三环桥荷载试验方案毕业论文
2020-04-03 13:14:17
摘 要
本文是对位于湖北省十堰市重庆路三环大桥的荷载试验方案进行设计，根据测试得出的数据判断桥跨结构的承载能力以及运营状况是否满足现行设计标准，并为日后桥梁的其他工程项目提供技术资料。首先根据三环大桥的设计施工图纸，利用Auto CAD以及midas Civil建立桥梁模型。然后利用midas对模型进行运行分析得到桥梁结构的响应，初步估算荷载试验方案，根据数据再进行分析和完成荷载试验方案的设计。利用midas在桥梁结构上等效布载后计算得到控制截面挠度及应变的理论值。最后通过桥梁加载试验，记录桥梁结构在试验荷载下的结构响应，并将试验数据与理论值进行对比，为评定桥梁承载能力及养护、维修或加固提供科学依据和参考数据。
本文的主要工作是设计三环大桥的静、动载试验方案，其依据为建立有限元模型在midas Civil中运行分析的计算结果。
关键词：动载试验；静载试验；midas
Abstract
This paper is to is located in shiyan city, hubei province chongqing road three-ring bridge load test scheme design, according to the test data of the judgment of bridge span structure bearing capacity and whether meet the standard of design, the running state and other projects to provide technical information of Bridges in the future. Firstly, according to the design and construction drawings of the three-ring bridge, the bridge model is built using Auto CAD and Midas Civil. Then, Midas was used to analyze the operation of the model to obtain the response of the bridge structure, preliminarily estimated the load test scheme, and then analyzed and completed the design of the load test scheme based on the data. The theoretical values of controlling section deflection and strain are obtained by using Midas after equivalent load distribution in bridge structure. Finally based on bridge loading test, record the structure response of bridge structure under the test load, compared with the theoretical value and test data, for the evaluation of bridge carrying capacity and maintenance, maintenance or reinforcement to provide scientific basis and reference data.
The main work of this paper is to design the static and dynamic load test scheme of the three-ring bridge, which is based on the calculation results of the operation analysis of the finite element model in Midas Civil.
Key Words：Static loading test, Dynamic loading test,midas
目 录
第1章绪论 1
1.1 本文的研究目的及意义 1
1.1.1研究目的 1
1.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义 1
1.2国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势 3
1.2.1国内的发展现状 3
1.2.2国外的研究现状 4
1. 3本文的主要工作 5
第2章建立有限元模型 6
2.1工程概况 6
2.2 CAD中模型的绘制 8
2.3 在midas Civil建立平面桥梁单元模型 9
2.3.1在midas Civi中定义材料和截面特性 9
2.3.2在midas Civi中建立节点和梁单元 10
2.3.3 在midas Civi中添加边界条件及荷载 11
第3章桥梁结构分析 13
3.1 静力荷载试验 13
3.1.1 试验的主要内容及观测项目 13
3.1.2荷载横向分布系数的计算 14
3.1.3控制截面以及控制内力的计算 18
3.1.4确定加载车辆等级及位置 19
3.1.5在midas Civil中后处理 20
3.2 动荷试验 20
3.2.1 桥梁模态分析的振型图 21
3.2.2模型的周期与频率 22
第4章荷载试验实施方案 23
4.1 试验依据 23
4.2检测目的及内容 23
4.2.1 检测目的 23
4.2.2 检测内容 23
4.3 主要仪器设备 24
4.4 静载试验方案 24
4.4.1 荷载试验用车 24
4.4.2 静载试验的基本原则 25
4.4.3测试项目 26
4.4.4 试验方案 27
4.4.5 静载试验结果 29
4.5 动载试验 36
4.5.1 动载试验内容 36
4.5.2 动载试验工况 36
4.5.3 动载测试结果 37
第5章总结与展望 40
5.1总结 40
5.2展望 40
参考文献 41
致谢 42
第1章 绪论
1.1 本文的研究目的及意义
1.1.1研究目的
桥梁荷载试验是直接测试桥梁结构工作状态的一种识别手段。根据国家有关规定，桥梁建成后，应该对其进行生产鉴定性质的试验，桥梁荷载试验应力求到以下目的：
1、通过现场荷载试验，综合分析试验观测数据和试验现象，对桥梁设计和施工质量进行了检验，确定了工程的安全性，为最终验收提供了最终依据。
2、对桥梁结构的实际工作状态进行直接了解，对桥梁的实际承载能力做出判断，从而对结构在设计使用荷载下的工作性能做出合理的评价。
3、验证假设的正确与合理性，其中包括理论计算、计算方法和设计等方面的假设，为以后的桥梁结构建筑物施工积累宝贵的经验。
4、对桥梁结构的动载性能进行合理的评估，其评估依据为通过动力荷载试验测定桥梁结构在设计使用荷载下的固有振动特性和动力性能。
5、根据资料建立合理的桥梁模型，进行试验，记录正确参数。
现在越来越多的桥梁都已经建成很久，桥梁的设计荷载等级不能满足目前大量大吨位车辆行驶的现状，对于目前这种状况如果不采取相应的处理办法，将会使桥梁结构提前损坏，从而增加养护费用，使发生事故的概率大大增加。
1.1.2 桥梁检测工作的重要性与意义
由于多方面因数的影响，桥梁结构荷载试验检测工作越来越重要，可以归结为以下几个方面。
(1) 车辆数量近年来急剧增加，导致公路桥梁的交通量大幅度增加，使得桥梁的使用年限缩短。
(2) 随着社会发展的步伐，大型载重汽车的吨位也有所增加，另外加上超载车辆的行驶，加重了桥梁的负荷能力，使得桥梁损坏的速度大大提升。现在越来越多的桥梁都已经建成很久，桥梁的设计荷载等级不能满足目前大量大吨位车辆行驶的现状，对于目前这种状况如果不采取相应的处理办法，将会是桥梁结构提前损坏，从而增加养护费用，使发生事故的概率大大增加。
(3) 在桥梁结构的建造过程中由于某些原因造成桥梁质量不高，使得桥梁使用“先天缺陷”。大量的桥梁，特别是在早期建成的桥梁结构，由于早期施工技术不成熟，而且标准不高，再加上桥梁护理工作不到位，使得本来就有先天缺陷的桥梁的使用年限大大缩短，服役不了多久就成了危桥。
(4) 当前交通运输水平随着我国社会的快速发展有了大量的提高，导致早期的设计规范不能满足现状需求，使公路桥梁的运输能力受到限制，这也是旧桥的实际承载能力偏小的原因之一。
(5) 桥梁建成后管理工作不到位。在大自然的侵蚀作用以及环境污染越来越严重，导致桥梁结构损坏速度加快，达不到设计使用年限。
桥梁检测具有的意义：
- 桥梁养护的主要依据
(1) 由于桥梁结构一直承受荷载的作用，其结构会出现缺陷，例如伸缩缝变形和损坏、梁体出现裂缝、支座变形、基础沉降等，可以通过检测得出其主要部位的受损程度和当前的承载能力是否满足要求。
(2) 交通运输的发展需求对桥梁结构的荷载设计等级要求越来越高，可以对结构进行检测，从而合理的评定出当前桥梁的荷载等级，再考虑是否采取相应措施来提高其荷载等级。
(3) 为了满足我国现代会工业建设的发展，时不时会进行大型设备、集装箱的运输，从而会有超重车辆必须过桥的情况发生，可以通过桥梁检测，合理、科学的评估车辆能否安全通过，并为临时采取措施提供技术信息。
(4) 桥梁在使用过程中可能会发生严重损坏，例如船舶车辆撞击、地震作用、洪水冲击。可以通过检测合理地评估桥梁能否继续使用和为以后的修复工作提供技术资料。
- 积累技术资料、建立桥梁数据库
(1) 由于多方面因素影响，造成现有桥梁的资料不全或缺失，需要检测重新获取桥梁数据资料，以便于对桥梁进行科学的管理，也为桥梁技术的积累了技术资料。
(2) 科学合理地收集桥梁技术资料，完善桥梁信息，以便于桥梁计算机管理系统的正常工作，为桥梁的养护，加固维修提高依据。
检验桥梁结构的质量，确定工程可靠度
(1) 随着施工技术的提高，近年来修建的许多特大桥梁，特大桥是交通运输网的重要部分，竣工之后需要对其的施工质量进行合理的评估，评估工作可以提高检测来提高依据。
(2) 桥梁结构形式越来越多，对于新型结构的桥梁，通过检测对其结构的实用性进行验证，可以从中找出不足，加以完善，提高工程可靠度。
(3) 桥梁在使用期间会发生损坏，对其进行加固维修，维修完成后通过检测评价其荷载等级是否满足要求。
(4) 通过检测了解桥梁的实际工作状态，对其使用条件和承载能力做出合理的判断。
1.2国内外桥梁检测工作的发展现状和发展趋势
从桥梁检测技术的出现到发展至今，技术水平提高幅度不大。这是因为人们在桥梁检测和评估方面缺少系统的分析和深入的研究，没有打破检测技术的传统理念。
因为桥梁结构形式众多、检测时影响因素繁杂、过程复杂以及桥梁资料不完整，所以至今为此桥梁荷载试验的评定理论还未系统化，规范化。桥梁检测技术还处于发展的初级阶段，还有待深入研究。为了满足国家发展需求，桥梁检测这个研究课题在国内外都越来越受人们关注，相信在不久的将来桥梁检测技术会有一个系统化、规范化的评定体系。
1.2.1国内的发展现状
(l) 加强相关政策的研究和制定
1988年试行公布了《公路旧桥承载能力鉴定方法》规范，随着时代的发展，当时发布的规范满足不了当前的要求，2011年重新公布了《公路桥梁承载能力检测评定规程》 (JTG/T J21—2011)，作为公路工程行业推荐性标准。1988年公布的规范自新规范公布之后就废止了。
(2) 加强科研成果的推广应用力度
例如江苏省交通科学研究计划项目“梁式桥梁承载能力快速荷载试验与评定技术研究”对准静态荷载试验方法进行了研究，并得到很好的利用推广。
(3) 加强对科研的投入力度。比如一系列课题的开展
- 连续钢构桥加固技术研究
- 桥梁伸缩缝修补技术研究；
- 国家863项目“大跨度预应力混凝土连续箱梁桥长期下挠和开裂的控制研究”；
- 在用空心板梁开裂修补技术研究
- 其他的相关课题。
1.2.2国外的研究现状
以加拿大为例，因为1907年圣劳伦斯河大桥事故桥梁检测得到重视，并以《国家桥梁检测规范》为总则外，还凭借大数量的桥梁检测数据资料、桥梁的评定标准等来构成的整个检测体系，这个检测体系的内容较为丰富。
（1）建立了以桥梁检测结果为基础的荷载等级评定体系
（2）建立了比较完善的承载能力检测体系
（3）对于不同类型的桥梁的检测要点进行了明确描述
（4）对检测过程中数据的规范处理建立了标准
- 桥梁检测的发展趋势
(l) 目前阶段我国对于桥梁的评定还是以桥梁荷载试验为依据，但是现在的荷载试验规范还没完善：
- 评定的标准不全面，可操作性不好
- 以检测结果为基础的评定体系应用性差
- 荷载试验费用高，不经济，而且交通受到影响
- 荷载试验结果反映的结果不全面，例如不能反映桥梁结构的极限状态性能、疲劳性能、以及其他因素对结构承载能力的影响等。
因此，需要建立新的桥梁评定的发展方向：
- 提高桥梁有限元模型分析的适用性；
- 对规范中的数据取值进行完善；
- 对已有的试验方法进行改进；
- 提出新的检测方法；
- 以桥梁安全与健康概念为基础的评定体系；
- 结构损伤理论的应用；
- 可靠度方法；
(2) 随着科学技术的发展，桥梁检测也越来越会向智能化的方向发展：
- 桥梁安全检测系统的智能化；
- 精度更高的传感器研究；
- 实时的监测系统与现代网络技术结合实现；
- 桥梁检测信息实行网络共享；
- 桥梁无损检测技术的应用。
1. 3本文的主要工作
本文主要开展了以下几方面的工作：
(1)熟悉简支梁桥的发展历史，对简支梁桥的结构特点做一个充分的了解。
(2)了解桥梁荷载试验的原理、方法和内容。
(3)根据大桥的施工设计图纸用有限元建模软件建模。
(4)利用建立的有限元模型运行分析。
(5)通过分析计算结构设计合理的荷载试验方案。
(6)理论值与实际值进行对比，为检验桥梁的承载能力评定提供依据，分析和评价桥梁的整体力学性能。
第2章 建立有限元模型
随着科技的发展，计算机的运算水平也越来越高。在工程技术领域，大多数实际问题要求的解析解是非常困难的，有时候甚至是不可能的，人们对于这类问题，常常把实际的工程问题抽象的模拟为他们应该遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的边界条件，把抽象的方程和边界条件简化为可以简单处理的问题，通过这种方法可以得出要求问题的近似解。
有限元方法在对工程结构分析领域有着广泛的应用，例如：对桥梁结构的分析、对码头一类水工建筑物的结构分析、对船舶船体的受力分析等，对处理实际的问题有很大帮助，为结构分析提供了技术资料。
本章的内容主要描述了三环大桥的工程概况、利用有限元软件建立桥梁模型的详细步骤和在建立完成的模型上添加相应的试验工况。
2.1工程概况
十堰市重庆路三环桥上部结构为6跨13米混凝土空心板，先简支后桥面连续，主梁采用C40混凝土，截面尺寸如图1-2所示，单跨主梁数量为20片，分为左右两幅，每幅10片主梁；引桥部分为10跨8米现浇混凝土桥面板。三环桥全长181m（包括引桥），桥面宽度为21.36m；
下部结构：桥台采用重力式桥台，桥墩均采用四柱式墩，钻孔灌注桩基础；桥面为沥青混凝土铺装层。
桥梁主要技术标准如下：
（1）设计荷载等级：汽车—20级，挂车—100级；
（2）桥面净空及运营车道数：0.18 m（栏杆） 3m(人行道) 15m（车行道） 3m(人行道) 0.18 m（栏杆），一共双向四车道。
桥梁的横断面布置图，空心板截面图如图2.1、图2.2所示，桥梁俯视照、侧面照如图2.3、图2.4所示。
图2.1 桥梁横断面布置图（单位：cm）
图2.2 空心板截面图（单位：cm）
图2.3 十堰市三环桥俯视图
图2.4 十堰市三环桥侧视图
2.2 CAD中模型的绘制
根据设计资料提供的图纸绘制桥梁的单梁横截面图，为后期利用midas civil 建立有限元模型做准备（添加截面特性）。
十堰市重庆路三环大桥采用的是空心板梁，为了使桥梁结构每一跨的空心板梁形成一个整体，达到一同承受外力荷载作用的目的，在每个空心板梁之间必须构建横向连接。该桥采用的连接方法是企口式混凝土铰连接。桥梁总宽21米，由20片空心板梁构成。绘图完成后需注意将图中多余的点跟线段删除掉，不然会对导入有限元软件进行截面计算时有影响。
图2.5空心板截面图（单位cm）
2.3 在midas Civil建立平面桥梁单元模型
2.3.1在midas Civi中定义材料和截面特性
表2.1材料特性
