【正文】 梁中主要的橋型之一 [1]。拱式結構在豎向荷載作用下，支承處不僅產(chǎn)生豎向反力，而且還產(chǎn)生水平推力，由于這個水平推力的存在，拱的彎矩將比相同跨徑梁的彎矩小很多，而使整個拱主要承受壓力。為此，在橋梁的壽命周期內需對橋梁的使用狀況、缺陷及損傷進行全面檢測，明確缺陷和損傷的性質、部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢，以便分析、評價缺陷及損傷對橋梁性能和承載力的影響。應在橋梁調查和檢算的基礎上確定試驗項目，仔細地考慮試驗的全過程，預計可能出現(xiàn)的問題及處理方法，制定切實可行的試驗計劃，保證試驗工作的順利進行。 (2) 判斷橋梁結構的實際承載能力 舊橋由于構件局部發(fā)生意外損傷，使用過程中產(chǎn)生明顯病害，設計荷載等級偏低、原有設計資料遺失以及需要通過特種車輛等原因，都有必要通過荷載試驗判定構件損傷程度及其承載力、受力性能的下降幅度，確定其運營荷載等級。 本文的主要工作是根據(jù)某拱橋的設計資料，通過有限元模型的建立對其進行受力分析，充分了解其受力特性，得出最不利截面位置以及相應的控制內力，在這基礎上模擬進行試驗加載并求出相應的荷載效率。 借助上述模型，對該橋進行力學性能分析，充分了解其受力特性。 本文的主要工作為依據(jù)有限元模型的計算結果設計本橋的荷載試驗實施方案。 2021 年底，全國公路橋梁達 萬座、 萬延米，比上年末增加 萬座、 萬延米。各類鐵路橋梁總數(shù)量達到 18 萬座。橋梁建設作為其中主要組成部分也得到了相應發(fā)展，極大的改善了交通環(huán)境，創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟和社會效益，為經(jīng)濟的發(fā)展也發(fā)揮了巨大作用。如何保證橋梁建設的質量，養(yǎng)護管理好現(xiàn)有橋梁，保持橋梁的完好工作狀態(tài)，延長其使用壽命，這一新的機遇和挑戰(zhàn)對各級公路管理部門提出了更高要求。中國工程院院士王景全教授 2021 年曾指出：在未來 10 到 20 年內，我國必將提前迎來大范圍的橋梁老化現(xiàn)象，對于已建橋梁要經(jīng)常進行安全可靠性和承載能力的評估，及時發(fā)現(xiàn)問題，加強維護、保養(yǎng)和加固，限載或降載通行，防止其“未老先衰”，必要時拆除重建，是一個緊迫而又必須面對的艱巨任務。 (2) 超重車、集裝車、大噸位車的出現(xiàn)加重了橋梁的負荷，加快了橋梁的損壞。造成橋梁使用的 “ 先天不足 ” 。 (5) 橋梁管護不善。 (3) 隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)建設的發(fā)展 .特大型工業(yè)設備、集裝箱運輸逐漸頻繁，超重車輛必須過橋的情況時有發(fā)生，通過檢測、評價，可確定超重車輛是否能安全通過，并為臨時加固提供技術資料。 (三 ) 檢驗橋梁結構的質量，確定工程可靠度 (1) 對于一些重要的大橋或特大橋梁，在建成之后，通過檢測、評價，可評定其設計與施工質量，確定工程的可靠度。 荷載試驗的主要內容 橋梁結構的鑒定主要包括既有橋梁的檢算和外觀檢測工作以及荷載試驗，通過檢 4 算與外觀的檢測，可以基本上確定橋梁結構物的使用狀況，然而理論推斷與實際結構的特性往往存在著一定的差別，尤其是承載力的鑒定，目前還離不開荷載試驗。 橋梁的荷載試驗是一項復雜而細致 的工作，技術含量高。 荷載試驗的主要內容包括： (l) 荷載試驗方案的擬定 (包括靜力試驗與動力試驗測試項目 )； (2) 荷載試驗的測點設置與測試儀器、設備組配； (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)分析與結構性能評定； (5) 試驗報告編寫。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 5 動力試驗 主要是通過對結構進行脈動測試、汽車的行車、跳車、剎車激振或其他方式的激振試驗，測試橋梁結構上各控制部位的動撓度、動應變、模態(tài)參數(shù)（自振頻率、振型、阻尼比），然后通過模態(tài)參數(shù)識別結構的損傷。 在目 前的情況下，橋梁荷載試驗也是新型橋梁結構性能研究、各類橋梁施工質量與結構承載能力評定工作的重要手段。 由于橋梁類型眾多、影響因素龐雜、研究工作繁瑣及部分橋梁資料缺乏 ，因而，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，橋梁荷載試驗的評定尚無統(tǒng)一的方法，評定理論尚未系統(tǒng)化、規(guī)范化。 2021 年第 72 號現(xiàn)公布《公路橋 梁承載能力檢測評定規(guī)程》 (JTG/T J21— 2021)，作為公路工程行業(yè)推薦性標準，自 2021 年 11 月 1日起施行，原《公路舊橋承載能力鑒定方法 (試行 )》 （ 1988）同時廢止。 (二 ) 國外的研究現(xiàn)狀 以美國為例，由于 1967 年美國西弗吉尼亞州銀橋事故橋梁檢測得到重視，并以《國家橋梁檢測規(guī)范》（ NBIS）為總則外，還依托一系列的檢測收藏、橋梁評定指南等來形成整個養(yǎng)護體系，因此其檢測體系內涵較豐富。美國、英國采用的計算分析方法。文章重點探討了用于橋梁結構檢測的有限元模型建立的原理、思路和過程。 (2) 明確荷載試驗在橋梁結構狀態(tài)評定分析中的重要性，詳細分析了荷載試驗的基本方法、內容和過程。 (5) 設計了一套適合本橋的荷載試 驗實施方案。 8 第 2 章 建立有限元模型 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis），即利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。通過對分析對象劃分網(wǎng)格求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。本章主要陳述了限元分析問題的一般方法、分析步驟，并用 sap2021 建立了拱橋平面桿件單元模型，同時按照規(guī)范確定了車道、人群荷載工況。 拱上構造由底梁、立柱構成，立柱和蓋梁組成拱上排架。橋軸線處蓋梁高為 110 厘米，頂面設雙向 2%的橫坡，底面為水平。 橋面凈寬：凈 米 (行車道 )+2 米 (人行道及欄桿 )。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 9 圖 施工中的拱橋全景圖 CAD 中模型的繪制 首先根據(jù)設計資料提供的數(shù)據(jù)繪制拱橋部分平面模型簡圖，為后期導入 SAP2021建立框架體系做準備，拱橋部分平面模型簡圖如下圖 。 拱上立柱以及立柱底梁和蓋梁處理 —— 取形心軸、確定上、下節(jié)點位置。 約束、限制處理 [6]： 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 11 約束 —— 拱腳固定約束，樁底固定約束，左梁端固定鉸支，右梁端活動鉸支。） 泊松比 熱膨脹系數(shù) 拱圈 C40 104 2500 25000 105 橋墩立柱 拱上立柱 C30 104 立柱底座 空心板梁 蓋梁 以上部件考慮其剛度、荷載、質量。 圖 車道定義 項目部位 截面形狀 幾何特性 修正系數(shù) 寬度（ m） 高度（ m） 截面積（ m2） 抗彎慣矩I33（ m4） 截面積 抗彎慣矩 拱上立柱 矩形 —— 2 2 拱上立柱 （拱腳端） 矩形 —— 2 2 橋墩立柱 矩形 —— 2 2 橫系梁 矩形 —— 1 1 拱肋 通用型 12 1 1 空心板梁 通用型 1 1 蓋梁 通用型 1 1 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 13 注：由《公路橋涵設計通用規(guī)范》 （ JTG D602021）對車道荷載有如下要求： 公路 — I 級： q=， 計算跨徑≤ 5m時， P=180kN， 計算跨徑≥ 50m 時， P=360kN， 5m計算跨徑 50m 時， P 直線內插， 計算剪力效應時， P 乘以 。因為橋梁結構工作時的所受的荷載主要是靜力荷載，就是荷載位置隨時間而變的移動車輛荷載，在設計計算時一般也是作為靜力來考慮的。本節(jié)主要介紹橋梁控制截面與控制內力的確定、試驗荷載和試驗工況的確定、以及各個試驗工況下的理論值。計算時只考慮 A、 B、 C、 D 四個截面。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 19 設計荷載作用下控制截面的控制內力見表 。 由于本橋跨徑小于 150m，所以不考慮縱向折減系數(shù)，在 sap2021 中求得結構的基頻為 f=，因此按照規(guī)范規(guī)定，沖擊系數(shù)μ = 。在不影響主要控制截面 A B C D 拱腳 3/8 拱 1/4 拱 拱頂 控制內力 彎矩 M () 彎矩 M () 彎矩 M () 彎矩 M() 最大負彎矩 車道 6057 3198 3323 —— 人群 752 441 511 —— 總和 7111 3798 4000 —— 最大正彎矩 車道 6074 5115 5036 3724 人群 947 467 442 351 總和 7324 5837 5729 4261 拱腳處在的最大水平推力為 1773kN。 η取值宜在 — 之間。這里僅討論荷載試驗采用車輛加載的情況。則應重新調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到其加載效率、又可使其它截面在試驗荷載作用下不超過其設計內力的加載方式為止。以設計正常使用荷載作為加載控制按控制截面內力、軸力等效原則進行布載，并使控制截面的試驗荷載效率滿足檢測規(guī)程的要求。 由于拱圈主要受彎矩和軸力作用的組合變形，因此由試驗荷載的彎矩和軸力計算出測試部位的應力σ： （式 ） 式中 F 為測試截面的軸力， M 為測試截面的彎矩， A 為測試截面的面積， I 為截面繞 x 軸的慣性矩， y 為截面邊緣到中性軸的距離。也為以后橋梁評定減小工作量作出相應的理論依據(jù)。 圖 擾度測點布置 表 各試驗工況下?lián)隙葴y點的撓度值 試驗 工況 撓度 測點 工況 1 工況 2 工況 3 工況 4 工況 5 工況 6 工況 7 Y1（ mm） Y2（ mm） Y3（ mm） Y4（ mm） Y5（ mm） Y6（ mm） Y7（ mm） Y8（ mm） 24 動力試驗 橋梁結構是承受以自重荷載和各種車輛為主要荷載的結構物。并且近年來由于計算理論不斷的完善，以及新結構型式和輕質高強材料的應用，都促使橋梁結構逐漸輕型化。橋梁結構的動力特性（振型、頻率和阻尼比）是橋梁承載力評定的重要參數(shù)，同時也是識別橋梁結構工作性能和橋梁抗震分析的重要參數(shù)。因此，在橋梁結構振動的研究中，車輛荷載沖擊系數(shù)的試驗研究是一個重要課題。 橋梁動力試驗測試內容與方法 動力測試主要包括自振特性測試和行車激振試驗。 (1) 通常采用接近運營條件的汽車，列車或單輛重車以不同車速通過橋梁，要求每次實驗時車輛在橋上的行駛速度保持不變；或在橋梁動力效應最大的檢測位置行剎車或起動 )試驗。障礙行車 (跳車 )試驗是在測試截面所對應的橋面上設置障礙物來模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，來測定橋跨結構在橋面處于不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的動力響應。 (3) 撞擊或沖擊荷載 (如落錘、火箭發(fā)射器等 )。 橋梁動荷載的特性 引起橋梁結構產(chǎn)生振動的荷載，主要是經(jīng)常行駛于橋上的各種車輛荷載，此外還有風動荷載和地震荷載等。 車輛荷載行駛在橋上時，由于橋上路面的不平整會激起車輛的振動。在移動的車輛荷載對橋梁振動的影響當中，不平整的橋面起著控制作用。對于地震荷載的特性可利用強震觀測所獲得的地面運動過程及結構對它的反映等資料進行分析研究。 (3) 結構受迫振動頻率、振幅與加速度。 (5) 動力系數(shù)與車速的關系曲線。 （二）橋梁自振特性的資料，包括： (l) 結構自振頻率 f0(或周期 T0)。 平均阻尼比值 ? ： 1 ln2 nnmama?? ????? 式 () 式中 :? — 阻尼振動園頻率； (3) 結構的振動形式 (振動彈性曲線 )。 試驗目的 按橋梁荷載試驗方法，通過對試驗橋梁進行荷載試驗，檢測控制截面應力、撓度、裂縫及橋梁動力特性等指標，以達到下述目的： 考察橋梁結構的整體變形規(guī)律，評價結構的實際受力狀態(tài)和工作狀況； 檢驗橋梁的動力性能是否滿足正常使用的要求； 檢驗橋梁的承載能力是否滿足設計要求，為橋梁的運營、養(yǎng)護和管理提供依據(jù)。 (2) 結構動力響應，包括控制截面動應變、沖擊效應等。對梁端剪力控制截面，在腹板的中性軸附近布置應變花測點，根據(jù)應變分析確定腹板的主拉應力。 試驗荷載作用下裂縫觀測 主要采用目測的方法檢測荷載作用下控制截面的開裂情況，如若發(fā)現(xiàn)裂縫，采用裂縫觀測儀測量其寬度，測試分辨率為177。經(jīng)第三章的分析，將拱橋的應力測點及撓度測點布置詳圖如下，此外 還應在控制截面附近區(qū)域觀測主拱圈的開裂情況。 動力試驗測點布置 加速度測點布置在拱腳截面、四分之一拱截面、拱頂截面，及圖 的 A、 B、 D三個截面，布置位置見圖 34 圖 加速度計布置位置 注：圖 中“ ”代表加速度測點。 試驗荷載 以設計正常使用荷載作為加載控制，按控制截面內力等效原則進行布載，并使控制截面試驗荷載效率滿足檢測規(guī)程的要求。 軸重誤差應控制在 1 噸以內 4 臺加載車的總重偏差應控制