拱桥静动力荷载试验方案毕业设计

毕业设计（论文）前 言拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱式结构在竖向荷载作用下，支承处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力，由于这个水平推力的存在，拱的弯矩将比相同跨径梁的弯矩小很多，而使整个拱主要承受压力。这样便可以充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建拱桥，由于拱桥的这些优点，使得它成为我国公路桥梁中主要的桥型之一 1。桥梁结构与生物的生长衰亡周期一样，具有其独特的生命周期。而在桥梁结构的生命周期内发生的结构缺陷和损伤将不可避免地影响桥梁的使用性能。为此，在桥梁的寿命周期内需对桥梁的使用状况、缺陷及损伤进行全面检测，明确缺陷和损伤的性质、部位、严重程度及发展趋势，以便分析、评价缺陷及损伤对桥梁性能和承载力的影响。精确有效地评估桥梁的实际承载能力具有重大的社会经济价值：一方面它可以减少不必要的加固、维修费用；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既有桥梁的检算和外观检测工作以及荷载试验，通过检算与外观的检测，可以基本上确定桥梁结构物的使用状况，然而理论推断与实际结构的特性往往存在着一定的差别，尤其是承载力的鉴定，目前还离不开荷载试验 2。桥梁荷载试验是一项复杂而细致的工作，技术含量高，涉及面广。应在桥梁调查和检算的基础上确定试验项目，仔细地考虑试验的全过程，预计可能出现的问题及处理方法，制定切实可行的试验计划，保证试验工作的顺利进行。荷载试验是要弥补桥梁调查和检算中的不足，使桥梁承载能力鉴定工作进一步深化。按桥梁荷载试验方法，通过对试验桥梁进行荷载试验，检测控制截面应力、挠度、裂缝及桥梁动力特性指标，以达到下述目的 3： (1) 检验桥梁设计与施工质量对于一些新建的大、中型桥梁或者具有特殊设计的桥梁，在设计施工过程中必然会遇到许多新的问题，为保证桥梁建设质量，施工过程中往往要求作施工监控。在竣工后一般还要求进行荷载试验，以检验桥梁整体受力性能和承载能力是否达到设计文件和规范的要求，并把试验结果作为评定工程质量优劣的主要技术资料和依据。(2) 判断桥梁结构的实际承载能力旧桥由于构件局部发生意外损伤，使用过程中产生明显病害，设计荷载等级偏低、原有设计资料遗失以及需要通过特种车辆等原因，都有必要通过荷载试验判定构件损伤程度及其承载力、受力性能的下降幅度，确定其运营荷载等级。同时，荷载试验也是改建、加固设计的重要依据。(3) 验证桥梁结构设计理论和设计方法对于桥梁工程中的新结构、新材料和新工艺，应通过荷载试验验证桥梁的计算图式是否正确，材料性能是否与理论相符，施工工艺是否达到预期目的。对相关理论问题的深入研究，往往也需要大量荷载试验的实测数据 4。 本文的主要工作是根据某拱桥的设计资料，通过有限元模型的建立对其进行受力分析，充分了解其受力特性，得出最不利截面位置以及相应的控制内力，在这基础上模拟进行试验加载并求出相应的荷载效率。最后设计一套适合本桥的荷载试验实施方案。指出了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。目 录摘 要 .1ABSTRACT.2第 1 章 绪 论 .11.1 本文的研究背景及意义 .11.1.1 我国既有桥梁现状 .11.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义 .21.2 荷载试验的主要内容 .31.2.1 静力试验 .41.2.2 动力试验 .51.3 国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势 .51.4 本文的主要工作 .7第 2 章 建立有限元模型 .82.1 工程概况 .82.2 CAD 中模型的绘制 .92.3 在 Sap2000 建立平面杆件单元模型 .102.3.1 在 Sap2000 中的几何处理和约束限制处理 .102.3.2 在 Sap2000 中定义材料和截面特性 .112.3.3 在 Sap2000 中定义荷载工况 .122.3.4 在 sap2000 中拱桥模型的展示 .15第 3 章 桥梁结构分析 .163.1 静力试验 .163.1.1 试验的主要内容及观测项目 .163.1.2 控制截面以及控制内力的计算 .173.1.3 荷载效率的概念 .193.1.4 试验工况的确定 .203.1.5 试验结果分析 .213.2 动力试验 .243.2.1 桥梁动力试验测试内容与方法 .243.2.2 桥梁动荷载的特性 .253.2.3 桥梁模态分析的振型图 .28第 4 章 荷载试验实施方案 .304.1 试验依据 .304.2 试验目的 .304.3 主要试验内容及检测方法 .304.3.1 主要试验内容 .304.3.2 试验检测方法 .314.4 试验桥跨控制截面及测点布置 .314.4.1 静力试验测点布置 .324.4.1 动力试验测点布置 .334.5 试验荷载及试验工况 .344.5.1 控制荷载 .344.5.2 试验荷载 .344.5.3 试验工况 .354.5.4 加载车布置 .364.6 主要检测仪器及量测要求 .404.6.1 静力试验 .404.6.2 动力试验 .404.6.3 量测要求 .404.7 试验加载组织、控制与安全措施 .414.7.1 试验加载组织 .414.7.2 试验的荷载的控制与安全措施 .414.7.3 检测信息整理分析及处理反馈 .43第 5 章 总结与展望 .445.1 总结 .445.2 展望 .44致 谢 .45参考文献 .46摘 要本文详细论述了拱桥结构荷载试验的原理、方法和内容，同时根据某桥设计资料建立有限元平面杆件单元模型。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：拱桥结构，动力实验，静力实验，模拟分析 ，有限元法 ABSTRACTThis paper discusses in detail the arch bridge load test principle, method and content, according to the design of a bridge data to establish the finite element planar bar element model.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.Keywords: Arch bridge, Static loading test, Dynamic loading test, Simulation analysis, Finite element method2012 届理论与应用力学专业毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 本文的研究背景及意义1.1.1 我国既有桥梁现状根据交通运输部和铁道部对既有桥梁规模统计有：交通运输部统计结果：2010 年年底，全国公路网总里程 395 万公里，5 年新增 60.5 万公里；其中，高速公路通车总里程达到 7.4 万公里，五年新增 3.3 万公里，国家高速公路网骨架基本形成，居世界第二。2008 年底，全国公路桥梁达 59.46 万座、2524.70 万延米，比上年末增加 2.46 万座、205.52 万延米。其中特大桥梁 1457 座、大桥 39381 座。2009 年底，全国公路桥梁达 62.19 万座、2726.06 万延米，比上年末增加 2.73 万座、201.37 万延米。其中特大桥梁 1699 座、大桥 42859 座。铁道部部统计结果：2007 年底国家铁路营业线路桥梁 46888 座、3355620 延长米。其中，全长（正桥长度与引桥长度之和）500 米以上的特大桥 826 座，全长 100 米以上至 500 米的大桥5459 座，全长 20 米以上至 100 米的中桥 13872 座，全长不足 20 米的小桥 26731 座。各类铁路桥梁总数量达到 18 万座。2008 年底国家铁路营业线路桥梁 47524 座、3493735 延长米。其中，全长（正桥长度与引桥长度之和）500 米以上的特大桥 872 座，全长 100 米以上至 500 米的大桥 5637 座，全长 20 米以上至 100 米的中桥 14188 座，全长不足 20 米的小桥 26827座。从上面的数据可知，随着国民经济的迅猛发展，我国交通运输建设也迎来了发展高峰。桥梁建设作为其中主要组成部分也得到了相应发展，极大的改善了交通环境，创造出可观的经济和社会效益，为经济的发展也发挥了巨大作用。另一方面，由于近2年来交通量增长迅猛，大件运输车和超重车日益增多，公路运输对公路桥梁的通行能力和承载能力的要求越来越高，而一些旧桥陈旧老化，破损现象日趋严重，许多旧桥难纵适应日趋增长的交通量需要。为保证公路的畅通，创造一个安全、舒适的行车环境，加强桥梁试验检测工作显得十分必要。这也已成为各级公路管理部门工作的重点。如何保证桥梁建设的质量，养护管理好现有桥梁，保持桥梁的完好工作状态，延长其使用寿命，这一新的机遇和挑战对各级公路管理部门提出了更高要求。为确保桥梁在建设过程中的安全及其在运营过程中的安全与健康，上至国家有关部委、下至省市交通部门采取种种措施，出台各种规定，以避免桥梁结构安全事故的发生。尽管如此，总体而言我国的桥梁结构安全现状仍不乐观，桥梁事故屡屡发生，给人民的生命财产和国民经济造成巨大损失，造成了极其恶劣的影响。由中国工程院土木水利建筑学部陈肇元、范立础、刘建航等 14 位院士组成的工程结构的安全性与耐久性研究项目组，针对对我国土建工程的现状和存在的问题分别在 2003 年和 2007 年 3 月两次向国家有关部门递交了咨询报告，指出中国建筑（包括桥梁工程）安全的现状让院士们深感忧虑。中国工程院院士王景全教授 2007 年曾指出：在未来 10 到 20 年内，我国必将提前迎来大范围的桥梁老化现象，对于已建桥梁要经常进行安全可靠性和承载能力的评估，及时发现问题，加强维护、保养和加固，限载或降载通行，防止其“未老先衰” ，必要时拆除重建，是一个紧迫而又必须面对的艰巨任务。1.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义由于