摘 要

荷载试验在桥梁工程中的起着越来越重要的作用，作为一种鉴定桥梁实际承载力的方法，其为桥梁的管理者对桥后续的管理运营提供了非常可靠的技术支持。

本文以风神大道三期工程项目为依托，对石桥大桥的结构以及外观进行检查，对混凝土强度进行测试。在总结各种检测方法的前提下，结合各种桥梁的理论设计和分析方法，对石桥大桥的荷载试验进行论证和设计，确定石桥大桥的具体的荷载试验方案。荷载实验主要分为静载试验以及动载实验，荷载试验一般分为：确定实验工况和测试界面，确定试验荷载，布置测点，实验过程控制以及记录，试验数据分析。主要通过有限元软件对石桥大桥进行建模，然后选取截面进行分析，针对大桥加载不同的荷载产生的数据进行计算，进而评判大桥的工作状况预测大桥可能发生的安全隐患。依据试验桥跨各控制断面的内力图，以及挠度影响线，确定其最不利荷载位置，然后利用满足规范要求的标准车辆来进行加载，测试试验各跨控制截面的应变、应力和位移以及裂缝的发展状况等。

通过Midas Civil进行对石桥大桥进行单梁有限元建模，计算横向分布系数，然后对桥梁结构进行分析，得到石桥大桥移动荷载下的弯矩包络图以及各阶理论振型和频率，对该项目的不同部位进行汽车静载试验和脉动、跳车试验。在试验过程中，用时域法对各个参数进行识别，得到该桥实际的模态参数。本文的目的是为保证安全有效实施载荷试验。

关键词：荷载试验，有限元法，静载试验，动载试验

Abstract

The role of load test in bridge engineering is more and more important. As a necessary method to identify the actual bearing capacity of bridges, it provides a very reliable technical support for the bridge management.

Based on the third phase project of Fengshen Avenue, this paper comprehensively inspects the structural appearance of Shiqiao Bridge and tests the concrete strength. Under the premise of summarizing various testing methods, combined with the theoretical design and analysis methods of various bridges, the load test of Shiqiao Bridge was demonstrated and designed to determine the load test plan of Shiqiao Bridge. The load test is mainly divided into static load test and dynamic load test. The load test is generally divided into determining experimental conditions and test interface, determining test load, arranging test points, experimental process control and recording, and experimental data analysis. The Shiqiao Bridge is mainly modeled by finite element software, and then the section is selected for analysis. The data generated by loading different loads of the bridge are calculated, and the working condition of the bridge is judged to predict the potential safety hazard of the bridge. According to the internal force and deflection influence line of each test section of the test bridge, the most unfavorable load position is determined, and then the test vehicle is used to meet the requirements of the specification, and the displacement, stress and crack development of the test section are measured.

Through finite element modeling by Midas Civil, the bridge structure is analyzed, and the bending moment envelope diagram of the Shiqiao Bridge under moving loads and the theoretical modes and frequencies of each order are obtained. The vehicle static load test and pulsation are carried out for different parts of the project. , jumping test. During the test, each parameter is identified by the time domain method to obtain the actual modal parameters of the bridge. Provide a guarantee and scientific basis for the safe and effective implementation of load tests.

Key words: load test, finite element method, static load test, dynamic load test

目录

第一章 绪论 1

1.1背景目的及意义 1

1.1.1背景 1

1.1.2目的 1

1.1.3意义 2

1.2国内外研究现状 3

1.3技术内容和技术方案 4

第二章 桥梁概况 5

2.1桥梁的概况与有限元单元的建立 5

第三章 荷载试验 7

3.1荷载试验的目的 7

3.2荷载试验的依据 7

3.3荷载试验的内容 8

第四章 静力荷载试验 8

4.1静载试验概况 8

4.1.1桥梁静载试验目的 8

4.1.2结构计算 9

4.2试验桥跨与测试截面 9

4.3静载试验加载效率及加载方式 10

4.4静载试验准备工作 11

4.5加载车辆 11

4.6试验工况 12

4.6.1工况设置及试验内容 12

4.6.2测点布置 13

4.6.3各工况测试内容 14

4.7加载布置 14

4.8静载试验观测内容 20

4.9加载终（中）止条件 20

4.10加载过程安全控制 21

4.11静载试验有限元计算结果 21

4.11.1工况一 21

4.11.2工况二. 22

4.11.3工况三 22

4.11.4工况四 23

4.11.5工况五 23

4.11.6工况六 24

4.12静载试验结果评定标准 24

4.12.1校验系数评定 24

4.12.2残余变形评定 26

4.13本章小结 27

第五章 动载试验 28

5.1桥梁结构模态计算 28

5.2截面选择及传感器布设 32

5.3试验内容 32

5.4试验工况 33

5.5动载实验方案设计 34

5.5.1脉动试验 34

5.5.2跳车实验 34

5.5.3结构模态阻尼比试验 34

5.5.4动应变时程曲线及冲击系数 34

5.6本章小结 35

第六章 结论 36

第七章 展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1背景目的及意义

1.1.1背景

在我国公路和桥梁事业快速发展的同时，新建的公路和桥梁越来越多，许多现存的桥梁逐渐进入维修阶段。石桥大桥就是其中之一，为满足公路运输负荷不断发展的要求，充分运用现有公路和桥梁，使其能够继续为道路运输安全服务。对桥梁进行荷载试验检测是需要且必要的。通过桥梁荷载试验结果，能够知道桥梁结构工作状况，可以对桥梁结构的施工质量有一个直观的评判，对其力学性能也会有所了解。可以有效直观地检测桥梁自身结构的实际承载力，桥梁的竣工验收因此有了细致详尽而又科学的依据，为桥梁的运营和保养提供了合理的意见。

桥梁荷载试验作用：桥梁是连接公路的纽带，对公路网的建设意义重大。因而，桥梁工程的质量以及工作做状态必须得到保证。一般来说，桥梁是一项大型工程，它的质量是由多种因素决定的，如设计分析理论、建筑材料、以及地质、施工工艺、水文等自然条件。为此，在桥梁建设过程中，人们使用相应的并依靠材料试验（包括试验块试验）、模型试验、结构试验、施工监测，在桥梁完成后进行动态和静态加载测试，以了解和控制项目的质量。在能够控制工程质量的各种手段中，荷载试验及相关试验技术起着至关重要的作用。随着科技的发展，设计桥梁的理论和方法发生了翻天覆地的变化。但是，诸多不确定要素仍然在影响着工程质量。关于桥梁工程竣工后的质量，人们更愿意掌握其性能和工作状态。此时，人们通过公路桥梁的静、动载试验，检验桥梁结构的施工质量是不是已经满足设计要求和规范要求，并对桥梁的运营荷载等级和实际使用状态进行评价。

1.1.2目的

混凝土桥梁是公路和铁路建设中必不可少的一部分，随着科技的不断进步以及经济的飞速发展，我国为了发展交通事业每年都在建设各种类型的新的混凝土桥梁，但是也有很多桥梁因为设计和施工的不合理出现一些重大的事故，且一些已经建成的桥梁由于成桥时的受力状态不合理以及长期维护等方面的缺陷极大地减少了桥梁的使用期限，不得不进行修理或加固。所以，要对桥梁结构的受力状态、安全情况、承载能力等方面进行合理的评估。论文将研究混凝土简支桥梁结构加固后的受力特点，桥在人群荷载、汽车荷载等作用下的变化情况，分析桥梁的受力情况和结构的稳定性。仿真计算是实施施工控制的基础，使用相关软件以实际桥梁为原型建立模型完成依托桥梁结构的计算分析，并且结合桥梁承载力的评估方法，给与桥梁承载力科学合理的评价。桥梁荷载试验的目的是进行相关试验，记录和分析桥梁结构直接加载后的工作，包括准备实验所需的和项数据和仪器、有限元建模和荷载的加载以求得理论数值、现场布置并进行试验和对现场荷载试验结果的分析以及整理并与理论结果相比较。诣在解读桥梁结构在加载试验荷载后的实际工作状况，为竣工验收和后续保养提供可靠的依据和方法。

1.1.3意义

桥梁荷载试验的目的是进行相关试验，记录和分析桥梁结构直接加载后的工作，包括准备实验所需的和项数据和仪器、有限元建模和荷载的加载以求得理论数值、现场布置并进行试验和对现场荷载试验结果的分析以及整理并与理论结果相比较。诣在解读桥梁结构在加载试验荷载后的实际工作状况，为竣工验收和后续保养提供可靠的依据和方法。桥梁的荷载试验对判别桥梁受力性能有非常重要的意义，同时也是评定桥梁施工质量的重要手段。目前，我国为了促使交通便利不断的在各地建造公路以及铁路设施。陆地上的交通运输主要就是公路和铁路运输，桥梁则是公路和铁路上必不可少的一种关键构筑物。然而桥梁作为一种人工构筑物，在建成通车很多年以后，必然会因为老化出现安全隐患，大量建成已久的桥梁已经难以达到目前桥梁规范的标准，人们检测出的安全性能也不能满足正常工作的要求。所以需要加固和维修不满足要求的桥梁，以此来增强桥梁的工作能力并提高桥梁的使用期限。通过使用Midas Civil，得到正确的桥梁受力情况和合理的线形状态，在第一时间找出有 质量问题的桥梁和承载力不足的桥梁，并及时提出正确的、针对性的改正方案；利用计算结果来反映桥梁性能是否处于安全状态，能立刻对具有隐患的危险桥梁进行加固等维修处理，避免干扰桥梁上车辆的正常通行。对混凝土桥梁加固后的受力状态分析以及承载力评估，能够更加准确的研究桥梁结构的安全性、合理性与耐久性。

1.2国内外研究现状

上世纪五十年代桥梁工程师针对桥梁使用性能不断下降的情况提出了桥梁检测的提案。七十年代英国在这方面的研究取得了突出的成果——在1978年BS5400桥规中制定了钢桥疲劳设计的车辆荷载谱。八十年代，世界各国的桥梁工作者召开了旧桥加固与维护的国际性会议。九十年代以来桥梁使用性能的评估也越来越引起有关部门的重视。为了保证桥梁的安全性，可以使用桥梁施工控制、仿真分析等方法对桥梁的承载力采取合理评价。桥梁施工控制贯穿施工过程，通过对桥梁结构周围的环境和桥梁实际所处的情况实时监测，获得实测数据，比较理论数据与实测数据之间的区别，通过计算分析，使桥梁结构的实际状态得到调整，从而使桥梁的使用性能达到理想的程度，符合规定必须具备的桥梁施工质量和安全性能^[3]。施工仿真分析属于施工之前控制的内容，是确定理想施工状态的依据。

采用桥梁结构的刚度来评价桥梁的承载力，能够快速的发现桥梁是否健康运行，以及桥梁的结构性能是否正常。当前使用很普遍的方法有利用静力挠度校验系数来检测桥梁结构的刚度；因为振动理论的不断完善以及相关检测工具的更新，学者们研究出了动力评估方法，主要是这三种方法：动力指标直接比较法、动力指纹类方法和模型修正类方法^[4]。对于简支梁桥，也有一些专家表明静力挠度与一阶竖弯频率之间可能存在某种联系，可以把这种联系用来反映结构的刚度^[5][6]。英、美等发达国家通过工程实践，颁布了相应的桥梁安全评估规范，规范主要依靠结构可靠性理论和相应的桥梁设计规范和条例^[7]。近几年来，西方国家建立了许多项目，例如“欧洲桥梁管理”、“公路基础设施中可持续发展的先进材料”、以及“欧洲中部高速公路结构的评估和维修”，这些项目都很好的成立了。他们通过这些研究项目建立了指导方针，并为桥梁的安全性评估提供最新的方法：如用失效概率P_f,d或可靠性指数以及分项安全系数等表示^[8]。

对桥梁结构建模可以建成各种理想的模型，因为需要对桥梁结构的承载力进行评估，所以一定要把模拟结构实际可能发生的情况中的不确定因素考虑进去，并且在一开始建立桥梁结构有限元模型时尽量把因系统建模引起的误差降低到最小甚至是没有^[9]。也有人通过结合桥梁荷载试验和Midas软件仿真模拟计算的结果，主张同时使用荷载试验和有限元软件对桥梁的承载性能进行测试方法，其中主要有静载、动载试验、实际结果与仿真模拟结果的对比分析等^[10]。

桥梁结构受力分析主要分为静力分析、动力分析和稳定分析,桥梁结构计算的根本就是静力分析。静力分析能正确的指出成桥合理时桥梁的恒载大小,确定桥梁受到各种荷载作用,比如桥面车载、行人荷载、主梁恒载、横向风载等，通过这些数据能够得到施工过程的控制参数，同时判断这个参数是否准确。以这个作为前提条件，然后对各种荷载作用下的桥梁进行各种计算分析^[11]。

1.3技术内容和技术方案

通过合理的方法正确地分析桥梁结构的受力情况，关系到准确判断桥梁结构安全能力、可靠性与桥梁的耐久性。论文将研究加固后简支梁桥结构的受力特点，完成依托桥梁结构的计算仿真分析，并结合正确的桥梁承载力评估方法，完成石桥大桥的荷载试验的方案设计，并给予桥梁承载力科学合理的评价标准：

①通过现场实习，初步了解混凝土桥梁加固流程及结构受力特点；

②通过使用结构有限元软件Midas Civil，建立相关模型，划分单元并赋予相应的单元属性，用软件来模拟桥梁的受力状态，结合实际评估承载力是否符合要求，了解简直梁桥结构的仿真计算方法并达到能熟悉进行分析的程度；

③针对加固混凝土桥梁结构的受力特点，完成依托桥梁结构的计算分析；

④结合桥梁承载力评估方法，完成石桥大桥的荷载试验方案设计，并给予桥梁承载力科学合理的评价的指标；

第二章 桥梁概况

2.1桥梁的概况与有限元单元的建立

风神大道石桥大桥位于十堰市风神大道（三期）上，上跨石桥，桩号段为K3 158-K3 658段。桥梁为直线桥，纵坡为1.72%，与道路正交。分两幅设计：左幅3*40 4*40 5*40m(先简支后结构连续刚构T梁)，桥梁净跨480m；0#、12#桥台为桩柱式轻型桥台，1#、2#、11#采用桩柱式桥墩，3#-10#采用是十字墩；1#、2#、11号桥墩为连续墩，4#、5#、6#、8#、9#、10#墩为固结墩，3#、7#为过渡墩。右幅12 2*40 4*40 5*40m(先简支后结构连续刚构T梁)，桥梁净跨452m；-1#台为重力式桥台，11#桥台为桩柱式轻型桥台，0#、9#、10#采用桩柱式桥墩，1#-8#采用十字墩；9#、10#桥墩为连续墩，2#、3#、4#、5#、7#、8#墩为固结墩，2#、6#为过渡墩。

主要设计参数：

1、桥梁结构安全等级：二级

2、桥梁设计基准期：100年

3、环境类别：Ⅰ类

4、设计荷载：城市—A级

5、半幅桥面宽度：375cm（栏杆 人行道） 50cm防撞墙 1200cm（车行道） 50cm防撞墙=16.25米

6、预制T梁及湿接缝、封锚端混凝土等级：C50

2）采用结构有限元程序Midas Civil建立桥梁空间结构模型进行计算分析。依据程序输出的内力包络图选取试验跨控制截面，分别求出计算荷载对结构各控制截面产生的最不利内力，并按此内力值进行结构等效加载。根据桥梁计算结果，结合现行规范，综合确定桥梁应力（应变）、变位控制参数，用以确定桥梁加载效率和加载分级控制。本实验采用Midas civil对风神大道石桥大桥左幅第二联进行建模和数据模拟计算，在进行模型的模拟时没有考虑模型的下部结构，只考虑桥梁的上部结构，才有结果比较稳定的单梁模型进行模拟，材料模型选用力的单位为kN，长度单位为m，混凝土采用JTG04（RC）规范的C50混凝土，计算模量取MPa

本试验共设置41个节点，40个单元，采用一般截面4m为一个控制单元单梁模拟图如下图所示

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