方向、頻率和作用規(guī)律等，沒有這些資料就無法可靠地進(jìn)行試驗(yàn)，也不可能完善地進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析。我們知道路面的平整度是隨機(jī)變化的，由此所引起的振動(dòng)也是隨機(jī)的。對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)通常是通過結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，除了驗(yàn)證 和分析橋梁的風(fēng)動(dòng)穩(wěn)定性外，還可合理的選擇具有良好的空氣動(dòng)力性能的結(jié)構(gòu)斷面形式。 (一 ) 橋梁受迫振動(dòng)特性 (1) 動(dòng)力試驗(yàn)荷載效率 ηdyn=Sdyn/S 式 () 式中 : Sdyn— 動(dòng)力試驗(yàn)荷載 (按靜力重量考慮 )作用下檢測(cè)部位的變形或力的計(jì)算數(shù)值； S— 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下，檢測(cè)部位變位或力的計(jì)算值 (不計(jì)動(dòng)力系數(shù) )； (2) 動(dòng)力系數(shù) σmax=Smax/Smean 式 () 式中 ： Smax— 動(dòng)力荷載引起檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大動(dòng)力變形或力值 (即最大波峰值 )； Smean 靜力荷載引起同一檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大靜力變形或力值 Smean =1/2(Smax+Smin) 式 () Smin 與 Smax 為相應(yīng)的最小值，即同一周期的波谷值。可將結(jié)構(gòu)分成若干段，在各分界點(diǎn)安放測(cè)振儀器，在同一瞬間求出個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅和相位差，即可給出振型。 (8) 卸載后 (車輛出橋后 )的結(jié)構(gòu)自振頻率。 0 1 0 22212M M M MTT??? 式 () 221 2 2 10 2221T M T MM TT?? ? 式 () (2) 結(jié)構(gòu)的阻尼特性 圖 阻尼自由衰減時(shí)程曲線 阻尼自由衰減的時(shí)程曲線 28 平均衰減系數(shù) ? ： 1 ln nT n mama??? 式 () 式中 :m— 波數(shù)； Tm — m個(gè)波所需的時(shí)間 ； T— 阻尼振動(dòng)的周期 ； na 和 nma? — m個(gè)波最初和最終的振幅。 橋梁模態(tài)分析的振型圖 圖 一階振型圖 圖 二階振型圖 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 圖 三階振型圖 圖 四階振型圖 圖 五階振型圖 30 第 4 章 荷載試驗(yàn)實(shí)施方案 試驗(yàn)依據(jù) 交通部部頒《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》 （ 1988）； 交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 （ JTG D612021） 交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 （ JTG D622021）； 交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （ JTG D602021 ）； 交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（ JTGT H212021）； 試驗(yàn)橋