摘 要

本文详细论述了清潭沟大桥的荷载试验的原理、方法和内容，同时根据其设计资料在有限元软件Midas上建立有限元平面模型。

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本桥的荷载试验实施方案。

关键字：静载试验；动载试验；试验工况

Abstract

This paper discusses in detail the principles, methods and contents of the load test of the Qingtangou Bridge. At the same time, based on the design data, the finite element model is established on the finite element software Midas.

With the aid of the above model, the bridge mechanical performance 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 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 element model to design the bridge load test plan.

Key Words：Static load test；Dynamic load test；Test conditions

目录

第一章 绪论 1

1.1 本文的研究背景及意义 1

1.2 桥梁荷载试验的主要内容 2

1.3 本文研究内容和目标 2

第二章 桥梁构造及设计技术标准 4

第三章 建立有限元模型 5

3.1 建模过程 5

3.2 分析前准备 6

3.3 分析的结果 7

第四章 静载试验方案 8

4.1 荷载试验用车 8

4.2试验跨选择与断面测点布置 8

4.3 加载工况确定 9

4.4 试验荷载效率 10

4.5 主桥应变测点与挠度测点布置 11

4.6 静载试验车辆布置 13

4.7 静载试验结果及数据分析 17

4.7.1 挠度分析 19

4.7.2 应变分析 20

第五章 动载试验 23

5.1 动载试验内容与方法 24

5.2 动载试验工况 25

5.3 桥梁动载试验振型图 26

5.4 动载测试结果 26

5.4.1 随机脉动试验检测结果及分析 26

5.4.2 跳车试验结果及分析 28

第六章 总结与展望 30

6.1 总结 30

6.2 展望 30

参考文献 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

中国是一个古老的国度，在这个国度里，桥梁的发展具有重大意义。

我国桥梁的历史最早可以追溯到6000年前的氏族公社时代，经过一代又一代匠人的努力，直到1000多年前的隋唐时期，中国古代桥梁的发展到达一个巅峰时期，最著名的代表就是赵州桥。然而在最近的1000年中，中国桥梁的发展开始减缓，到了近代中国，桥梁技术已经全面的落后于世界的脚步。中国的第一座现代化桥梁的出现仅在100多年前，而且主持建造的是外国人。中国人自主设计建造第一座大型桥梁是南京长江大桥，建造历史仅34年。随着时代的进步，中国桥梁的发展也进入一个崭新的时代，而桥梁的荷载试验正是桥梁发展所必不可少的一部分。

桥梁结构与生物的成长衰亡周期相同，具有其独特的生命周期。在桥梁结构的生命周期中，桥梁结构产生缺陷和损伤是一个不可避免的现象，而这些缺陷和损伤也在不可避免的影响着桥梁结构的使用性能。为此，在桥梁结构的生命周期中，对桥梁进行检测，确定桥梁结构的使用状况、缺陷以及损伤对于桥梁是具有非常重要的意义。检测后可以明确缺陷和损伤的位置、性质、严重情况及发展趋势，以便分析、评价缺陷及损伤会对桥梁所造成性能和承载力的影响。可以精确有效的评估出桥梁结构的实际承载能力，对工程而言，具有重大的经济价值。一方面它可以减少不必要的加固，维护所用的人力物力，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桥梁的验算、外观检测工作和荷载试验，经由检算和外观的检测的手段，可以基本上确定桥梁的使用情况，但是理论上的计算与实际情况经常不可避免的出现差别，特别对于承载力的鉴定而言，所以现阶段桥梁结构的鉴定离不开荷载试验。

本文主要的工作是根据清潭沟大桥的相关设计资料，通过有限元软件Midas建立出桥梁的平面模型，通过此模型对其进行受力分析，充分的了解其受力特性，得出最不利截面位置以及相应的控制内力，然后在此基础上对桥梁模型进行试验加载，模拟出相应情况得出对应的荷载效率。最后设计出一套适合本桥的荷载试验方案。指出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。

1.2 桥梁荷载试验的主要内容

荷载试验对于结构的检测具有重要意义，它是众多检测方法中最为直观、最为重要的一种检测方法。它是对桥梁结构上直接进行加载的一项科学实验工作，通过实验可以了解到桥梁结构在试验荷载的作用下他的实际工作状态，从而根据得出的结果可以判定桥梁结构的安全承载能力是否符合设计规范，也可以评价桥梁运营的情况。对于一些难以通过理论计算的部位，荷载试验可以直观的了解到这些部位在规定的情况下的受力情况。通过荷载试验还可以发现在平时检测中难以检测出来的隐蔽缺陷，以便提前进行防护。对于旧桥结构，荷载试验还可以确定它的实际承载能力，并据此可以制定出针对性的加固或改良的方案，延长旧桥的使用寿命。

桥梁的荷载试验是一项需要细致工作的任务，其过程复杂而且所需的技术含量较高。应根据荷载试验的目的进行认真的调查分析，在实验之前做好准备，必要时需要先进行相关的理论计算，为荷载试验作铺垫。公路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。对于某些型结构以及选用新材料、新工艺的桥梁，在没有相关规定的情况下可以借鉴国外桥梁的相关规定。根据荷载试验的作用性质，可以将桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验。

静载试验是通过在桥梁结构上施加与设计荷载相同的荷载，通过分级加载的方法，利用检测仪器检测出在与设计荷载相同的荷载作用下桥梁结构的控制截面在各级试验荷载的挠度、应力、裂缝扩展情况等的特性变化。然后将得出的结果与桥梁结构在相应的设计荷载作用下所得出的理论值作比较，从而可以评定出桥梁结构的实际承载能力。静载试验是检测桥梁结构性能及工作状态最直接有效的方法。

动载试验主要是通过对桥梁进行脉动试验、车辆的行车、跳车、刹车激震或其他方式引起的激振试验，测试桥梁结构上各控制部位的动挠度、动应变、模态参数，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缝等。动载试验反映了桥梁的整体工作性能。

1.3 本文研究内容和目标

本文在相关资料的，支持下以现代桥梁设计理论、有限元分析技术、桥梁工程等为理论基础，依托清潭沟大桥介绍了关于如何对清潭沟大桥进行荷载试验的方法、内容和过程。利用有限元软件Midas建立出清潭沟大桥的平面模型，利用其模型进行荷载试验的研究。本文着重探讨了用于桥梁结构检测的有限元模型建立的原理、思路和过程。基于有限元模型的理论分析，设计出此桥的静载试验，动载试验的实验方案。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。

本文的主要工作如下：

（1）明确荷载试验对于桥梁检测的意义，确定荷载试验的目的；

（2）荷载实验的准备工作；

（3）依据清潭沟大桥的设计资料建立大桥的平面模型

（4）通过有限元模型，对桥梁的结构和力学特性进行理论分析，并根据所得的理论分析结果，设计出一套适宜的加载方案；

（5）根据所确定的加载方案，在相关规范的指导下，对测点进行设置，然后进行测试；

（6）根据所得测试结果，分析试验结果得出对大桥的承载能力的评定；

（7）根据上述资料，进行整理得出结论，对实验报告进行编写。

第二章 桥梁构造及设计技术标准

本桥上部结构为采用（66 3×120 66）m 预应力混凝土连续刚构连续箱梁。主桥下部构造采用双薄壁墩，连续墩为实体矩形墩，桥墩均配桩基础，0号桥台为U台，桩基础；5号台为桩柱式桥台。桥梁全长500.7m。本桥平面分别位于直线上，纵断面位于i=-1%和i=1%的坡段上，竖曲线半径R=10000m。

本桥上部结构为（66 3×120 66）m 预应力混凝土连续刚构连续箱梁，主梁采用C55混凝土，单跨主梁数量2片，箱梁采用单箱单室截面，箱梁顶宽15.0 米，底宽8.0 米，顶板悬臂长度3.5 米。顶板悬臂端部厚20cm，根部厚70cm。箱梁根部梁高7.0m，跨中梁高2.8m，顶板厚28cm，墩顶箱梁顶板加厚到70 cm，底板厚从跨中至根部由32cm 变化为82.5cm，腹板从跨中至根部分两段采用50cm、70cm 两种厚度，箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8 次抛物线变化。箱梁0 号节段长11m，每个悬浇“T”纵向对称划分为14 个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为2×3.0m、4×3.5m、5×4.0m、3×4.5m，节段悬浇总长53.5m。中跨合拢段长均为2m，边跨现浇段长6.9m。刚构箱梁根部设两道厚1.4m 的横隔板，连续支承处的横梁厚2.5m，边跨梁端设一道厚1.2m 的横隔板；下部结构连续梁部分采用桩柱式墩，刚构部分采用双薄壁墩，两侧桥台采用重力式桥台，桥墩基础采用桩基础，桥台基础采用扩大基础；桥面铺装采用普通沥青混凝土。其主要技术指标如下：

（1）桥梁设计基准期：100年；

（2）环境类别：I级；

（3）安全等级：一级；

（4）设计荷载：公路一级；人群荷载标准值取2.65kN/m²；

（5）桥梁宽：2.5（人行道及栏杆） 0.5（防撞墙） 11.5（车行道） 0.5（防撞墙） 0.5（中缝） 0.5（防撞墙） 11.5（车行道） 0.5（防撞墙） 2.5（人行道及栏杆）；

（6）设计洪水频率：大桥按1/300洪水频率设计；

（7）地震峰值加速度：0.05g，相应地震烈度6度，按7度设防。

第三章 建立有限元模型

3.1 建模过程

有限元分析，是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无限未知量的真实系统。

运用有限元方法，可以进行对桥梁、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进行模拟，得出真实情况的数值近似。通过将模型分割成有限个单元，求解各个单元的数值，来近似的模拟出真实物理现象的无限的未知量。那么，建立有限元分析模型就是有限元分析的前提。本论文将使用有限元软件Midas建立清潭沟大桥的有限元模型。

步骤1：使用CAD画出所需截面的截面图。

步骤2：通过截面特性计算器将CAD所画出的截面导入Midas。

步骤3：根据图纸选取各个节点，输入节点坐标，建立所需节点。

步骤4：根据规范定义材料，所选材料为C55。

步骤5：使用截面特性值，定义所需变截面。

步骤6：选取所需节点，选用所符截面建立单元。

步骤7：使用变截面组，将所需修改的变截面修改为符合图纸的单元。

步骤8：根据图纸，在相应地方建立墩柱。

步骤9：在相应的节点给与对应的边界条件

图3.1 清潭沟大桥模型

3.2 分析前准备

在Midas中，点击进入移动荷载界面中，选取移动荷载规范China。添加车道，选取交通车道线，建立车道。

图3.2 车道的选取

由图纸可知，此桥为三车道，选取合适的位置添加车道。根据相关资料，此桥的静载试验中有车辆荷载和人群荷载，且车道荷载要乘上冲击系数1.2。完成定义车道、车辆和移动荷载工况。

在分析界面中，选取特征值选项，调整振型数量选项，完成对特征值分析的准备。

3.3 分析的结果

图3.3 车辆荷载对应的内力图

图3.4 人群荷载对应的内力图

第四章 静载试验方案

桥梁的静力荷载试验是通过测量在静力试验荷载作用下桥梁结构所产生的变形和内力，检验出桥梁结构的工作状态是否符合设计荷载作用下的使用要求。

静力试验是桥梁结构试验中最基本的试验。桥梁静力试验是在桥梁的指定位置上施加静止的荷载作用，然后在荷载的作用下对桥梁结构的静力位移、应变、裂缝等参量进行计算，从而可以对桥梁结构在静力荷载作用下的桥梁工作状态做出评价。由于桥梁结构在工作时受到的荷载多是静力荷载，就连随着时间的变化位置也跟着变化的车辆荷载在计算中也可当做是静力荷载来进行计算。

桥梁结构的静力荷载试验一般可以运用重力加载设备来满足试验的荷载要求。静载试验的加载是从零开始一点点增加到指定的荷载为止。静载试验是了解结构特性的非常重要的手段，它不仅仅是用来直接解决结构的静力问题，在动载试验进行时也需要事先进行静载试验以便了解与测定结构相关的特性参数。

4.1 荷载试验用车

清潭沟大桥的设计荷载等级是公路-Ⅰ级，通过设计图纸进行估算，本次试验荷载将采用55吨的三轴载重汽车，车辆具体参数见图下所示。

图6.1 加载汽车尺寸示意图（单位cm）

4.2试验跨选择与断面测点布置

本次试验选取前三跨进行荷载试验。控制截面选取5个，分别布置在第1跨最大正弯矩截面（A截面，距0号台x=30.4m），第一跨墩顶截面（B截面，1号桥墩中心），第2跨最大正弯矩截面（C截面，距1号墩x=54.5m），第二跨墩顶截面附近（D截面，距2号桥墩中心x=3.35m），第3跨最大正弯矩截面（E截面，距2号墩x=60m），荷载试验控制截面见图6.2。

图6.2 荷载试验控制截面示意（单位：cm）

4.3 加载工况确定

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Midas中定义好试验车辆荷载工况。各个工况情况如下表所示：

表4.1 试验工况具体位置

4.4 试验荷载效率

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ƞ_q进行控制

式中：S_S——静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；

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