【正文】 線定義不同的試驗(yàn)荷載工況。 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 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(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 注：由《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （ JTG D602021）對車道荷載有如下要求： 公路 — I 級： q=， 計(jì)算跨徑≤ 5m時， P=180kN， 計(jì)算跨徑≥ 50m 時， P=360kN， 5m計(jì)算跨徑 50m 時， P 直線內(nèi)插， 計(jì)算剪力效應(yīng)時， P 乘以 。 在 sap2021 中定義人群、車道荷載工況如下： 圖 人群荷載 P q 圖 車道荷載圖式 14 圖 車道荷載 圖 荷載工況 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 在 sap2021 中拱橋模型的展示 本橋是用 sap2021 建立平面模型圖，共分為 269 個節(jié)點(diǎn)， 241 個桿單元，其模型圖如下： 圖 平面模型透視圖 圖 模型 3d效果圖 16 第 3 章 橋梁結(jié)構(gòu)分析 靜力試驗(yàn) 靜力試驗(yàn)是橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最大量、最常見的基本試驗(yàn)。因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)計(jì)算時一般也是作為靜力來考慮的。靜力試驗(yàn)的加載過程是從零開始逐步遞增一直到預(yù)定的荷載為止。本節(jié)主要介紹橋梁控制截面與控制內(nèi)力的確定、試驗(yàn)荷載和試驗(yàn)工況的確定、以及各個試驗(yàn)工況下的理論值。本橋靜力試驗(yàn)截面及觀測內(nèi)容詳見表 。計(jì)算時只考慮 A、 B、 C、 D 四個截面。 圖 拱橋的各個控制截面 運(yùn)行荷載工況，分別得出個控制截面的彎矩影響線，從而得出個控制截面的最不利加載位置，以進(jìn)一步了解橋梁的受力特性，也為確定試驗(yàn)車輛的布載位置做好準(zhǔn)備工作。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 設(shè)計(jì)荷載作用下控制截面的控制內(nèi)力見表 。 其中活載作用彎矩總和 （式 ） (1+μ )—— 按規(guī)范取用的汽車沖擊系數(shù)值。 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(jié)構(gòu)的基頻為 f=，因此按照規(guī)范規(guī)定，沖擊系數(shù)μ = 。由于橋梁靜力試驗(yàn)為鑒定荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載原則上應(yīng)盡量采用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載相同的荷載。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(nèi)力 彎矩 M () 彎矩 M () 彎矩 M () 彎矩 M() 最大負(fù)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。然后調(diào)整試驗(yàn)荷載使該截面內(nèi)力逐級達(dá)到此控制值。 η取值宜在 — 之間。 試驗(yàn)工況的確定 目前對于橋梁靜荷載試驗(yàn)主要是測試控制截面的應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度等。這里僅討論荷載試驗(yàn)采用車輛加載的情況。以使試驗(yàn)荷載逐級達(dá)到該截面的設(shè)計(jì)內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加載效率。則應(yīng)重新調(diào)整試驗(yàn)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、又可使其它截面在試驗(yàn)荷載作用下不超過其設(shè)計(jì)內(nèi)力的加載方式為止。靜力試驗(yàn)荷載效率為試驗(yàn)方案計(jì)算值，實(shí)際荷載效率因加載車輛裝載的差異會有所變化。以設(shè)計(jì)正常使用荷載作為加載控制按控制截面內(nèi)力、軸力等效原則進(jìn)行布載，并使控制截面的試驗(yàn)荷載效率滿足檢測規(guī)程的要求。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 表 試驗(yàn)工況 試驗(yàn)結(jié)果分析 由此得出每個試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)車輛布載，通過對各個工況的運(yùn)行分析，得出各部位的內(nèi)力及加載效率。 由于拱圈主要受彎矩和軸力作用的組合變形，因此由試驗(yàn)荷載的彎矩和軸力計(jì)算出測試部位的應(yīng)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。由于拱圈是等截面，因此個控制截面的截面屬性相同。也為以后橋梁評定減小工作量作出相應(yīng)的理論依據(jù)。 控制截面 截面屬性 軸應(yīng)力（ MPa） 正彎曲應(yīng)力（ MPa） 負(fù)彎曲應(yīng)力（ MPa） 正應(yīng)力（ MPa） 負(fù)應(yīng)力（ MPa） 面積A(m2) 慣性矩I（ m4） 距離 y（ m） 拱腳 3/8拱 1/4拱 拱頂 ——— ——— 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 由于在實(shí)測中測試拱圈撓度比較困難，而經(jīng)過模型驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)立柱對橋面和拱圈的豎向變形影響很小，因此在橋面采用精密水準(zhǔn)儀測試橋面對應(yīng)截面的撓度來與橋面豎向變形的理論值做比較。 圖 擾度測點(diǎn)布置 表 各試驗(yàn)工況下?lián)隙葴y點(diǎn)的撓度值 試驗(yàn) 工況 撓度 測點(diǎn) 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(yàn) 橋梁結(jié)構(gòu)是承受以自重荷載和各種車輛為主要荷載的結(jié)構(gòu)物。同時，車輛駛過橋梁時，由于橋面起伏不平或發(fā)動機(jī)的抖動等原因都會使橋梁振動加劇。并且近年來由于計(jì)算理論不斷的完善，以及新結(jié)構(gòu)型式和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用，都促使橋梁結(jié)構(gòu)逐漸輕型化。 橋梁結(jié)構(gòu)的振動分析是橋梁結(jié)構(gòu)分析的又一項(xiàng)重要內(nèi)容。橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)工作性能和橋梁抗震分析的重要參數(shù)。沖擊系數(shù)綜合地反映了橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性、車輛的運(yùn)動性能 以及橋面的平整程度等因素的影響。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)振動的研究中，車輛荷載沖擊系數(shù)的試驗(yàn)研究是一個重要課題。首先，引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的振源(例如車輛、人群、陣風(fēng)或地震力等 )和結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)都是隨時間而變化，而且結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的動力特性有密切關(guān)系。 橋梁動力試驗(yàn)測試內(nèi)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(yàn)。行車激振試驗(yàn)包括有障礙行車試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)，分別模擬橋面有無損傷時橋面行車對橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用。 (1) 通常采用接近運(yùn)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(shí)驗(yàn)時車輛在橋上的行駛速度保持不變；或在橋梁動力效應(yīng)最大的檢測位置行剎車或起動 )試驗(yàn)。 (3) 橋梁在風(fēng)力、流冰幢擊和地震力等動力荷載作用下的動力性能試驗(yàn)，只宜在專門的長期觀測中實(shí)現(xiàn)。障礙行車 (跳車 )試驗(yàn)是在測試截面所對應(yīng)的橋面上設(shè)置障礙物來模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，來測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面處于不良狀態(tài)時運(yùn)行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。 (1) 在預(yù)定激振位置，汽車后輪越過一根高 5─ I5 厘米的有坡面的橫木，車輪落下后立即停車。 (3) 撞擊或沖擊荷載 (如落錘、火箭發(fā)射器等 )。 (5) 運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可調(diào)節(jié)的起振機(jī) (可測定不同振型的頻率 )。 橋梁動荷載的特性 引起橋梁結(jié)構(gòu)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(fēng)動荷載和地震荷載等。 橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程當(dāng)中，經(jīng)常會受到由車輛自身的振動所引起的動力作用，特別是當(dāng)車輛行駛在不平整的橋面上時，這種作用尤為明顯。 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。如果車身連同貨物的慣性力使輪壓發(fā)生周期性的變化，則對結(jié)構(gòu)形成周期性的擾動力。在移動的車輛荷載對橋梁振動的影響當(dāng)中，不平整的橋面起著控制作用。對于大跨度懸吊結(jié)構(gòu)需要考慮風(fēng)荷載的動力作用，由于結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下的受力和振動情況很復(fù)雜，在理論上目前還不能很好的解決橋梁的風(fēng)振問題。對于地震荷載的特性可利用強(qiáng)震觀測所獲得的地面運(yùn)動過程及結(jié)構(gòu)對它的反映等資料進(jìn)行分析研究。因此，可以在地震時觀測地面運(yùn)動及結(jié)構(gòu)物在地震荷載作用下的振動過程，從而在此基礎(chǔ)上研究分析地震荷載的特性。 (3) 結(jié)構(gòu)受迫振動頻率、振幅與加速度。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 (4) 振型。 (5) 動力系數(shù)與車速的關(guān)系曲線。 (7) 車速與受迫振動頻率的關(guān)系曲線。 （二）橋梁自振特性的資料，包括： (l) 結(jié)構(gòu)自振頻率 f0(或周期 T0)。 結(jié)構(gòu)的換算質(zhì)量可用兩個不同重量的突加荷載依次激振，分別測定自振周期為 T和 T2其附加質(zhì)量分別為 M1和 .M2，可用 下 列關(guān)系式求得換算質(zhì)量 Mo 。 平均阻尼比值 ? ： 1 ln2 nnmama?? ????? 式 () 式中 :? — 阻尼振動園頻率； (3) 結(jié)構(gòu)的振動形式 (振動彈性曲線 )。 (4) 結(jié)構(gòu)各部分的振動速度和加速度的分布圖。 試驗(yàn)?zāi)康? 按橋梁荷載試驗(yàn)方法，通過對試驗(yàn)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢測控制截面應(yīng)力、撓度、裂縫及橋梁動力特性等指標(biāo)，以達(dá)到下述目的： 考察橋梁結(jié)構(gòu)的整體變形規(guī)律，評價結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況； 檢驗(yàn)橋梁的動力性能是否滿足正常使用的要求； 檢驗(yàn)橋梁的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，為橋梁的運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)和管理提供依據(jù)。 靜力試驗(yàn) (1) 控制截面應(yīng)力； 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 (2) 控制截面最大撓度及其橫向分布規(guī)律； (3) 控制截面附近區(qū)域裂縫觀測。 (2) 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，包括控制截面動應(yīng)變、沖擊效應(yīng)等。1 （ 1με），根據(jù)材料的彈性模量換算測點(diǎn)應(yīng)力。對梁端剪力控制截面，在腹板的中性軸附近布置應(yīng)變花測點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)變分析確定腹板的主拉應(yīng)力。 。 試驗(yàn)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。 結(jié)構(gòu)動力荷載試驗(yàn) 通過跑車、剎車、跳車、脈動測試等試驗(yàn)方法，采用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度等信號，通過對時域信號和頻譜信號進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)以及結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼比等結(jié)構(gòu)動力特性指標(biāo)。經(jīng)第三章的分析，將拱橋的應(yīng)力測點(diǎn)及撓度測點(diǎn)布置詳圖如下，此外 還應(yīng)在控制截面附近區(qū)域觀測主拱圈的開裂情況。 32 靜力試驗(yàn)測點(diǎn)布置 圖 拱頂截面應(yīng)變花測點(diǎn)布置 圖 四分之一拱與八分之三拱截面應(yīng)變花測點(diǎn)布置 圖 注：圖 ，圖 中“ ?” 標(biāo)記為混凝土表面應(yīng)變花測點(diǎn)。 動力試驗(yàn)測點(diǎn)布置 加速度測點(diǎn)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(jì)布置位置 注：圖 中“ ”代表加速度測點(diǎn)?？刂苾?nèi)力根據(jù)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）的規(guī)定按設(shè)計(jì)荷載計(jì)算其控制截面的控制彎矩。 試驗(yàn)荷載 以設(shè)計(jì)正常使用荷載作為加載控制，按控制截面內(nèi)力等效原則進(jìn)行布載，并使控制截面試驗(yàn)荷載效率滿足檢測規(guī)程的要求。 試驗(yàn)車型及加載車輛的參數(shù)如下： 圖 三軸重車加載車型圖 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 表 加載車輛參數(shù) 車輛型號 車型 1 車型 2 加載車數(shù)量（臺） 4 4 前 — 中（前－后）軸距（ m） 左右 左右 中 — 后軸距（ m） 左右 左右 后軸 — 車尾距離（ m） ≤ ≤ 前軸重（ t） 中 — 后軸重（ t） 2= 2= 總重（ t） 說明： 配套方提前落實(shí)加載車輛并及時將車輛規(guī)格參數(shù)告之檢測方。 軸重誤差應(yīng)控制在 1 噸以內(nèi) 4 臺加載車的總重偏差應(yīng)控制在177。 加載車過磅完畢應(yīng)及時提供車