【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 營(yíng)運(yùn)質(zhì)量。對(duì)于一些在理論上難以計(jì)算的部位通過(guò)荷載試驗(yàn)可達(dá)到直接了解其受力的目的；通過(guò)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(guò)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(guò)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)。 橋梁的荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)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(yàn)的目的進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查分析，必要時(shí)進(jìn)行相關(guān)的理論分析。公路橋梁荷載試驗(yàn)應(yīng)以國(guó)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(jì)規(guī)范為依據(jù)來(lái)進(jìn)行。對(duì)于某些新結(jié)構(gòu)以及采用新材料、新工藝的橋梁，無(wú)相關(guān)條款規(guī)定時(shí)可借鑒國(guó)外或國(guó)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(yàn)的主要內(nèi)容包括： (l) 荷載試驗(yàn)方案的擬定 (包括靜力試驗(yàn)與動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目 )； (2) 荷載試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)設(shè)置與測(cè)試儀器、設(shè)備組配； (3) 荷載試驗(yàn)的加載等級(jí)控制與試驗(yàn)過(guò)程安全控制； (4) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)性能評(píng)定； (5) 試驗(yàn)報(bào)告編寫。 根據(jù)荷載試驗(yàn)的作用性質(zhì)橋梁荷載試驗(yàn)可分為靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn) [5]。 靜力試驗(yàn) 通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上施加與設(shè)計(jì)荷載或使用荷載基本相當(dāng)?shù)耐廨d，采用分級(jí)加載的方法，利用檢測(cè)儀器測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的控制部位與控制截面在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下的撓度、應(yīng)力、裂縫擴(kuò)展情況等特性的變化，并將測(cè)試結(jié)果與結(jié)構(gòu)按相應(yīng)荷載作用下的計(jì)算值、有關(guān)規(guī)范規(guī)定值作比較，從而評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，是檢驗(yàn)橋梁性能及工作狀態(tài)（如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度）最直接、最有效的辦法。通過(guò)校驗(yàn)系數(shù) 來(lái)說(shuō)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)。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 動(dòng)力試驗(yàn) 主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動(dòng)測(cè)試、汽車的行車、跳車、剎車激振或其他方式的激振試驗(yàn)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)上各控制部位的動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變、模態(tài)參數(shù)（自振頻率、振型、阻尼比），然后通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。如結(jié)構(gòu)的構(gòu)件機(jī)械磨損，結(jié)構(gòu)的剛度損失以及構(gòu)件的裂縫等。動(dòng)力試驗(yàn)反映了橋梁的整體工作性能。 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(lái)說(shuō)，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。 在目 前的情況下，橋梁荷載試驗(yàn)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(píng)定工作的重要手段。普及橋梁荷載試驗(yàn)技術(shù)，搞好試驗(yàn)工作并做出橋梁結(jié)構(gòu)性能的正確評(píng)價(jià)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)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。 國(guó)內(nèi)外橋梁檢測(cè)工作的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、評(píng)估及加固是從人類有修建橋梁以來(lái)便出現(xiàn)的一個(gè)傳統(tǒng)專業(yè)。但是長(zhǎng)期以來(lái)，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。 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(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，橋梁荷載試驗(yàn)的評(píng)定尚無(wú)統(tǒng)一的方法，評(píng)定理論尚未系統(tǒng)化、規(guī)范化。正處于發(fā)展的初級(jí)階段，亟需加強(qiáng)和提高。目前正逐漸成為具有現(xiàn)實(shí)意義的重要研究課題，越來(lái)越廣泛地得到橋梁工程技術(shù)人員和管理人員的高度重視?？梢韵嘈?，在這一研究領(lǐng)域內(nèi)將具有廣闊的發(fā)展前景！ (一 ) 國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范匱乏，有待完善。 2021 年第 72 號(hào)現(xiàn)公布《公路橋 梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》 (JTG/T J21— 2021)，作為公路工程行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)廢止。 (2) 加強(qiáng)科研成果的推廣應(yīng)用力度 比如江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“梁式橋梁承載能力快速荷載試驗(yàn)與評(píng)定技術(shù) 6 研究”對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，并得到很好的利用推廣。 (3) 加強(qiáng)對(duì)科研的投入力度。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(guó)家 863項(xiàng)目“大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋長(zhǎng)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。 (二 ) 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 以美國(guó)為例，由于 1967 年美國(guó)西弗吉尼亞州銀橋事故橋梁檢測(cè)得到重視，并以《國(guó)家橋梁檢測(cè)規(guī)范》（ NBIS）為總則外，還依托一系列的檢測(cè)收藏、橋梁評(píng)定指南等來(lái)形成整個(gè)養(yǎng)護(hù)體系，因此其檢測(cè)體系內(nèi)涵較豐富。 (l) 建立了基于橋梁檢測(cè)結(jié)果的承載能力評(píng)定方法體系； (2) 建立了系統(tǒng)的承載能力檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)體系； (3) 各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的定量或定性評(píng) 價(jià)標(biāo)準(zhǔn)； (4) 明確了各類橋梁的檢算分析要點(diǎn)。 (三 ) 橋梁檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì) (l) 現(xiàn)階段我國(guó)橋梁評(píng)定還過(guò)份依賴荷載試驗(yàn)，而荷載試驗(yàn)規(guī)范的存在一些不足： a) 檢算要點(diǎn)、檢算方法等方面規(guī)定的過(guò)于原則； b) 評(píng)定指標(biāo)單一，可操作性差； c) 基于檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算分析評(píng)定方法無(wú)法很好應(yīng)用，而需大量借助昂貴的荷載試驗(yàn)對(duì)舊橋加以鑒定； d) 荷載試驗(yàn)鑒定比較直觀，但費(fèi)用高，需中斷交通； e) 荷載試驗(yàn)不能反映結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)性能、疲勞性能，以及在鑒定期內(nèi)今后材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不定性，以及耐久性檢測(cè)指標(biāo)等因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。 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(guó)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)。美國(guó)、英國(guó)采用的計(jì)算分析方法。 (2) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁檢測(cè)也越來(lái)越向智能化方向發(fā)展： a) 橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)的智能控制技術(shù)； b) 傳感器的優(yōu)化布設(shè)研究和智能傳感器的研究； c) 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)； d) 信息的網(wǎng)絡(luò)共享； e) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。 本文的主要工作 本文在明確橋梁檢測(cè)重要性的前提下以現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)理論、有限元分析技術(shù)為理論基礎(chǔ)，依托某實(shí)橋介紹了橋梁荷載試驗(yàn)的方法、內(nèi)容和過(guò)程。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。文章重點(diǎn)探討了用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)的有限元模型建立的原理、思路和過(guò)程。通過(guò)基于有限元模型的理論分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)拱橋的靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)方案。同時(shí)也通過(guò)荷載試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，了解橋梁荷載試驗(yàn)的全過(guò)程，并且明確模型試驗(yàn)力學(xué)分析在工程實(shí)際中的應(yīng)用。 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)。 (2) 明確荷載試驗(yàn)在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定分析中的重要性，詳細(xì)分析了荷載試驗(yàn)的基本方法、內(nèi)容和過(guò)程。 (3) 依據(jù)大橋的設(shè)計(jì)資料建立了該橋的有限元平面桿件模型。 (4) 通過(guò)有限元模型，對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性進(jìn)行理論分析，確定拱橋的控制截面和控制內(nèi)力。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(guò)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。 (5) 設(shè)計(jì)了一套適合本橋的荷載試 驗(yàn)實(shí)施方案。最后確定該橋的實(shí)際承載能力為交通職能部門對(duì)大橋今后的管理、養(yǎng)護(hù)工作提供了可靠的信息。 (6) 為以后進(jìn)行荷載試驗(yàn)方案的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，與有限元模型的理論值相對(duì)比，確定校驗(yàn)系數(shù)，從而驗(yàn)證兩者之間的一致性。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。 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(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。 有限元方 法的最廣泛應(yīng)用就是如在橋梁、房屋建筑等工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。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。通過(guò)對(duì)分析對(duì)象劃分網(wǎng)格求解有限個(gè)數(shù)值來(lái)近似模擬真實(shí)環(huán)境的無(wú)限個(gè)未知量。而進(jìn)行有限元分析的前奏就是要建立有限元分析模型。簡(jiǎn)單的說(shuō)有限元法思想是將連續(xù)體分成有限個(gè)單元，單元間相互有結(jié)點(diǎn)連接的理想結(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。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。本章主要陳述了限元分析問(wèn)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(shí)按照規(guī)范確定了車道、人群荷載工況。 工程概況 某橋?yàn)橐豢?100 米的鋼筋砼箱型拱橋，全長(zhǎng) 182 米。主孔為一跨凈跨 100 米鋼筋砼箱型拱橋，凈矢高 20 米，矢跨比為 1/5，供系數(shù) M= 的等截面懸鏈線無(wú)鉸拱。主拱圈為鋼筋砼箱型拱橋，拱圈厚度為 米，拱圈全寬為 米。 拱上構(gòu)造由底梁、立柱構(gòu)成，立柱和蓋梁組成拱上排架。拱上底梁較低一側(cè)高均為 40 厘米，另一側(cè)高度隨著底梁位置的變化而變化。拱腳段底梁寬度為 120 厘米，拱頂段底梁寬度為 100 厘米。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。橋軸線處蓋梁高為 110 厘米，頂面設(shè)雙向 2%的橫坡，底面為水平。 行車道板采用空心板高 35 厘米和 45 厘米兩種，中板寬 127 厘米，邊板寬 厘米，中間設(shè)置三孔直徑為 19 厘米（板高 35 厘米）和 26 厘米（板高 45 厘米）的圓孔。行車道板鋪裝層為 8 厘米的 C40 鋼纖維砼，鋪裝層設(shè) 10 10 厘米的鋼筋網(wǎng)絡(luò)。 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)。 橋面凈寬：凈 米 (行車道 )+2 米 (人行道及欄桿 )。 設(shè)計(jì)荷載：公路 — Ⅱ級(jí)，人群荷載 ㎡。 通航等級(jí)：四級(jí)。 設(shè)計(jì)洪水頻率： 1/100。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 施工中的拱橋全景圖 CAD 中模型的繪制 首先根據(jù)設(shè)計(jì)資料提供的數(shù)據(jù)繪制拱橋部分平面模型簡(jiǎn)圖，為后期導(dǎo)入 SAP2021建立框架體系做準(zhǔn)備，拱橋部分平面模型簡(jiǎn)圖如下圖 。 根據(jù)設(shè)計(jì)資料尺寸建立拱橋拱圈部分和橋面板梁部分橫向截面形狀，在 cad 中查閱比如慣性矩、面積等截面特性，為后面 sap2021 定義框架截面以及計(jì)算應(yīng)力提供數(shù)據(jù)支持。板梁截面屬性如圖 ，拱圈截面屬性見(jiàn)圖 。 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。 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(diǎn)位置。 墩、樁處理 —— 取形心軸墩的上節(jié)點(diǎn)位置。 主梁處理 —— 取形心軸、取計(jì)算跨徑。 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? 約束、限制處理 [6]： 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dòng)鉸支。 限制 —— 立柱底梁底部部： body 限制，蓋梁頂部： 限制三點(diǎn)， 限制兩點(diǎn)。 圖 拱橋桿件單元模型 在 Sap2021 中定義材料和截面特性 表 材料特性 結(jié)構(gòu)部件 材料名稱 彈性模量（ MPa） 質(zhì)量密度（ kg/m179。） 重力密度（ N/m179。） 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(zhì)量。 橫系梁 C30 —— —— 25000 —— —— 橋面鋪裝 C40 —— —— —— —— 人行道板 C30 —— —— —— —— 以上結(jié)構(gòu)部件考慮其荷載，忽略其剛度、質(zhì)量。 12 表 截面特性 在 Sap2021 中定義荷載工況 在 sap2021 中定義各種荷載工況，本模型采用車道荷載和人群荷載的組合計(jì)算控制截面的控制荷載，并根據(jù)控制截面的影響線定義不同的試驗(yàn)荷載工況。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。 圖 車道定義 項(xiàng)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