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1、目 录前 言1第1章 绪论11.1我国桥梁建设的发展现状111.2桥梁检测工作的重要性与荷载试验工作的意义2 21.2.1桥梁检测工作的重要性21.2.2国内外桥梁检测工作的现状与技术发展趋势21.2.3荷载试验研究工作的主要内容和意义51.3本文的主要工作6第2章 有限元模型的建立72.1 SAP2000介绍372.2模型的建立82.2.1 工程概况82.2.2 CAD中图形的绘制102.2.3 SAP2000中结构及约束的简化112.2.4材料及框架属性112.2.5 定义模型的各种荷载工况14第3章 荷载试验及结构的计算183.1 静载实验183.1.1 试验的主要内容及观测项目183.
2、1.2 试验工况的确定183.1.3荷载效率的确定6193.2 内力的计算203.2.1车辆布载253.3 动载实验283.3.1桥梁动力试验测试内容与方法283.3.2桥梁动荷载的特性293.4 模态分析采用特征值分析303.4.1 模型前3阶自振振型30第4章 试验加载方案324.1 试验依据324.2 试验目的324.3 主要试验内容及检测方法324.3.1 主要试验内容324.3.2 试验检测方法334.4 测试截面测点的选定334.5试验荷载及试验工况35第5章 总结与展望40谢词41参考文献42摘 要 桥梁是重要的交通设施之一。随着交通事业的发展和科学技术的进步，桥梁检测得到了日益
3、广泛的重视。桥梁检测在评定现有桥梁的实际承载能力、建立和积累必要的桥梁技术资料、推动和发展旧桥评定理论及新桥设计理论等方面都有着重要的意义。自上个世纪40年代以来，有限元方法在科学研究和工程分析中逐渐占据了重要的地位，己经成为数值计算的主流。桥梁的仿真计算的基础在于建立一个能够全面、正确反映桥梁结构真实形态的完整的有限元仿真模型。本文详细论述了拱桥结构检测的原理、方法和内容，同时依托工程实例建立全桥结构仿真分析模型。最后借助上述模型，针对静载，动载试验各个加载工况，进行了结构分析计算，通过比较拱桥的仿真模型的分析结果和现场检测结果，验证了两者之间的一致性。因此，全桥结构仿真分析技术与荷载试验相
4、结合，能得到较传统检测理论更加详尽和精确的结果，为今后检测工作减轻负担，有着良好的应用前景。关键字：桥梁检测，动载实验，静载实验，仿真分析，有限元法ABSTRACTBridges are one of the facilities of transportation. With the development of traffic and the advancement of technology, the detection of bridge is considered to be more and more important. Its main signification expres
5、ses in the applications as follows: assess of actual carrying capacity of existing bridges, foundation of technical information of bridges, and developments of the assess theories of old bridges and design theories of new bridges. Since 1940s, finite element method (FEM ) gradually holds the importa
6、nt roles in scientific research and engineering analysis. The simulation of bridge is based on entire FEM model, which can completely and exactly reflects the actual state and behavior. This text explains the principle, method and content of the arched bridge in detail, relying on the project instan
7、ce sets up the whole bridge structure simulation analysis model at the same time. Finally, supporting from aforementioned model, testing each operating mode of the static-state, dynamic loading test, analyze at calculates after carrying on the structure. Compared the results of simulation with the r
8、esults of field examination, we can find there is consistency If the whole bridge structure simulation analysis technology combine with the loading test of the arched bridge, it can receive more exhaustive and accurate result relatively than tradition measure theory and abate the burden of the detec
9、tion task. There are good application prospects in the future.KEYWORD: bridge test, static-state loading test, dynamic loading test ,simulation analysis,finite element method前 言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查,明确缺陷和损伤的性质、部位、严重程度及发展趋
10、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。桥梁结构检测，是在桥梁经常检查的基础上，进一步准确确定桥梁技术状况，由专业技术人员使用专门检测仪器设备，应用无破损检测等测试手段对桥梁进行全面检测、测量和探伤，从而找出损坏的原因、程度和范围，分析损坏所造成的后果以及潜在缺陷可能给桥梁结构带来的危险，为评定桥梁的耐久性和承载能力、确定维修工程的实施方案等提供依据。桥梁结构检测从方法上可以分为静载试验、动载试验、无损检测与长期监控测试四个方面。桥梁静载试验
11、是按照预定的试验目的与试验方案，将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置上，观测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量的试验项目，然后根据有关规范和规程的指标，判断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力。桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻力比、振型、动力冲击系数、行车响应等参量，从而判断桥梁结构的整体刚度、行车性能。混凝土的无损检测技术，是指在不影响结构构件受力性能或其它使用功能的前提下，直接在构件上通过测定某些适当的物理量，推定混凝土的强度、均匀性、连续性、耐久性等一系列性能的检测技术。桥梁结构在长期的使用过程中:，由于各种因素的影响，其内力(应力)会
12、发生变化，基础会产生沉降或变位:，桥梁的线形也会发生改变，这些变化甚至会影响桥梁结构的安全使用，因此建立桥梁的长期监控测试系统是非常必要的。桥梁结构的长期监测是指针对桥梁的某些几何变量，在一个较长的时间段内按照预定计划进行若干次测量、比较、分析的过程，从而为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。桥梁结构状态检测也分为局部检测和整体检测两种。局部检测是对桥梁需要重点了解的部位进行细查，目的是搞清结构局部的物理、力学和构造特性或实际状态;整体检测则是从全局上把握结构的实际状态。无论局部检测还是整体检测，从方法上都可以分为表观检测和仪器检测两种。表观检测方法是桥梁结构状态检测的一个十分重要的手段，它通过
13、人的观察对结构的外在状态进行调查。这种方法易于发现比较明显的结构缺陷，如裂缝、焊接缺陷等症状，对一些重要结构的内部损伤和不易观察部位的损伤却难以发现。仪器检测又包括了局部检测方法、桥梁静载试验和桥梁动载试验。它借助各种技术和仪器，如X射线、超声波、显微镜、声学及光学仪器对桥梁结构进行有效检测。 近十几年来，一方面公路交通量急剧增长，大型重载的交通工具越来越多，需要高标准的桥梁，另一方面原有的公路桥梁因老化、破损及原设计标准偏低，难以满足公路运输的发展。这一矛盾越来越尖锐。另外，在大型水电站、矿山建设中，需要通行运输超大型构件的大吨位车辆，即使近年来修建的桥梁也不一定能满足使用上的要求。人们早在
14、20世纪50年代就已经提出了既有桥梁的损伤检测问题。20世纪70年代国际经济合作组织完成了有关桥梁检测、承载能力评估和桥梁养护等研究报告。1980年和1982年分别在巴黎和华盛顿召开了关于旧桥问题的国际讨论会议。20世纪90年代以来，既有桥梁的检测和评估问题越来越受到公路管理部门和工程师的重视，除了大量的研究文献外，已经出版了关于桥梁检测方面的规程和规范。桥梁荷载试验是判定桥梁承载力性能时所不可忽略的重要步骤之一。桥梁荷载试验利用荷载作用引起桥梁结构的变位和振动从而测试桥梁结构指定部位的应力、应变、位移及加速度等数据。可按加载方式不同分为静载试验和动载试验。由静载试验可得到结构的强度、刚度;由
15、动载试验可得到结构的模态特性(自振频率、振型和阻尼比) 和系统参数(刚度、质量和阻尼矩阵) 。由此可确定桥梁结构实际工作状况和承载能力,掌握理论上难以模拟的部位或工况下的桥梁实际受力状态,发现一般性检查和检测中难以发觉的隐蔽病害,对桥梁结构做出总体评价并判别桥梁的安全承载能力。目前,对于新建的大跨桥梁,修复或改建/ 加固的旧桥,以及要通过特种车辆的新、旧桥梁,均需进行桥梁荷载试验以有效评定其承载能力。本文重点阐述了有限元模型的建立及桥梁荷载试验在桥梁检测中的应用,指出了其存在的问题及今后的研究发展方向。第1章 绪论1.1我国桥梁建设的发展现状1我国的桥梁建设历史悠久，源远流长。1300多年前修
16、建的赵州桥，结构新颖，受力合理，坚固美观，800年前建成的卢沟桥，古朴典雅，雄伟壮丽，至今仍被誉为世界桥梁建筑的杰作。还有我国古代建造的大量的石梁桥，伸臂木梁桥以及铁索桥，都达到了较高的水平，在国际桥梁史上占有重要的地位。然而，旧中国的公路桥梁建设却长期处于落后状态，据1949年的调查统计资料，当时全国仅有公路桥约30万米，而且绝大部分都为木桥，较大的永久式公路桥也只有130余座。桥梁的设计施工水平也很低，石拱桥的最大跨径也没有达到赵州桥的水平。新中国成立以后，我国的桥梁建设事业发生了令世人瞩目的变化，进入了一个新的发展时期，取得了非常巨大的成就。随着公路桥梁事业的发展,新建高速公路及桥梁越来
17、越多,同时既有的许多桥梁亦逐渐进入了养护维修阶段,有关专家认为桥梁使用超过25 年以上则进老化期,据统计,我国桥梁总数的40 %已经属于此范畴,均属“老龄”桥梁。而且随着时间的推移,其数量还在不断增长,桥梁管理者对桥梁的养护已日益重视。为了适应公路运输载重量不断发展的要求,充分利用现有的公路桥梁,使之能继续安全地为公路运输服务。根据交通部颁布的公路养护技术规范要求,必须对桥梁进行鉴定。而对桥梁进行荷载试验便是桥梁鉴定的一个重要手段。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。桥梁荷载试验的目的是对新建桥梁进行竣工验收和对已建桥梁的运营进行承载力的评定。检测桥梁整体受力性能是否
18、满足设计和标准规范要求, 是评定桥梁运营荷载等级最直接且最有效的办法。与此同时,新材料、新工艺、新结构形式的采用也越来越多,为了积累这方面的工程经验,有必要做一些检测工作,当然还有那些因为赶工期、采用劣质材料、施工方法不当等原因而出现病害的桥梁需要做鉴定,以确保其安全运营。桥梁结构的鉴定主要包括既有桥梁的检算和外观检查工作以及荷载试验,通过检算与外观的检查,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。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验两种。1.2桥梁检测工作的重要性与荷载试验工作的意义2 1.2.1桥梁检测工作
19、的重要性随着我国桥梁建设事业的蓬勃发展，桥梁的建设工程质量也越来越受到重视，随着公路建设管理体制的改革，利用世界银行贷款和采用多渠道资金建设的项目也越来越多，工程建设普遍实行投标和工程监理制度，形成政府监督、社会监理和企业检验的质量保证体系，而各级质量监督部门、建设监理机构以及承担建设施工任务的企业控制质量的主要手段则是依据国家和交通部颁布的有关法规、技术标准、规范和规程进行的试验检测。在加快公路桥梁建设的同时，必须依靠科技进步，提高工程建设质量，保证工程建设质量是广大桥梁建设者义不容辞的责任。竣工验收最有效、最直接的方法就是桥梁荷载试验。交通部为了规范公路建设试验检测市场，己颁布了公路工程试
20、验检测机构资质等级条件和管理办法，全国各级公路工程试验检测机构资质认证工作也已经开始，技术人员岗前培训和试验检测机构管理制度完善工作普遍开始，这将促使我国公路工程建设质量水平再上一个新台阶。另外，随着我国交通事业的不断发展，各种车辆的荷载等级也有很大的提高，大量低等级公路被改建扩建，现服役桥梁的耐久性、可靠性已成为公路建设决策部门的一件大事。20世纪七十年代以前修建的大量低标准公路桥梁己达到或接近设计基准期。在风、雨、洪水、冰冻、温度变化和湿度等自然因素侵蚀下，有些桥梁己出现不同程度的损伤，甚至其承载能力己大大降低，许多桥梁的结构性能发生了很大的变化而逐渐演变为危桥，对这类桥梁急需加以综合评定
21、，以便采取相应的技术改造措施或拆除改建等处理方案。在2001年11月7日，有“亚洲第一中承拱”美誉之称的四川宜宾南门拱桥突然发生部分吊杆断裂、桥面坍塌事故，更是将桥梁的试验检测工作提到了日程上来。通过对桥梁进行科学的损伤检测和评估，充分了解桥梁的实际状况，可以避免灾难性事故的发生。1.2.2国内外桥梁检测工作的现状与技术发展趋势早在20世纪50年代就己经提出了既有桥梁的损伤检测问题。20世纪70年代经合组织完成了有关桥梁检测、承载能力评估和桥梁养护等研究报告。1980年和1982年分别在巴黎和华盛顿召开了关于旧桥问题的国际讨论会议。20世纪90年代以来，既有桥梁的检测和评估问题越来越受到公路管
22、理部门、研究者和工程师的重视，除了大量的研究文献外，已经出版了关于桥梁检测方面的规程和规范。以美国为例，1967年，美国俄亥俄河上的一座桥梁在交通高峰期间倒塌，造成了46人死亡。桥的坍塌引起了人们对桥梁结构安全性的重视。次年，启动了国家桥梁检测计划，要求对高速公路上的桥梁进行定期和不定期的检测，最后“国家桥梁检测计划”和1971年修订的“国家桥梁检测标准”组成了“最低限度桥梁检测标准”。我国这方面的工作也已做了不少，我国也制定了相应的规范、标准:如大跨径混凝上桥梁的试验方法(1982).公路旧桥承载能力鉴定方法(试行 )(1988)，公路工程质量检验评定标准(JTJ071-98)等。静力检测方
23、法是进行全桥承载能力评估的可靠方法。它采用与常规设计相同的物理、力学概念，计算方法和标准，规范，都易于被工程师所接受和掌握。桥梁静载试验具体测定的内容包括控制点的静应变和静位移。通过试验测定的控制点的应变和位移可以推算出有关的内力(如轴力和弯矩)值和挠度值等。将它们与理论计算值进行比较，是判定桥梁结构工作状态的一个重要指标。但静载试验也有不足之处像工作面大，加载时间长，通常还需要中断交通等。动载试验方法是研究桥梁结构的动力性能的重要手段之一，该性能是判断桥梁运营状况和承载能力的重要标志之一。通过动载实验确定桥梁的冲击系数来了解车轴荷载对桥梁的动力作用，并以此来判断桥梁设计的安全与经济性能。以前
24、动力检测的主要目的还在于确定桥梁的自振频率，因为当桥梁的自振频率处在某个范围内时，可由外荷载引起的共振的危险。在最近十几年以来，试验模态分析法逐渐发展起来，它集系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术为一体。目前己被广泛应用于机械、航空、航天等领域，现在也被应用到了土木工程结构的状态检测，通过试验来确定系统的振动频率、振型、阻尼比等参数。目前，科研工作者正试图将这种方法的理论和功能进行扩展，使之成为能够用于复杂结构整体探伤评估的有效方法，己经提出的方法可分为两大类，即模型修正法和指纹分析法。但两者现在还都处于研究阶段，有许多技术问题要解决，离实际应用还有距离。模型修正法的最
25、大缺点是由于不可避免的噪声干扰和实测信息不足，常导致损伤的误判:指纹分析法通过指纹的变化来判断结构的真实情况。常用的动力指纹有频率、振型、振型曲率/应变模态、功率谱等。该法的最大缺点是结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型(尤其是高阶振型)虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确测量比较困难，振型曲率应变模态则在传统的低幅值振动测试中变化量的量级太小，难以起到有效的判别作用。在美国，每年有大量的桥梁急需维修，为了确保桥梁的维修费用的合理使用，美国公路局正拟采用一种贝叶斯检测技术，将以前的检测数据和工程判断结合起来，可清楚的考虑到测量的错误，将建立在工程评价和先前的经验信息上融入到未来的混凝土桥梁衰变
26、预测中，并可随时将新的检测数据增添到己有桥梁的管理信息系统中的构架中。这种技术现已运用于克罗拉多州的一座预应力桥梁上。美国公路管理局早己开始对美国国内所有的桥梁的基本数据建库，并可将以后的检测所获得数据不断地更新数据库中的内容。美国AASHTO己建立起“DATAPAVE路面长期管理使用性能数据库管理系统”，在我国的上海市现己着手建立“上海市城市桥梁管理系统”，它通过对桥梁的不同部位进行评价，通过加权总成全桥的桥梁缺损状况值(BCI)，最后得出该桥的使用可靠度，这种分析充分使用了模糊数学的知识。目前，将损伤力学用于桥梁表面病害、故障检测，己有不少成果问世，有学者认为可用它粗略估计老桥梁的残余寿命
27、。多学科的交叉大大发展了桥梁的检测理论，这标志着以后桥梁可靠度综合评价技术发展的方向。现在，使用磁漏技术可直接检测出是否断索和断索部位。应用波动方程的解析法 (CASE)、分析法(SMITH)、以及实测曲线拟合法(CAPWAP，CAPWAP/C)进行桩的动载试验，已经取得多种经验。美国联邦公路管理局研制出的“无线数据收集系统”在特定测试点上，可在几秒钟内安装完毕，无需中心站与各传感器之间实物线路的连接。用卡口式应变片，能在无任何的表面准备工作情况下，迅速投入应用。几乎与检测工程该系统也可与捆绑或焊接在桥梁上的传统应变片协调使用。作为备选方式，它还可以采集同时，就可得到检测结果数据。另外，他们研
28、制的“激光雷达系统”可进行远距离准确挠度检测。将激光雷达系统置于桥下，激光光束映在桥上多个点，计算出测点挠度，既不需要表面的准备工作，也无须在桥上安装具体的目标，其优点在易于安装，检测点多。“无线数据收集系统”与“激光雷达系统”合并使用能更快地测量出桥梁的具体承载能力。桥梁检测是一种实践活动，它自始至终都和理论分析保持着密切的联系。未来桥梁检测应该不断发展检测理论和完善检测手段，通过设计理论来指导桥梁检测，同时通过检测结果来帮助设计理论的完善。1.2.3荷载试验研究工作的主要内容和意义在结构的检测方法当中，荷载试验是一种最直观、最重要的检测方法。它是对桥梁结构物进行直接加载测试的一项科学试验工
29、作，通过了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，从而判断桥梁结构的安全承载能力及评价桥梁的营运质量。对于一些在理论上难以计算的部位，通过荷载试验可达到直接了解其受力的目的;通过荷载试验还能有助于发现在一般性检查中难以发现的隐藏病害;通过荷载试验可以检验桥梁结构的设计与施工质量:通过荷载试验可以确定旧桥结构的实际承载能力，为制定桥梁加固或改建技术方案提供科学依据。桥梁的荷载试验是一项复杂而细致的工作，技术含量高，应根据荷载试验的目的进行认真的调查分析，必要时进行相关的理论分析。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，对于某些新结构以及采用新材
30、料、新工艺的桥梁，无相关条款规定时，可借鉴国外或国内其它行业的相关规范、规程的有关规定。荷载试验的主要内容包括:(l)荷载试验方案的拟定(包括静载试验与动载试验测试项目);(2)荷载试验的测点设置与测试仪器、设备组配:(3)荷载试验的加载等级控制与试验过程安全控制;(4)试验数据分析与结构性能评定;(5)试验报告编写。根据荷载试验的作用性质，桥梁荷载试验可分为静载试验和动载试验。虽然二者在试验目的和内容上都很不相同，但对承受以车辆荷载为主的桥梁结构来说，这两种性质的荷载试验对于全面分析和了解桥梁结构的工作状态是同样重要的。静载试验可在结构上布置较多的测点，便于更全面的分析结构的受力情况。动载试
31、验则是研究分析桥梁结构在车辆荷载或其它动力荷载作用下的振动特性所必需的。在桥梁动载试验当中，按作用方式可将动力荷载分为冲击荷载、振动荷载、和制动荷载。在具体的试验中可根据试验的具体要求来选择荷载方式。目前，在桥梁设计实践中，对于车辆荷载所产生的动力作用的影响，采用了在结构静力计算的基础上引入活载冲击系数的方法来考虑。以跨长或加载长度作为参数的冲击系数是一个概括了多种影响因素的综合性技术指标。冲击系数的数值范围一般是通过桥梁动载试验，并综合分析来确定的。桥梁荷载试验也是新型桥梁结构性能研究、各类桥梁施工质量与结构承载能力评定工作的重要手段。普及桥梁荷载试验技术，搞好试验工作并做出桥梁结构性能的正
32、确评价，对于推动我国桥梁建设，提高桥梁工程质量，挖掘服役桥梁承载潜能，都具有十分重要的意义。1.3本文的主要工作本文在明确桥梁检测重要性的前提下，以现代桥梁设计理论、有限元法与分析技术为理论基础，依托工程实例，介绍了桥梁荷载试验的方法、内容和过程。利用著名的结构分析软件Sap2000，建立了大桥的有限元仿真模型。文章重点探讨了用于桥梁结构检测的有限元仿真模型建立的原理、思路和过程，通过基于有限元模型的理论分析和实际检测结果进行对比，以相互验证，并为准确做出桥梁结构状态评估提供客观依据。通过对钢筋混凝土拱桥的结构分析，设计制定钢筋混凝土拱桥的静、动力荷载试验方案。通过荷载试验方案的设计了解实验应
33、力分析在工程实际中的应用，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。本文主要开展了以下几方面的工作: (1)明确荷载试验的重要性，总结桥梁检测技术的发展现状和趋势。 (2)分析桥梁的结构特点和发展现状，详细分析了荷载试验的基本方法、内容和过程，并总结了桥梁结构状态评定的方法。 (3)利用Sap2000软件，依据大桥的施工设计数据建立了该桥完整的平面有限元仿真模型。 （4）通过对大桥的理论分析，在保证荷载试验效果的前提下，确定试验采用的控制荷载和加载工况。通过各种工况下结构控制截面(测点)的实际变形或者应力与理论计算值的比较，对桥梁状态做出正确的评估。确定该桥的实际承载能力，为交通
34、职能部门对大桥今后的管理、养护工作提供了可靠的信息。第2章 有限元模型的建立有限元方法的最广泛应用就是结构分析，如在桥梁、房屋建筑等工程结构。有限元分析是对物理现象的模拟，是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。而进行有限元分析的前奏就是要建立有限元分析模型。简单的说，有限元法思想是将连续体分成有限个单元，单元间相互有结点连接的理想结点系统。分析时，先进行单元分析，用结点位移表示单元内力，然后将单元再合成结构，进行整体分析，建立整体平衡关系，由此求出结点位移。本章主要陈述了限元分析问题的一般方法、分析步骤、各子结构受力与控制截面确定等内容
35、。2.1 SAP2000介绍3Sap2000是集成化的通用结构分析与设计软件自从三十前SAP诞生以来，它已经成为最新分析方法的代名词。SAP2000保持了原有产品的传统，具有完善、直观和灵活的接口，为在交通运输、工业、公共事业、运动和其它领域工作的工程师提供无出其右的分析引擎和设计工具。在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形接口内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。在这个直观的接口里，不需要进行长时间的学习，就可以很快地设计出直观的结构模型。您能够驾驭SAP2000去完成所有的分析与设计工作，包括日
36、常碰到的小问题，利用内建强大的模板可以完成复杂的建模和网格划分。 桥梁设计者可以用SAP2000的桥梁模板建立桥梁模型，自动进行桥梁活荷载的分析和设计，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和Pushover推倒分析。从简单的二维框架静力分析到复杂的三维非线性动力分析，SAP2000能为所有结构分析和设计提供了解决方案。2.2模型的建立2.2.1 工程概况本桥为1-70米箱形拱，桥起K+383.201，桥止K+503.199，全桥长119.98米。全桥在平面内位于直线上，纵面位于-0.8%的降坡上。地势南北高东西低，河面宽50约米。主拱圈为等截面悬链线无铰拱，其中计算跨径L=
37、70米，矢跨比f/L=1/7,设计拱轴系数m=2.514，拱顶预拱度为9.4厘米，其余各点按推力影响线分配，桥横向由5片拱箱预制拼装形成，箱轴中距均为1.50米，每箱底板宽度为1.46米顶板宽度考虑浇灌纵缝混泥土的需要，中箱采用1.32米，边箱在箱顶外侧加宽5厘米，实宽为1.46米，拱圈横向全宽7.60米，预制拱箱高1.3米，顶，底板厚度均为10厘米。现浇边腹板厚10厘米，预制中腹板厚均为5厘米。主拱圈采用C30混凝土，腹拱圈采用C25混凝土，桥面铺装采用现浇C30防水混凝土。荷载等级采用公路-级，人群荷载3.5kN/m2。桥梁的立面图（2-1），主拱圈的断面图（2-2），及1-1，2-2断面
38、图（2-3）如下。图21 桥梁的立面图图22 拱圈断面图图23 1-1、2-2断面图计算模型的模拟关键在于结构的刚度、质量和边界条件的仿真。结构的刚度模拟主要指杆件轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度和扭转刚度的模拟，有时包括翘曲刚度和杆件间连接刚度的模拟等;结构的质量模拟主要指杆件的平动质量和转动质量的仿真;边界条件的模拟应和结构的支承条件相符。由于该钢箱系杆拱桥各构件受力以及全桥空间位置、传力体系的复杂性，在用有限元软件对其建模分析时，应对其有限元模型作一些合理的简化，并最大程度地保证简化后的有限元模型质量、刚度的不变性以及边界条件的合理性。我国现有的专用桥梁分析软件大多为平面杆系有限元程序。在结
39、构分析中，建立用于分析计算的有限元数学模型至关重要。分析的成功与否在很大程度上取决于模型建立的好坏。在结构分析计算模型的建立过程中，主要考虑以下几个方面的要求:(1)结构形状(包括构件的长度、宽度、厚度等)变化的要求;(2)材料特征(模量、容重、泊松比、热膨胀系数等)变化的要求;(3)连接单元特性(包括支座、阻尼限位设备等)变化的要求;(4)桥面恒载、汽车活载作用模拟的要求;(5)问题求解计算精度的要求;(6)求解过程中不出现病态问题的要求2.2.2 CAD中图形的绘制首先是确定拱桥悬链线方程4。由设计资料知道m的值，根据 式 m=(-2)2-1 （2.1）反求y1/4 ，由设计数据查得f=1
40、0m。由五点重合法确定拱轴线，根据设计资料尺寸在CAD中做出模型的立面图中轴线图。在AUTO-CAD中建立桥梁主拱圈的截面形状及查找出有关的资料（如面积，惯性矩）为后面SAP2000中截面形状输入提供数据。如下图：图2-4 主拱圈的截面形状图图 2-5 主拱圈截面的各个性质由于SAP2000中没有主拱圈这种截面形状，用等面积的矩形来代替。在CAD中画出桥梁的立面图，然后在作出各部分的中轴线并存放在另外一个图层中用蓝色表示。我们只考虑承重结构，采用裸拱加载。因此可以不必作出桥面铺装部分及桥面系部分。2.2.3 SAP2000中结构及约束的简化将CAD绘制的图形导入SAP2000中，分别将腹拱指定
41、为一组，横强指定为一组，主拱圈指定为一组。由于端腹拱是三铰拱设计，为了方便简化成两铰拱，其它固结的腹拱也一律简化成两铰拱。拱上建筑的横墙简化成等截面杆件。将主拱和腹拱以多段直线连接来代替曲线。2.2.4材料及框架属性定义桥梁各个部分的材料属性性质。如下图（2-6）、（2-7）。图2-6 C25混凝土材料属性数据图2-7 C30混凝土材料属性数据继续定义模型的框架截面性如图（2-8）、（2-9）、（2-10）。图2-8 腹拱的截面属性图2-9 横墙的截面属性图2-10主拱圈的截面属性2.2.5 定义模型的各种荷载工况在SAP2000中定义各种荷载工况，本模型采用车道荷载来计算内力及内力影响线，首
42、先是车道荷载包括人群荷载、车道荷载、车辆荷载定义完成后如图（2-11）：图2-11 人群、车道、车辆荷载定义车辆荷载的属性，根据5公路桥涵设计通用规范 （JTG D 60-2004）车辆荷载简化如图（2-12）图2-12 车辆荷载计算简化图车辆荷载的平面尺寸见图2-13，公路-级和公路-级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。图2-13 车辆荷载的立面、平面尺寸定义人群、车道、车辆荷载如下图（2-14）、（ 2-15）。图2-14 人群荷载图2-15 车道荷载定义反应组合数据如图（2-16），图2-16反应组合本桥是SAP2000中的平面问题，采用SAP2000结构分析软件进行建模。SAP2000
43、模型的实际结构构件用对象来体现。通过图形界面，首先“画出”对象的几何特征，然后“指定”荷载和属性到对象上，完成实际构件模型。总共有157个节点，151个杆单元。SAP2000软件建模图形如下图（2-17），图2-17 模型图第3章 荷载试验及结构的计算3.1 静载实验静载试验是桥梁结构试验中最大量、最常见的基本试验。所谓桥梁静载试验、是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，然后对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力做出评价。因为桥梁结构工作时的所受的荷载主要是静力荷载，就是荷载位置随时间而变的移动车辆荷载，在设计计算时一般也是作为静载来
44、考虑的。桥梁结构静载试验，一般可以通过重力或其他类型的加载设备来实现，并能满足试验要求。静载试验的加载过程，是从零开始逐步递增，一直到预定的荷载为止。静载试验是了解结构特性的重要手段，不仅用它来直接解决结构的静力问题，就是在进行结构动力试验时，一般也要先进行静载试验，以测定结构有关的特性参数。本章主要介绍静载方案的加载与实施以及试验工况确定、测点布置、试验注意事项等。3.1.1 试验的主要内容及观测项目常见桥梁的主要观测项目有:结构的最大挠度、支座沉降、结构最大拉、压应力和中性轴位置、支座附近截面的主拉应力、活动支座的变化以及裂缝的出现和扩展状况。本桥静载试验截面及观测内容详见下表3-1，表3
45、-1截面编号截面部位应力挠度裂缝f1拱脚截面f21/4跨截面f3拱顶截面3.1.2 试验工况的确定目前，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。3.1.3荷载效率的确定6试验荷载效应计算是在设计内力（控制内力）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。由于桥梁静载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
46、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载试验效率进行控制，即 （3.1） 式中：试验荷载作用下，检测部位变形或内力值； 设计标准值荷载作用下，检测部位变形或内力的计算值； 设计取用的冲击系数。取值宜在0.81.05之间。当桥梁调查、验算工作比较充分完善时，可采用低限值；当桥梁调查、验算工作不充分，尤其是缺乏设计资料时，可采用高限值。根
47、据上述两点，在计算试验荷载效应时，首先要根据控制截面的设计内力及加载设备的种类，初步确定加载位置、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，同时，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。其次，根据最终确定的加载等级、加载位置及加载重量，计算出试验桥梁各级试验荷载作用下的结构行为，包括试验桥梁各应力测试截面的应力应变，各挠度测点的挠度，必要时还要根据试验桥梁的受力特点，计算出各测点的扭角、水平位移等结构反应，以便与实测值进行比较，评价该桥的工作性能。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，以便试验时实施。静载试验荷载效率，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。3.2 内力的计算根据所建立的模型选取拱桥的各个控制截面，对拱桥来说，我们一般选定拱脚、1/4跨、拱顶截面作为控制截面计算出在实验控制荷载的应力（应变）和挠度，计算
