摘 要

本文是对位于牛头山国家森林公园的天美公路茶树沟桥（既有桥梁，以下简称茶树沟桥）的荷载试验方案进行初步设计，得到试验数据以确保桥跨结构的承载能力以及运营状况符合现行设计标准，并为日后桥梁的其他工程项目提供试验数据。首先根据茶树沟桥梁的设计和施工图纸，利用CAD-Computer Aided Design（以下简称CAD）以及Multiple Intelligence Developmental Assessment Scales（以下简称MIDAS）对桥梁进行建模。然后利用MIDAS对模型进行分析得到桥跨结构的反应，初步估算荷载试验方案，根据这些数据进行再分析和设计得到桥梁试验荷载完成荷载试验方案（包括静载试验方案和动载试验方案），利用MIDAS在桥跨结构上等效布载后计算得到桥跨结构控制截面挠度及应变的理论值。最后通过桥梁加载试验，记录下桥跨结构在试验荷载下的结构响应（包括控制截面应变，挠度以及试验动荷载作用下的动力响应），并将试验数据与理论计算值相比较，为评估桥梁承载能力以及养护，维修或者加固桥梁提供科学依据和参考数据。

关键词：静载试验；动载试验；钢构桥；MIDAS

abstract

For national forest park chashugou tianmei highway bridge load test scheme for the preliminary design, get the test data to ensure that the bearing capacity of the bridge span structure and the operating conditions in accordance with the current design standards, and other engineering projects to provide test data for the new bridge.First, according to the Design and construction drawings of the chashugou bridge, the bridge is modeled with CAD-Computer Aided Design (hereinafter referred to as CAD) and Multiple Intelligence Developmental Assessment Scales (hereinafter referred to as MIDAS).And then analyze the model bridge span structure, preliminary estimates of the load test program, according to these data to analysis and design of the bridge test load completed load test plan (including the static load test and dynamic load test).Finally based on bridge loading test, record the structural response of the bridge span structure under the test load (including control section strain, deflection and the test of the dynamic response under dynamic loading), compared with the theoretical calculation value and test data, for the evaluation of bridge carrying capacity and bridge maintenance, repair, reinforcement scheme provided the scientific basis and data.

Keywords: Static load test;Dynamic load test;Rigid frame bridge;MIDAS

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 研究内容 1

1.4 研究方案 2

第2章 建立模型及荷载试验 3

2.1 桥梁设计说明 3

2.1.1 桥梁概述 3

2.1.2 设计标准 3

2.1.3 设计规范 4

2.1.4 主要材料 4

2.2桥梁模型建立 4

2.2.1 建立截面及定义材料 4

2.2.2 梁单元建立 6

2.2.3 添加边界条件 12

2.2.4 定义移动荷载 13

2.3 静载试验和动载试验 15

2.3.1 静载试验 15

2.3.2 动载试验 21

第3章 模型数据处理以及试验数据分析 23

3.1 模型数据处理 23

3.1.1 控制截面设计弯矩及其影响线 23

3.1.2 静载试验车辆布置估算 26

3.1.3 模型频率周期分析 28

3.2 试验数据处理 30

3.2.1 静载试验结果 30

3.2.2 动载测试结果 39

第4章 检测结论 42

4.1 外观检测结论 42

4.2 静载试验结论 43

4.3 动载试验结论 43

4.4 结论 43

参考文献 44

致 谢 45

第1章 绪论

牛头山国家森林公园座落在拥有“江南华清池，浙中桃花源”之美誉的浙江省境内，茶树沟桥是连接森林公园天池垭景区与美景园景区的天美工路上的一座小型桥梁。

• 1. 研究背景

牛头山天美公路茶树沟桥属于连续钢构桥。从结构体系看，连续钢构桥属于连续梁桥。连续梁桥具有许多优点，其中变形小，结构刚度好等优点尤为突出，但由于受施工条件影响，上世纪60年代大跨径预应力混凝土梁桥的应用程度几乎总是优于连续梁桥。然而由于梁桥结构之间的联系为铰接，再加上无法对混凝土收缩徐变做出准确估计和温度等因素对结构产生的影响，导致桥面在铰接处无法平顺连接，形成折线，不利于行车舒适，所以利于行车的连续钢构桥逐渐成型。

1.2 研究目的

桥梁荷载试验的目的根据桥梁建成时间一般分为两种。一种是对新建桥梁进行荷载试验，其目的是：（1）检验桥梁设计方法和施工过程质量；(2)对桥跨结构的承载能力进行判定；（3）验证新设计方法和新设计理论的合理性。另一种则是既有桥梁的荷载试验，其目的是：（1）对桥跨结构的承载能力及实际运营情况进行判定；（2）分析结构缺陷的形成原因以及估算缺陷发育情况；（3）为评估桥梁承载能力以及养护，维修或者加固桥梁提供科学依据和参考数据。

1.3 研究内容

桥梁荷载试验是通过对桥跨结构施加荷载的方式得到桥跨结构的静力和动力特性。桥梁荷载试验由静载试验和动载试验两部分组成。本文主要是对茶树沟桥进行建模进而根据规范进行理论计算和数据分析，初步估算荷载试验方案并进行模拟得到桥梁荷载试验理论值，继而得到荷载试验方案根据得到的方案进行现场试验测试，将理论计算数据和实验测试数据进行比对，从而确定茶树沟桥的承载能力和运营状况。

1.4 研究方案

首先根据牛头山天美公路茶树沟桥的设计施工图纸利用有限元建模软件进行建模，计算，分析，初步估算荷载试验方案，再根据方案模拟荷载试验得到桥跨结构的理论响应值。

桥梁静力荷载试验通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和内力，检验桥梁结构的实际工作状态能否满足设计荷载作用下的正常使用要求。测定项目及内容为主梁控制截面应变或挠度等。

本次动载试验主要通过对记录的桥梁在脉动试验、跑车试验以及跳车试验下的振动信号进行分析，得到牛头山天美公路茶树沟桥的动态特性和响应，并与理论计算结果进行对比，为检验桥梁的承载力评定提供依据，分析和评价桥梁的整体动态性能。

第2章 建立模型及荷载试验

2.1 桥梁设计说明

2.1.1 桥梁概述

茶树沟桥的地理位置位于牛头山天美公路茶树沟处。茶树沟桥桥梁全长l=31.5米，桥梁宽度w=6.8米，桥型平直，两车道，双向行驶，车行道宽占6米，机动车、非机动车和人混行，单侧栏杆宽0.4米，设置在桥梁两侧。茶树沟桥共计三跨，三跨一联，跨径组合：8.05m 15m 8.05m=31.1m。

茶树沟桥从结构上来说属于连续钢构体系，从施工方法上来说属于整体现浇板桥，上部结构为连续结构，中间1#和2#桥墩墩顶设2.4米长0.6米高的腋角，采用暗盖梁形式，暗边梁、暗端梁与桥板整体现浇。0#、3#桥台采用重力式桥台，采用M7.5浆砌毛石，用4m长的桥头搭板连接桥台与路面，1#、2#桥墩采用桩柱式桥墩，桥墩墩柱直径d1=0.8m，桥墩桩基础直径d2=1.2m，桩顶采用横系梁横向连接。如图2.1所示。

图2.1 茶树沟桥立面图

2.1.2 设计标准

1. 设计荷载：公路Ⅱ级
2. 跨径组合：边跨8.05米 主跨15米 边跨8.05米，共三跨全长31.5米
3. 桥面宽度：栏杆0.4米 行车道6米 栏杆0.4米
4. 桥面纵坡：3%
5. 地震烈度：地震峰值加速度：0.05g，相应地震烈度6度
6. 防洪标准：25年一遇
7. 结构基准年：100年
8. 桥梁安全类别：三级，该桥为小桥
9. 混凝土环境类别：Ⅰ类

2.1.3 设计规范

1. 《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)
2. 《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)
3. 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)；
4. 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)；
5. 《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80-2004）
6. 《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)；
7. 《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011 ）
8. 牛头山天美公路茶树沟桥的设计施工图纸及相关技术资料。

2.1.4 主要材料

1. 混凝土：上部桥板采用C40号混凝土，台帽、桩柱采用C30现浇。桥台台身和侧墙采用M7.5浆砌毛石。水泥应采用高品质的强度等级为52.5、42.5的硅酸盐水泥，粗集料应采用连续级配，碎石宜采用锤击式破碎生产，碎石最大粒径不宜超过20mm，以防混凝土浇筑困难或振捣不实。
2. 钢材：钢筋采用R235和HRB335钢筋，钢筋应符合《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）的规定。钢板应采用《碳素结构钢》（GB/T700-2006）规定的Q235B钢板。焊接钢筋应满足焊接要求，其他钢材均应符合国标规定。
3. 支座与伸缩缝：在0#、3#桥台设置支座与伸缩缝，支座型号为GJ200*200*35，伸缩缝型号为RG50，要求采用经过省部级鉴定的专业厂家生产，其材料及力学性能均应符合现行国家和行业标准规定。

2.2桥梁模型建立

在桥梁荷载试验中，会根据桥梁施工设计图纸建立桥梁模型。通过主梁截面形状面积以及相关几何和力学参数的模拟，建出桥梁模型。再通过分析，模拟出恰当的边界条件和荷载情况，对桥梁设计弯矩进行分析，从而得出荷载试验方案，进而模拟出控制截面最不利情况下结构的形变和应变等。

桥梁模型一般分为三种：单梁模型、梁格模型和实体模型。实体模型由于模型节点数单元数较多，模型建立和计算都十分复杂，对一般桥梁模型来说用的较少。而空间梁格模型和平面单梁模型是桥梁模型中最常用的两种模型，各有优点。本文采用平面单梁模型对桥梁进行分析计算。

2.2.1 建立截面及定义材料

（一） 建立截面

茶树沟桥整座桥梁属于现浇板桥，上部结构为连续结构，整体现浇，采用边暗梁、端暗梁以及暗盖梁的形式，梁板一体。因此，桥梁横断面如图2.2和图2.3所示，墩顶截面是一个6.8m*1.2m的矩形，非墩顶截面是一个6.8m*0.6m的矩形。

图2.2 墩顶截面 图2.3 非墩顶截面

而在上部结构中，墩顶截面与非墩顶截面存在着变截面如图2.4所示，其截面-i是6.8m*0.6m的矩形，截面-j是6.8m*1.2m的矩形。这里还需要将墩顶截面、非墩顶截面以及变截面（截面-i和截面-j）的几何中心设置到截面顶部中心以保证模型桥面的平整。

图2.4 变截面

接下来是桥梁下部结构截面的建立，即桥墩墩柱截面、桩基础截面和桩顶系梁截面，分别如图2.5、2.6、2.7所示。桥墩墩柱截面是一个半径为1m的圆形截面，桩基础截面是一个半径为1.2m的圆形截面，桩顶系梁截面是一个0.8m*1m的矩形截面。

图2.5 桥墩墩柱截面 图2.6 桩基础截面 图2.7 桩顶系梁截面

该桥结构截面简单，因此直接利用MIDAS数据库里的截面就可以完成，无需使用CAD辅助画出截面。

（二） 定义材料

根据茶树沟桥的设计施工图纸，桥梁上部桥板采用C40号混凝土，桩柱采用C30号混凝土，因此定义材料如图2.8所示。

图2.8 混凝土材料定义（左 桥板材料 右 桩柱材料）

2.2.2 梁单元建立

（一） 建立节点

通过桥跨结构立面图，找出截面变化处的几个点，从而建立梁单元。茶树沟桥的立面图如图2.1所示，以桥梁结构中桥板的最左侧截面的截面几何形心（设置偏心后）为远点，在图中桥梁结构中桥板的截面变化点处建立节点。由于茶树沟桥在立面图上是轴对称结构，因此建立节点时只需建立左半部分节点，从左到右节点依次为（0，0，0）、（5.3，0，0）、（7.7，0，0）、（8.7，0，0）和（11.1，0，0）。输入节点坐标，或者在excel中将节点坐标输入并复制后，在MIDAS的节点表格中粘贴即可，节点如图2.9所示。

图2.9 节点建立

（二） 建立单元

将菜单选择到建立单元，选择一般梁/变截面梁，然后选择定义好的截面材料和截面形状，这里选择材料“桥板”和“非墩顶截面”，然后连接左侧两个节点，即1号节点和2号节点。改变材料和截面为“桥板”和“墩顶截面”连接3号节点和四号节点。最后改变材料和截面为“桥板”和“变截面”按照顺序连接2号节点和3号节点以及5号节点和4号节点，如图2.10所示。

图2.10 连接节点建立单元

选择镜像，选中图3.9所示结构，设置镜像平面为yoz平面x=15.7，并勾选复制单元属性。再将5号节点和10号节点通过材料“桥板”和截面“非墩顶截面”连接成梁单元，将桥梁上部结构补充完整，如图2.11所示。

图2.11 桥梁上部结构（整体）

接着将桥梁的上部结构进行进一步划分。选择分割单元将1号单元和5号单元在x方向分别划分为11个小单元，2号单元、4号单元、6号单元以及8号单元在x方向分别划分为5个单元，再将3号单元和7号单元在x方向分别划分为2个单元，最后将9号单元在x方向划分为18个单元，如图2.12所示。

图2.12 桥梁上部结构（划分）

桥梁变截面处在划分单元后出现参差不齐的现象，这里需要设置变截面组，使单元截面呈线性变化。在特性选项卡中选择变截面组，设置截面组名称，将变截面单元设置到单元列表中，如图2.13所示。

图2.13 桥梁上部结构（变截面组设置）

接下来建立桥梁的下部结构，在结构选项卡中，选择柱结构来进行桥墩墩柱和桩基础的建模。根据1#桥墩和2#桥墩的桥梁设计施工图纸，建立柱状单元。选择建立10*0.68=6.8m的柱状单元，边界条件暂时选择“无”，然后定义截面材料“桩柱”和截面形状“墩柱”，然后分别从节点（8.2，2.25，0）和（8.2，-2.25，0）处按Alpha=180的角度插入，如图2.14所示。

图2.14 1#桥墩墩柱

同理，选择建立16*0.5875=9.4m的柱状单元，边界条件暂时选择“无”，然后定义截面材料“桩柱”和截面形状“墩柱”，然后分别从节点（23.2，2.25，0）和（23.2，-2.25，0）处按Alpha=180的角度插入，如图2.15所示。

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