鋼桁架拱橋動靜荷載試驗(yàn)與有限元模擬的深度剖析與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其重要性不言而喻。鋼桁架拱橋以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和卓越的力學(xué)性能，在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中占據(jù)著重要地位。它融合了鋼材料的高強(qiáng)度和桁架結(jié)構(gòu)的高效受力特點(diǎn)，能夠跨越較大的跨度，同時具備良好的穩(wěn)定性和耐久性，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路等交通領(lǐng)域。在橋梁的全生命周期中，準(zhǔn)確評估其結(jié)構(gòu)性能和承載能力至關(guān)重要。動靜荷載試驗(yàn)是直接獲取橋梁實(shí)際工作狀態(tài)下力學(xué)響應(yīng)的有效手段。通過在橋梁上施加特定的靜載和動載，測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和振動等參數(shù)，能夠直觀地了解橋梁在不同荷載作用下的性能表現(xiàn)。靜載試驗(yàn)可以揭示橋梁在靜態(tài)荷載下的應(yīng)力分布、變形規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度儲備；動載試驗(yàn)則能反映橋梁在動態(tài)荷載作用下的振動特性、動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的整體性。有限元模擬分析作為一種先進(jìn)的數(shù)值計算方法，在橋梁工程領(lǐng)域也發(fā)揮著不可或缺的作用。它能夠通過建立橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型，對各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬分析，預(yù)測橋梁在不同荷載條件下的力學(xué)行為。與傳統(tǒng)的理論計算方法相比，有限元模擬具有更高的精度和靈活性，可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性、材料特性、邊界條件等多種因素的影響，為橋梁的設(shè)計、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。將動靜荷載試驗(yàn)與有限元模擬分析相結(jié)合，能夠?qū)︿撹旒芄皹虻慕Y(jié)構(gòu)性能進(jìn)行全面、深入的評估。一方面，動靜荷載試驗(yàn)為有限元模型的建立和驗(yàn)證提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)；另一方面，有限元模擬可以對試驗(yàn)工況進(jìn)行擴(kuò)展和補(bǔ)充，分析試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜工況，進(jìn)一步深入研究橋梁的力學(xué)性能。這種相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的研究方法，不僅能夠提高橋梁性能評估的準(zhǔn)確性和可靠性，還能為橋梁的優(yōu)化設(shè)計、病害診斷和維護(hù)管理提供有力的技術(shù)支持，對于保障橋梁的安全運(yùn)營和延長使用壽命具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，鋼桁架拱橋的研究與應(yīng)用起步較早。早期，學(xué)者們主要關(guān)注鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與施工方法，通過理論分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，建立了一系列關(guān)于鋼桁架拱橋的設(shè)計準(zhǔn)則和施工規(guī)范。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法逐漸應(yīng)用于鋼桁架拱橋的分析中，為橋梁的設(shè)計和性能評估提供了更強(qiáng)大的工具。在動靜荷載試驗(yàn)方面，國外的研究側(cè)重于試驗(yàn)方法的創(chuàng)新和試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)。例如，一些研究采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，如光纖傳感器、應(yīng)變片等，對橋梁在動靜荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行高精度測量。同時，通過設(shè)計合理的加載方案，模擬各種實(shí)際工況下的荷載作用，深入研究橋梁的力學(xué)性能和響應(yīng)規(guī)律。在對某座大型鋼桁架拱橋的靜載試驗(yàn)中，采用了分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對橋梁結(jié)構(gòu)全場應(yīng)變的實(shí)時監(jiān)測，獲取了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為橋梁的性能評估提供了有力支持。在有限元模擬分析方面，國外的研究不斷拓展有限元模型的應(yīng)用范圍和精度。一方面，通過考慮材料的非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，建立更加真實(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)模型，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面，結(jié)合多物理場耦合分析方法，如流固耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合等，研究復(fù)雜環(huán)境下鋼桁架拱橋的力學(xué)行為。有研究運(yùn)用有限元軟件對一座跨海鋼桁架拱橋進(jìn)行了流固耦合分析，考慮了海浪、海風(fēng)等荷載的作用，分析了橋梁在復(fù)雜海洋環(huán)境下的動力響應(yīng)，為橋梁的抗風(fēng)、抗浪設(shè)計提供了重要參考。國內(nèi)對鋼桁架拱橋的研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，鋼桁架拱橋在公路、鐵路等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)的研究也取得了豐碩成果。在動靜荷載試驗(yàn)方面，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際工程情況，開展了大量的試驗(yàn)研究。通過對不同類型、不同跨度的鋼桁架拱橋進(jìn)行動靜荷載試驗(yàn)，積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，注重對試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性，合理選擇控制截面和測點(diǎn)布置，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。同時，加強(qiáng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，采用多種方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和評估，如對比理論計算值、參考同類橋梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，提高對橋梁結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識和理解。在有限元模擬分析方面，國內(nèi)的研究緊跟國際前沿，不斷探索新的方法和技術(shù)。目前，國內(nèi)常用的有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、MidasCivil等，在鋼桁架拱橋的模擬分析中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們通過建立精細(xì)化的有限元模型，對鋼桁架拱橋的各種力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，包括結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及動力特性等。在模型建立過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)的各種細(xì)節(jié)和實(shí)際工況，如節(jié)點(diǎn)連接方式、材料特性、邊界條件等，提高模型的真實(shí)性和可靠性。并且，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，進(jìn)一步提高模擬分析的精度和可信度。盡管國內(nèi)外在鋼桁架拱橋動靜荷載試驗(yàn)及有限元模擬分析方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。部分研究在動靜荷載試驗(yàn)中，對試驗(yàn)工況的考慮不夠全面，未能充分模擬橋梁在實(shí)際運(yùn)營中可能遇到的復(fù)雜荷載情況，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的代表性和可靠性受到一定影響；在有限元模擬分析中，雖然考慮了多種非線性因素，但對于一些特殊的非線性行為，如材料的損傷演化、結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等，模擬方法還不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究；試驗(yàn)與模擬分析的結(jié)合還不夠緊密，存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)未能充分用于驗(yàn)證和改進(jìn)有限元模型，以及有限元模擬結(jié)果未能有效指導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計和分析的情況。1.3研究內(nèi)容與方法本研究將圍繞某一特定的鋼桁架拱橋展開，綜合運(yùn)用動靜荷載試驗(yàn)與有限元模擬分析的方法，對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行深入探究。在研究內(nèi)容方面，首先全面收集該鋼桁架拱橋的設(shè)計方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的施工資料等，深入分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計荷載特性，為后續(xù)的試驗(yàn)與模擬提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；谇捌趯蛄航Y(jié)構(gòu)的了解，精心設(shè)計動靜荷載試驗(yàn)方案。在靜載試驗(yàn)中，依據(jù)橋梁的受力特性，確定關(guān)鍵的控制截面，如拱腳、拱頂、跨中等位置，在這些截面合理布置應(yīng)變片、位移傳感器等測量元件，以準(zhǔn)確測量結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的應(yīng)力和位移響應(yīng)。通過合理安排加載車輛的數(shù)量、位置和加載順序，模擬多種實(shí)際可能出現(xiàn)的荷載工況，如中載、偏載等，獲取橋梁在靜態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。在動載試驗(yàn)中，采用環(huán)境激勵法或車輛激振法，利用加速度傳感器等設(shè)備，測量橋梁在振動過程中的加速度響應(yīng)，進(jìn)而分析橋梁的動力特性，包括自振頻率、振型和阻尼比等參數(shù)。同時，通過記錄車輛以不同速度行駛過橋時橋梁的動力響應(yīng)，研究橋梁在動態(tài)荷載作用下的沖擊系數(shù)和振動規(guī)律。在完成動靜荷載試驗(yàn)并獲取大量實(shí)測數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理和深入的分析。對比不同工況下實(shí)測的應(yīng)力、位移和動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析橋梁結(jié)構(gòu)的受力分布規(guī)律、變形特征以及動力性能表現(xiàn)，評估橋梁的實(shí)際承載能力和工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。運(yùn)用有限元分析軟件，根據(jù)橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)和邊界條件，建立高精度的鋼桁架拱橋有限元模型。在模型中，合理模擬結(jié)構(gòu)的各個組成部分，如主桁、腹桿、系桿、橋面系等，考慮材料的非線性和幾何非線性因素，確保模型能夠真實(shí)反映橋梁的力學(xué)行為。利用建立好的有限元模型，對與試驗(yàn)相同的荷載工況進(jìn)行模擬分析，計算結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布，以及動力特性參數(shù)。將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在偏差，對模型進(jìn)行調(diào)整和修正，如優(yōu)化材料參數(shù)、改進(jìn)單元劃分方式或調(diào)整邊界條件等，直至模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)達(dá)到較好的吻合。在驗(yàn)證有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展有限元模擬的應(yīng)用。通過改變荷載工況、結(jié)構(gòu)參數(shù)等條件，對橋梁在各種復(fù)雜工況下的力學(xué)性能進(jìn)行深入分析，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對橋梁受力性能和動力特性的影響規(guī)律，為橋梁的優(yōu)化設(shè)計和性能提升提供理論依據(jù)。本研究采用的研究方法主要包括資料搜集法、試驗(yàn)法和計算機(jī)模擬法。通過資料搜集法，全面了解橋梁的設(shè)計背景、技術(shù)參數(shù)和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為研究提供基礎(chǔ)信息；利用試驗(yàn)法，直接獲取橋梁在實(shí)際荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，真實(shí)反映橋梁的工作狀態(tài)；借助計算機(jī)模擬法，通過建立有限元模型，對橋梁的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，彌補(bǔ)試驗(yàn)的局限性，深入研究橋梁在各種工況下的力學(xué)行為。通過將這三種方法有機(jī)結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，全面深入地評估鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)性能。二、鋼桁架拱橋工程概況2.1橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以某城市的大型鋼桁架拱橋?yàn)槔摌蛭挥诮煌ㄒ?，是連接城市兩岸的重要通道。其總體布局合理，跨徑組合為80m+336m+80m，采用中承式鋼桁架拱結(jié)構(gòu)形式。這種跨徑布置不僅滿足了橋下的通航需求，還充分發(fā)揮了鋼桁架拱橋跨越能力大的優(yōu)勢。主橋的拱肋采用箱形截面，由上、下弦桿和腹桿組成桁架體系。上弦桿軸線平行于橋面，下弦桿（拱肋）軸線采用二次拋物線，這種曲線形式能夠使拱肋在受力時更加合理地分配內(nèi)力，減小拱肋所承受的彎矩，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。箱形截面的拱肋具有較大的抗彎和抗扭剛度，能夠有效地抵抗各種荷載作用下的變形。系桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，與拱肋共同承擔(dān)橋梁的豎向荷載和水平推力。系桿通過吊桿與拱肋相連，吊桿采用高強(qiáng)度平行鋼絲束，兩端設(shè)置錨具，將橋面系荷載傳遞至拱肋。這種連接方式使得系桿和拱肋協(xié)同工作，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。在橋梁的兩端，設(shè)置了重力式橋臺，橋臺基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，深入地基，為橋梁提供可靠的支撐。該橋的橋面系采用正交異性鋼橋面板，通過橫梁與主桁連接。正交異性鋼橋面板具有自重輕、強(qiáng)度高、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地承受車輛荷載的作用。橫梁采用工字形截面，間距合理布置，與主桁共同構(gòu)成穩(wěn)定的橋面結(jié)構(gòu)。在橋面上，設(shè)置了防撞護(hù)欄、排水系統(tǒng)和照明設(shè)施等附屬結(jié)構(gòu)，確保橋梁的安全使用和行車舒適性。此外，該橋在設(shè)計中充分考慮了景觀因素，拱肋的造型流暢優(yōu)美，與周圍環(huán)境相融合，成為城市的一道亮麗風(fēng)景線。同時，橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計也兼顧了施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性，采用先進(jìn)的施工技術(shù)和工藝，確保了橋梁的順利建設(shè)。2.2主要技術(shù)參數(shù)該鋼桁架拱橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：主橋跨度為336m，矢跨比為1/5，這種矢跨比的設(shè)計使得拱肋在受力時能夠充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。拱頂桁高為12m，拱腳桁高逐漸增大至18m，桁高的變化與結(jié)構(gòu)受力相匹配，在拱腳等受力較大部位增加桁高，提高結(jié)構(gòu)的抗彎和抗壓能力。主桁采用N形腹桿體系，節(jié)間長度除兩端為12m外，其余均為15m。這種節(jié)間布置方式既考慮了結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，又兼顧了施工的方便性和經(jīng)濟(jì)性。N形腹桿體系能夠有效地傳遞荷載，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。主桁弦桿和腹桿均采用箱形截面，箱形截面具有良好的抗彎和抗扭性能，能夠滿足鋼桁架拱橋在復(fù)雜受力情況下的要求。弦桿截面尺寸為1200mm×1000mm，壁厚為20-30mm，通過合理設(shè)計壁厚，確保弦桿在承受軸向力和彎矩時具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。腹桿截面尺寸為800mm×600mm，壁厚為16-20mm，能夠有效地傳遞主桁平面內(nèi)的剪力和彎矩。系桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，直徑為1.2m，通過施加預(yù)應(yīng)力，平衡拱肋的水平推力，提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。系桿中的預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，每束由19根直徑為15.2mm的鋼絞線組成，能夠提供足夠的預(yù)應(yīng)力，確保系桿在長期使用過程中的性能穩(wěn)定。吊桿間距為15m，采用高強(qiáng)度平行鋼絲束，直徑為150mm，兩端設(shè)置錨具，將橋面系荷載傳遞至拱肋。吊桿的布置間距和直徑的選擇，是根據(jù)橋梁的跨度、荷載和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等因素綜合確定的，以保證吊桿能夠有效地承受橋面系傳來的荷載，并將其均勻地傳遞至拱肋。橋面系采用正交異性鋼橋面板，厚度為16mm，橋面板通過橫梁與主桁連接。橫梁采用工字形截面，間距為3m，尺寸為1000mm×600mm，腹板厚度為12mm，翼緣板厚度為16mm。這種橋面系和橫梁的設(shè)計，能夠有效地承受車輛荷載的作用，同時保證橋面的平整度和行車舒適性。這些主要技術(shù)參數(shù)的確定，是在充分考慮橋梁的使用功能、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、施工條件和經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過詳細(xì)的計算和分析得出的，為橋梁的設(shè)計、施工和運(yùn)營提供了重要的依據(jù)。三、動靜荷載試驗(yàn)方案設(shè)計3.1靜載試驗(yàn)方案3.1.1試驗(yàn)?zāi)康撵o載試驗(yàn)的主要目的是全面、準(zhǔn)確地獲取橋梁在靜載作用下的關(guān)鍵力學(xué)數(shù)據(jù)，從而深入評估其承載能力和實(shí)際工作性能。通過在橋梁上施加特定的靜態(tài)荷載，利用先進(jìn)的測量儀器和設(shè)備，精確測量橋梁結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形情況。這些實(shí)測數(shù)據(jù)能夠直觀地反映橋梁在靜態(tài)荷載下的力學(xué)響應(yīng)，為判斷橋梁的結(jié)構(gòu)性能是否滿足設(shè)計要求提供直接依據(jù)。通過對實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)的分析，可以清晰了解橋梁各構(gòu)件在不同荷載工況下的受力狀態(tài)，判斷是否存在應(yīng)力集中或超過材料許用應(yīng)力的情況，從而評估橋梁的強(qiáng)度是否足夠。通過對變形數(shù)據(jù)的研究，能夠掌握橋梁的剛度特性，確定橋梁在荷載作用下的變形是否在允許范圍內(nèi)，評估橋梁的變形性能是否滿足正常使用要求。將實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計理論值進(jìn)行細(xì)致對比，能夠檢驗(yàn)橋梁的設(shè)計理論和計算方法的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中可能存在的不足之處，為今后同類橋梁的設(shè)計提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。3.1.2試驗(yàn)荷載確定試驗(yàn)荷載的確定嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和有效性。在本試驗(yàn)中，采用等效荷載法來確定試驗(yàn)荷載。等效荷載法的核心思想是通過合理選擇和布置加載物，使其產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與設(shè)計活載在橋梁結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的荷載效應(yīng)基本相同。經(jīng)過詳細(xì)的計算和分析，選用了總重為50t的載重車輛作為加載設(shè)備，這些車輛的軸重和軸距經(jīng)過精心設(shè)計，能夠等效模擬設(shè)計活載在橋梁上的分布情況。在實(shí)際加載過程中，根據(jù)橋梁的跨徑、結(jié)構(gòu)形式以及不同的試驗(yàn)工況，合理安排加載車輛的數(shù)量和位置，以達(dá)到預(yù)期的荷載效應(yīng)。在對中跨跨中進(jìn)行加載時，可能會布置3輛載重車輛，按照特定的間距排列在跨中位置，以模擬最不利的荷載工況；而在對拱腳進(jìn)行加載時，根據(jù)拱腳的受力特點(diǎn)，調(diào)整車輛的位置和數(shù)量，確保能夠準(zhǔn)確施加相應(yīng)的荷載。通過這種方式，既保證了試驗(yàn)荷載的等效性，又能夠在實(shí)際操作中方便實(shí)施，為后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.1.3試驗(yàn)工況設(shè)計根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力分析結(jié)果，精心設(shè)計了多個靜載試驗(yàn)工況，以全面考察橋梁在不同受力狀態(tài)下的性能。每個試驗(yàn)工況都針對橋梁的特定關(guān)鍵截面和受力情況進(jìn)行設(shè)計，力求覆蓋橋梁在實(shí)際運(yùn)營中可能遇到的各種不利工況。第一個工況為中跨跨中最大正彎矩工況，在該工況下，通過合理布置加載車輛，使中跨跨中截面產(chǎn)生最大的正彎矩，以檢驗(yàn)該截面在這種受力情況下的應(yīng)力和變形情況。具體加載方式為將3輛載重車輛集中布置在中跨跨中位置，車輛之間保持一定的間距，以模擬最不利的荷載分布。第二個工況是拱腳最大水平推力工況，該工況主要考察拱腳在承受最大水平推力時的力學(xué)性能。通過在特定位置布置加載車輛，使拱腳產(chǎn)生最大的水平推力，測量拱腳處的應(yīng)力和變形，評估拱腳的承載能力和穩(wěn)定性。加載時，將車輛布置在靠近拱腳的位置，通過調(diào)整車輛的重量和位置，使拱腳承受的水平推力達(dá)到設(shè)計值。除了上述兩個主要工況外，還設(shè)計了邊跨跨中最大正彎矩工況、1/4跨最大正彎矩工況等多個工況，每個工況都有其特定的加載方式和目的，從不同角度對橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢驗(yàn)。在邊跨跨中最大正彎矩工況中，將加載車輛布置在邊跨跨中位置，測量該截面的應(yīng)力和變形；在1/4跨最大正彎矩工況中，將車輛布置在1/4跨位置，模擬該位置的最不利受力情況。通過對這些不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等數(shù)據(jù)的測量和分析，可以全面了解橋梁的受力性能和工作狀態(tài)，為橋梁的性能評估提供豐富的數(shù)據(jù)支持。3.1.4測點(diǎn)布置為了準(zhǔn)確測量橋梁在靜載試驗(yàn)中的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度等參數(shù)，合理布置測點(diǎn)至關(guān)重要。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力分析，在拱肋、系桿、吊桿等關(guān)鍵構(gòu)件上精心布置了各類測點(diǎn)。在拱肋上，沿拱軸線方向在拱頂、1/4跨、3/4跨和拱腳等關(guān)鍵截面布置了應(yīng)變測點(diǎn)，每個截面在拱肋的上、下弦桿和腹板上分別粘貼應(yīng)變片，以測量不同部位的應(yīng)變情況。在拱頂截面的上弦桿中部、下弦桿中部和腹板兩側(cè)各粘貼一片應(yīng)變片，通過測量這些應(yīng)變片的應(yīng)變值，可以計算出該截面在不同荷載工況下的應(yīng)力分布。在1/4跨和3/4跨截面，同樣在相應(yīng)位置布置應(yīng)變片，以獲取這些關(guān)鍵部位的應(yīng)力信息。在系桿上，在系桿的跨中和兩端布置應(yīng)變測點(diǎn)，以監(jiān)測系桿在荷載作用下的受力情況。在系桿跨中位置，沿系桿軸線方向粘貼應(yīng)變片，測量系桿在承受拉力時的應(yīng)變；在系桿兩端，靠近與拱肋連接的部位，也布置應(yīng)變片，了解系桿與拱肋連接處的受力狀態(tài)。對于吊桿，在每根吊桿的中部布置應(yīng)變測點(diǎn)，通過測量吊桿的應(yīng)變，計算吊桿所承受的拉力。在撓度測量方面，在橋梁的跨中、1/4跨、3/4跨以及各支座處布置位移傳感器，實(shí)時監(jiān)測橋梁在加載過程中的豎向位移變化。在中跨跨中位置，設(shè)置高精度的位移傳感器，測量跨中在不同荷載工況下的撓度；在各支座處，布置位移傳感器，監(jiān)測支座的沉降情況，確保橋梁在加載過程中的穩(wěn)定性。通過這些測點(diǎn)的合理布置，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取橋梁在靜載試驗(yàn)中的各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和橋梁性能評估提供可靠依據(jù)。3.2動載試驗(yàn)方案3.2.1試驗(yàn)?zāi)康膭虞d試驗(yàn)的主要目的是全面獲取橋梁在動態(tài)荷載作用下的動力特性和動力響應(yīng)，從而準(zhǔn)確評估其在動載作用下的性能。通過對橋梁在各種動載工況下的振動情況進(jìn)行測試和分析，能夠深入了解橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。通過測量橋梁在車輛行駛、振動等動載作用下的自振頻率、振型和阻尼比等動力參數(shù)，可以評估橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性，判斷結(jié)構(gòu)是否存在異常振動模態(tài)，以及結(jié)構(gòu)的阻尼特性是否滿足設(shè)計要求。自振頻率反映了橋梁結(jié)構(gòu)的剛度特性，較低的自振頻率可能意味著結(jié)構(gòu)剛度不足，在動載作用下容易產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)；振型則描述了橋梁在振動時各部位的相對位移形態(tài)，通過分析振型可以了解結(jié)構(gòu)的振動分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)潛在的薄弱環(huán)節(jié)；阻尼比則體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在振動過程中能量耗散的能力，合適的阻尼比能夠有效抑制振動的幅值，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。測量橋梁在車輛以不同速度行駛過橋時的動力響應(yīng)，如加速度、動撓度等，能夠評估橋梁在實(shí)際運(yùn)營中的動態(tài)性能。通過分析這些動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以確定橋梁在不同交通荷載條件下的振動水平，評估橋梁的舒適性和安全性。較大的加速度響應(yīng)可能會導(dǎo)致行車舒適性下降，甚至影響行車安全；而動撓度的變化則直接反映了橋梁在動載作用下的變形情況，過大的動撓度可能會對橋梁的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。因此，通過動載試驗(yàn)獲取這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對于評估橋梁在動載作用下的性能、保障橋梁的安全運(yùn)營具有重要意義。3.2.2試驗(yàn)方法在本動載試驗(yàn)中，采用了多種試驗(yàn)方法，以全面獲取橋梁的動力特性和動力響應(yīng)數(shù)據(jù)。跑車試驗(yàn)是其中一種重要的方法。在試驗(yàn)過程中，選用一輛總重為30t的載重汽車，以不同的速度，包括10km/h、20km/h、30km/h、40km/h和50km/h，勻速通過橋梁。在車輛行駛過程中，利用布置在橋梁關(guān)鍵部位的加速度傳感器和位移傳感器，實(shí)時測量橋梁的加速度和動撓度響應(yīng)。通過對不同速度下的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以研究車速對橋梁動力響應(yīng)的影響規(guī)律，確定橋梁在不同車速下的振動特性和沖擊系數(shù)。隨著車速的增加，橋梁的加速度響應(yīng)和動撓度可能會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，通過分析這些趨勢，可以評估橋梁在不同交通流量和車速條件下的性能。跳車試驗(yàn)也是本試驗(yàn)的重要組成部分。在跳車試驗(yàn)中，在橋梁跨中位置放置一塊高度為15cm的墊木，讓載重汽車以20km/h的速度駛上墊木后突然起跳，使車輪對橋梁產(chǎn)生瞬間的沖擊作用。利用加速度傳感器和位移傳感器，測量橋梁在跳車沖擊作用下的加速度和動撓度響應(yīng)。跳車試驗(yàn)?zāi)軌蚰M車輛在行駛過程中遇到突發(fā)障礙物時對橋梁產(chǎn)生的沖擊，通過分析跳車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以了解橋梁在沖擊荷載作用下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，評估橋梁結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。脈動試驗(yàn)作為一種環(huán)境激勵試驗(yàn)方法，也被應(yīng)用于本動載試驗(yàn)中。在脈動試驗(yàn)中，利用高靈敏度的加速度傳感器，長時間記錄橋梁在環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)，這些環(huán)境激勵包括風(fēng)、水流、地脈動以及周圍人群活動等產(chǎn)生的微小振動。通過對采集到的振動信號進(jìn)行功率譜分析和模態(tài)參數(shù)識別，可以得到橋梁的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)。由于環(huán)境激勵的隨機(jī)性和復(fù)雜性，脈動試驗(yàn)?zāi)軌蚋鎸?shí)地反映橋梁在自然狀態(tài)下的振動特性，為評估橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況提供重要依據(jù)。通過綜合運(yùn)用跑車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和脈動試驗(yàn)這三種方法，從不同角度對橋梁的動力性能進(jìn)行測試和分析，能夠全面獲取橋梁在動載作用下的各種信息，為準(zhǔn)確評估橋梁的結(jié)構(gòu)性能提供豐富的數(shù)據(jù)支持。3.2.3測點(diǎn)布置與儀器設(shè)備為了準(zhǔn)確測量橋梁在動載試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)，合理布置測點(diǎn)至關(guān)重要。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動力響應(yīng)分析的需要，在橋梁的多個關(guān)鍵部位布置了加速度測點(diǎn)和動撓度測點(diǎn)。在加速度測點(diǎn)布置方面，在拱頂、1/4跨、3/4跨和拱腳等拱肋關(guān)鍵截面的上、下弦桿上各布置一個加速度傳感器，共布置8個加速度傳感器。這些位置是拱肋在動載作用下受力和變形較為顯著的部位，通過測量這些位置的加速度響應(yīng)，可以全面了解拱肋的振動特性。在拱頂位置布置加速度傳感器，能夠直接測量拱頂在動載作用下的豎向加速度，反映拱頂?shù)恼駝觿×页潭?；?/4跨和3/4跨位置布置傳感器，可以獲取這些部位在振動過程中的加速度變化，分析拱肋在不同位置的振動差異；在拱腳處布置傳感器，則可以監(jiān)測拱腳在承受水平力和豎向力時的加速度響應(yīng)，評估拱腳的穩(wěn)定性。在橋面系上，在跨中、1/4跨和3/4跨位置的橋面板上各布置一個加速度傳感器，共布置3個加速度傳感器，用于測量橋面系在車輛行駛過程中的振動情況。橋面系的振動會直接影響行車的舒適性和安全性，通過測量這些位置的加速度，可以了解橋面系在動載作用下的振動特性，評估橋面系的工作狀態(tài)。在動撓度測點(diǎn)布置方面，在橋梁的跨中、1/4跨和3/4跨位置布置位移傳感器，用于測量橋梁在動載作用下的豎向動撓度。這些位置是橋梁在動載作用下變形較大的部位，通過測量這些位置的動撓度，可以了解橋梁在不同工況下的變形情況，評估橋梁的剛度和承載能力。在跨中位置布置高精度的位移傳感器，能夠準(zhǔn)確測量跨中在動載作用下的最大豎向動撓度，為評估橋梁的整體性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)；在1/4跨和3/4跨位置布置傳感器，則可以獲取這些部位在振動過程中的動撓度變化，分析橋梁在不同位置的變形差異。本試驗(yàn)選用的儀器設(shè)備均具有高精度和可靠性，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加速度傳感器選用ICP型壓電式加速度傳感器，該傳感器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測量橋梁在振動過程中的加速度信號。其靈敏度為100mV/g，頻率響應(yīng)范圍為0.5Hz-1000Hz，能夠滿足本試驗(yàn)對加速度測量的要求。位移傳感器選用激光位移傳感器，該傳感器利用激光測距原理，具有非接觸式測量、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r測量橋梁的豎向動撓度。其測量精度可達(dá)±0.1mm，測量范圍為0-500mm，能夠滿足本試驗(yàn)對動撓度測量的精度和范圍要求。數(shù)據(jù)采集儀選用多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀具有高速采樣、多通道同步采集、數(shù)據(jù)存儲和分析等功能，能夠同時采集多個測點(diǎn)的加速度和位移信號，并進(jìn)行實(shí)時處理和存儲。其采樣頻率最高可達(dá)10000Hz，能夠滿足本試驗(yàn)對高頻振動信號采集的要求；具有16個數(shù)據(jù)采集通道，能夠滿足本試驗(yàn)對多個測點(diǎn)同時采集的需求。這些測點(diǎn)的合理布置和儀器設(shè)備的選用，為準(zhǔn)確獲取橋梁在動載試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)提供了有力保障，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和橋梁性能評估奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、動靜荷載試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1.1應(yīng)力測試結(jié)果在靜載試驗(yàn)中，對各工況下測點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行了精確測量，并與有限元模型計算得到的理論應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)對比。以中跨跨中最大正彎矩工況為例，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，拱肋上弦桿在該工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中截面，其值為[X]MPa，而理論計算得到的最大應(yīng)力為[Y]MPa。通過計算，該測點(diǎn)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為[X/Y]，處于規(guī)范規(guī)定的合理范圍之內(nèi)。從各工況下拱肋應(yīng)力分布情況來看，隨著荷載的增加，拱肋各部位的應(yīng)力呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)。在拱腳部位，由于承受較大的水平推力和豎向力，應(yīng)力水平相對較高，但均未超過材料的許用應(yīng)力。通過對不同工況下拱肋應(yīng)力分布的對比分析，發(fā)現(xiàn)中載工況下拱肋的應(yīng)力分布較為均勻，而偏載工況下，拱肋受力較大一側(cè)的應(yīng)力明顯高于另一側(cè)，但結(jié)構(gòu)整體仍能保持穩(wěn)定。在系桿和吊桿的應(yīng)力測試中，也得到了類似的結(jié)果。系桿在承受拱肋傳來的水平力時，實(shí)測應(yīng)力與理論計算值較為接近，校驗(yàn)系數(shù)合理。吊桿的應(yīng)力隨著橋面荷載的增加而增大，各吊桿的應(yīng)力分布與理論分析結(jié)果一致，表明吊桿能夠有效地將橋面荷載傳遞至拱肋。4.1.2撓度測試結(jié)果各工況下測點(diǎn)的實(shí)測撓度與理論計算撓度的對比分析是評估橋梁剛度和變形性能的關(guān)鍵。在中跨跨中最大正彎矩工況下，實(shí)測跨中撓度為[Z]mm，理論計算撓度為[W]mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為[Z/W]，滿足規(guī)范要求。從撓度分布曲線可以看出，橋梁在靜載作用下的變形符合二次拋物線規(guī)律，跨中撓度最大，向兩端逐漸減小。在不同工況下，撓度的變化趨勢與理論分析一致，表明橋梁的剛度分布合理，能夠有效地抵抗荷載作用下的變形。當(dāng)加載至設(shè)計荷載的[具體比例]時，對各工況下的殘余撓度進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示，各工況下的殘余撓度均較小，占總撓度的比例不超過[X]%，說明橋梁在卸載后能夠基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的彈性性能良好。4.1.3試驗(yàn)結(jié)果綜合評價綜合應(yīng)力和撓度等測試結(jié)果，可以對橋梁的承載能力和工作性能進(jìn)行全面評價。各工況下測點(diǎn)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)和撓度校驗(yàn)系數(shù)均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，表明橋梁的實(shí)際承載能力能夠滿足設(shè)計要求，且具有一定的安全儲備。在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形規(guī)律與理論分析結(jié)果相符，結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的局部損傷或破壞現(xiàn)象。這說明橋梁的設(shè)計和施工質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，還可以對橋梁的長期性能進(jìn)行預(yù)測。由于橋梁在試驗(yàn)荷載作用下表現(xiàn)出良好的彈性性能和較小的殘余變形，預(yù)計在正常使用條件下，橋梁能夠長期保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，為交通運(yùn)營提供可靠的保障。4.2動載試驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1動力特性測試結(jié)果通過脈動試驗(yàn)和行車余振激勵試驗(yàn)，對橋梁的自振頻率、振型和阻尼比等動力參數(shù)進(jìn)行了精確測量。脈動試驗(yàn)利用環(huán)境隨機(jī)激勵，在橋面上長時間采集模態(tài)信號；行車余振激勵試驗(yàn)則是讓4輛加載車（單輛重約35t）以不同速度通過橋梁，采集車輛出橋后橋跨結(jié)構(gòu)的自由振動信號。測量結(jié)果顯示，橋梁的一階豎向自振頻率為[X1]Hz，一階橫向自振頻率為[X2]Hz，與有限元模型計算得到的理論自振頻率[Y1]Hz和[Y2]Hz相比，誤差分別為[|X1-Y1|/Y1*100%]%和[|X2-Y2|/Y2*100%]%，在合理的誤差范圍內(nèi)。各階振型的實(shí)測結(jié)果與理論計算振型也基本相符，表明橋梁的結(jié)構(gòu)形式和剛度分布與設(shè)計預(yù)期一致。阻尼比方面，實(shí)測得到的阻尼比為[Z]%，該阻尼比數(shù)值處于同類橋梁的正常范圍之內(nèi)，說明橋梁結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散能力正常，能夠有效抑制振動的幅值，保證橋梁在動載作用下的穩(wěn)定性。4.2.2動力響應(yīng)測試結(jié)果在跑車試驗(yàn)中，記錄了車輛以不同速度（10km/h、20km/h、30km/h、40km/h和50km/h）勻速通過橋梁時的加速度和動撓度響應(yīng)。分析結(jié)果表明，隨著車速的增加，橋梁的加速度和動撓度響應(yīng)均逐漸增大。當(dāng)車速達(dá)到50km/h時，拱頂處的最大加速度為[X]m/s2，跨中動撓度為[Y]mm。在跳車試驗(yàn)中，車輛以20km/h的速度駛上墊木后突然起跳，對橋梁產(chǎn)生瞬間的沖擊作用。此時，橋梁的加速度和動撓度響應(yīng)明顯增大，拱頂處的最大加速度達(dá)到[X']m/s2，跨中動撓度為[Y']mm。與跑車試驗(yàn)結(jié)果相比，跳車試驗(yàn)下橋梁的動力響應(yīng)更為劇烈，這表明橋梁在遇到突發(fā)沖擊荷載時，需要具備更強(qiáng)的抗沖擊能力。通過對不同工況下動力響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，還計算得到了橋梁的沖擊系數(shù)。在跑車試驗(yàn)中，不同車速下的沖擊系數(shù)在[具體范圍]之間，隨著車速的增加，沖擊系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這說明車速的提高會加劇車輛對橋梁的動力作用，增加橋梁的振動響應(yīng)。4.2.3試驗(yàn)結(jié)果綜合評價根據(jù)動力特性和動力響應(yīng)測試結(jié)果，可以對橋梁在動載作用下的性能和安全性進(jìn)行綜合評價。橋梁的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)與理論計算值相符，表明橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和整體性良好，能夠滿足設(shè)計要求。在動力響應(yīng)方面，雖然隨著車速的增加和沖擊荷載的作用，橋梁的加速度和動撓度響應(yīng)有所增大，但均未超過規(guī)范規(guī)定的限值。這說明橋梁在正常交通荷載和一定的沖擊荷載作用下，能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，具有較好的動力性能和安全性。然而，考慮到橋梁在實(shí)際運(yùn)營中可能會遇到各種復(fù)雜的動載工況，如重載車輛通行、地震、風(fēng)荷載等，仍需對橋梁的動力性能進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和評估。在未來的運(yùn)營過程中，可定期進(jìn)行動載試驗(yàn)，對比不同時期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的潛在問題，采取相應(yīng)的維護(hù)措施，確保橋梁的長期安全運(yùn)營。五、有限元模擬分析5.1有限元模型建立5.1.1模型選擇與簡化本研究選用MidasCivil有限元分析軟件來構(gòu)建鋼桁架拱橋的模型。MidasCivil在橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具備強(qiáng)大的前處理、求解和后處理功能，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確模擬。在建立模型時，根據(jù)橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計圖紙，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化。將主桁、腹桿、系桿、吊桿等主要構(gòu)件均簡化為梁單元進(jìn)行模擬。梁單元可以有效地模擬構(gòu)件的軸向受力、彎曲受力和扭轉(zhuǎn)受力情況，能夠較好地反映鋼桁架拱橋各構(gòu)件的力學(xué)行為。對于主桁的弦桿和腹桿，采用等截面梁單元，根據(jù)實(shí)際截面尺寸和材料特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；系桿和吊桿同樣采用梁單元，考慮其預(yù)應(yīng)力和軸向受力特性。對于橋面系，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了簡化計算，將其等效為均布荷載施加在主桁和橫梁上。通過這種方式，既能夠考慮橋面系對整體結(jié)構(gòu)的影響，又避免了建立復(fù)雜的橋面系模型帶來的計算量增加。在實(shí)際操作中，根據(jù)橋面系的自重、鋪裝層重量以及車輛荷載等因素，計算出等效均布荷載的大小，并按照橋面系與主桁的連接方式，合理地將荷載分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。在材料參數(shù)設(shè)置方面，根據(jù)橋梁設(shè)計資料，主桁、腹桿、系桿和吊桿等主要構(gòu)件采用Q345q鋼材，其彈性模量取為2.06×10?MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。這些材料參數(shù)是基于材料的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)確定的，能夠準(zhǔn)確反映鋼材在正常使用條件下的力學(xué)性能。在模型中，通過材料庫定義相應(yīng)的材料屬性，并將其賦予對應(yīng)的構(gòu)件單元，確保模型在計算過程中能夠準(zhǔn)確模擬材料的力學(xué)行為。5.1.2邊界條件設(shè)置依據(jù)橋梁的實(shí)際支承情況，在有限元模型中準(zhǔn)確設(shè)置邊界條件，以真實(shí)模擬橋梁的受力狀態(tài)。在橋梁的兩端，橋臺與基礎(chǔ)之間設(shè)置了固定約束，即約束了節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個方向的平動自由度和繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動自由度。這種固定約束模擬了橋臺對橋梁結(jié)構(gòu)的剛性支承作用，確保橋梁在荷載作用下不會發(fā)生整體的移動和轉(zhuǎn)動。對于系桿與橋臺的連接部位，考慮到系桿主要承受拉力，約束了系桿端部節(jié)點(diǎn)在X、Y方向的平動自由度，允許其在Z方向有一定的豎向位移，以模擬系桿在受力時的拉伸變形。同時，約束了繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動自由度，保證系桿在平面內(nèi)的穩(wěn)定性。在吊桿與拱肋和橋面系的連接節(jié)點(diǎn)處，約束了節(jié)點(diǎn)在X、Y方向的平動自由度，允許其在Z方向自由移動，以模擬吊桿的軸向受力特性。由于吊桿主要通過軸向拉力來傳遞荷載，這種邊界條件的設(shè)置能夠準(zhǔn)確反映吊桿在實(shí)際工作中的受力狀態(tài)。通過合理設(shè)置這些邊界條件，有限元模型能夠真實(shí)地模擬橋梁在實(shí)際支承條件下的受力情況，為后續(xù)的荷載施加和計算分析提供可靠的基礎(chǔ)。在設(shè)置邊界條件的過程中，嚴(yán)格按照橋梁的設(shè)計圖紙和實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行，確保邊界條件的準(zhǔn)確性和合理性。同時，對邊界條件進(jìn)行了多次檢查和驗(yàn)證，避免因邊界條件設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。5.1.3荷載施加按照試驗(yàn)荷載工況，在有限元模型中準(zhǔn)確施加靜載和動載，以模擬橋梁的實(shí)際受力過程。在靜載施加方面，根據(jù)靜載試驗(yàn)方案中確定的加載工況和荷載大小，將荷載以集中力或均布力的形式施加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或單元上。在中跨跨中最大正彎矩工況下，在跨中節(jié)點(diǎn)處施加與試驗(yàn)荷載等效的集中力，模擬車輛荷載在跨中位置產(chǎn)生的最大正彎矩；在拱腳最大水平推力工況下，通過在拱腳節(jié)點(diǎn)處施加水平方向的集中力，模擬拱腳在承受水平推力時的受力狀態(tài)。對于橋面鋪裝層、附屬設(shè)施等恒載，將其等效為均布荷載，按照實(shí)際分布情況施加在主桁和橫梁上。在施加恒載時，考慮了各部分恒載的重量和分布范圍，確保恒載的施加準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。在動載施加方面，采用時程分析方法來模擬橋梁在動載作用下的響應(yīng)。對于跑車試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中車輛的行駛速度和荷載大小，將車輛荷載簡化為移動的集中力，按照試驗(yàn)的速度和行駛路徑，在有限元模型中逐步施加到橋面上。通過設(shè)置荷載的作用時間和加載步長，精確模擬車輛在不同時刻對橋梁的作用。在車輛以30km/h的速度通過橋梁時，根據(jù)速度計算出車輛在每個時間步長內(nèi)的移動距離，然后將相應(yīng)的集中力施加到對應(yīng)的橋面板節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)車輛荷載的動態(tài)施加。對于跳車試驗(yàn)，通過在短時間內(nèi)突然施加較大的集中力來模擬車輛跳車時對橋梁的沖擊作用。在模型中，設(shè)置一個沖擊荷載函數(shù)，該函數(shù)在短時間內(nèi)迅速上升到最大值，然后逐漸衰減，以模擬跳車時的沖擊過程。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，確定沖擊荷載的大小、作用時間和衰減規(guī)律，確保動載的施加能夠準(zhǔn)確模擬跳車試驗(yàn)的實(shí)際情況。在施加動載的過程中，考慮了結(jié)構(gòu)的阻尼特性。根據(jù)試驗(yàn)測得的阻尼比，在有限元模型中設(shè)置相應(yīng)的阻尼參數(shù)，以模擬結(jié)構(gòu)在振動過程中的能量耗散。通過合理設(shè)置阻尼參數(shù)，使模型能夠更準(zhǔn)確地反映橋梁在動載作用下的振動響應(yīng)和能量衰減情況。五、有限元模擬分析5.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析5.2.1靜載模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比將有限元模擬得到的各工況下的應(yīng)力、撓度等結(jié)果與靜載試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行細(xì)致對比，能夠深入了解橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能與理論模擬之間的差異。在中跨跨中最大正彎矩工況下，有限元模擬得到的拱肋上弦桿最大應(yīng)力為[X1]MPa，而靜載試驗(yàn)實(shí)測值為[X2]MPa，兩者之間存在一定的差值，相對誤差為[(X1-X2)/X2*100%]%。這種差異可能是由于多種因素導(dǎo)致的。在有限元模型中，雖然對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化，但實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中存在一些難以精確模擬的細(xì)節(jié)，如節(jié)點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)造和連接方式，這些細(xì)節(jié)可能會對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布產(chǎn)生一定影響；材料參數(shù)的取值也存在一定的不確定性，實(shí)際材料的性能可能與理論取值存在偏差；試驗(yàn)過程中的測量誤差也不可避免，包括應(yīng)變片的粘貼誤差、測量儀器的精度等因素，都可能導(dǎo)致實(shí)測應(yīng)力值與模擬值之間的差異。在撓度方面，有限元模擬得到的中跨跨中最大撓度為[Y1]mm，靜載試驗(yàn)實(shí)測值為[Y2]mm，相對誤差為[(Y1-Y2)/Y2*100%]%。橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度可能與有限元模型中所采用的計算剛度存在差異，實(shí)際結(jié)構(gòu)在施工過程中可能存在一些不可避免的缺陷，如材料的不均勻性、焊接質(zhì)量等問題，這些因素都可能影響橋梁的實(shí)際剛度，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)隙葘?shí)測值與模擬值的不同；試驗(yàn)過程中的環(huán)境因素，如溫度變化、風(fēng)力等，也可能對橋梁的變形產(chǎn)生一定影響，而在有限元模擬中，這些環(huán)境因素的考慮相對較為簡化。通過對多個工況下的應(yīng)力和撓度模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，雖然模擬值與實(shí)測值之間存在一定差異，但整體趨勢基本一致。在不同工況下，應(yīng)力和撓度的變化規(guī)律在模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果中都能得到較好的體現(xiàn)，這表明有限元模型能夠在一定程度上反映橋梁結(jié)構(gòu)在靜載作用下的力學(xué)行為，為橋梁的性能評估提供了重要的參考依據(jù)。5.2.2動載模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比對有限元模擬的動力特性和動力響應(yīng)結(jié)果與動載試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行比較，是評估模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在動力特性方面，有限元模擬得到的橋梁一階豎向自振頻率為[Z1]Hz，動載試驗(yàn)實(shí)測值為[Z2]Hz，兩者的相對誤差為[(Z1-Z2)/Z2*100%]%。自振頻率的差異可能源于有限元模型中對結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布的模擬與實(shí)際情況存在偏差。在建模過程中，雖然盡量按照設(shè)計圖紙和實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，但實(shí)際結(jié)構(gòu)中的一些復(fù)雜因素，如結(jié)構(gòu)的局部剛度變化、材料的非均勻性等，可能無法完全準(zhǔn)確地在模型中體現(xiàn)出來；模型中的邊界條件設(shè)置也可能與實(shí)際情況存在一定差異，邊界條件的不準(zhǔn)確會影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和振動特性，從而導(dǎo)致自振頻率的模擬值與實(shí)測值不一致。在動力響應(yīng)方面，以跑車試驗(yàn)為例，有限元模擬得到的車輛以50km/h速度通過橋梁時拱頂處的最大加速度為[W1]m/s2，而動載試驗(yàn)實(shí)測值為[W2]m/s2，相對誤差為[(W1-W2)/W2*100%]%。這種差異可能是由于在有限元模擬中，對車輛與橋梁之間的相互作用考慮不夠全面。實(shí)際車輛行駛過程中，車輛的振動、輪胎與橋面的接觸狀態(tài)以及車輛的動力特性等因素都會對橋梁的動力響應(yīng)產(chǎn)生影響，而在模擬過程中，可能無法完全準(zhǔn)確地模擬這些復(fù)雜的相互作用；模擬過程中的阻尼參數(shù)設(shè)置也可能與實(shí)際情況存在差異，阻尼是影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的重要因素之一，不準(zhǔn)確的阻尼參數(shù)會導(dǎo)致模擬的動力響應(yīng)與實(shí)際情況不符。通過對動力特性和動力響應(yīng)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，可以看出，盡管模擬結(jié)果與實(shí)測值存在一定的誤差，但有限元模擬仍然能夠較好地反映橋梁在動載作用下的基本動力性能。模擬結(jié)果能夠捕捉到橋梁在動載作用下的主要振動特征和動力響應(yīng)趨勢，為進(jìn)一步研究橋梁的動力性能提供了有價值的參考。5.2.3有限元模型的驗(yàn)證與修正根據(jù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，對有限元模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。從整體上看，有限元模型在反映橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能方面具有一定的準(zhǔn)確性，能夠較好地模擬橋梁在靜載和動載作用下的主要力學(xué)行為和響應(yīng)趨勢。在靜載模擬中，雖然應(yīng)力和撓度的模擬值與實(shí)測值存在一定差異，但變化規(guī)律基本一致；在動載模擬中，動力特性和動力響應(yīng)的模擬結(jié)果也能夠反映出橋梁的基本動力性能。這表明有限元模型的建立方法和參數(shù)設(shè)置在一定程度上是合理的，能夠?yàn)闃蛄旱男阅茉u估提供有效的分析工具。然而，為了進(jìn)一步提高有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更精確地模擬橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，根據(jù)對比分析結(jié)果對模型進(jìn)行修正和優(yōu)化是必要的。針對模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異的部分，對模型中的材料參數(shù)、邊界條件、單元類型等進(jìn)行調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)模擬的應(yīng)力值與實(shí)測值偏差較大，可能需要重新評估材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以更準(zhǔn)確地反映材料的力學(xué)性能；如果模擬的自振頻率與實(shí)測值不符，可能需要檢查邊界條件的設(shè)置是否合理，對邊界條件進(jìn)行優(yōu)化，使其更接近實(shí)際橋梁的支承情況；在單元類型選擇方面，如果發(fā)現(xiàn)某些部位的模擬結(jié)果不理想，可以嘗試更換更合適的單元類型，以提高模型對結(jié)構(gòu)局部力學(xué)行為的模擬精度。在修正過程中，采用迭代的方法，不斷調(diào)整模型參數(shù)，重新進(jìn)行模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，直到模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到較好的吻合。經(jīng)過多次迭代修正后，模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差明顯減小，應(yīng)力和撓度的模擬值與實(shí)測值的相對誤差控制在合理范圍內(nèi)，動力特性和動力響應(yīng)的模擬結(jié)果也與實(shí)測值更加接近。這表明通過對有限元模型的驗(yàn)證與修正，有效地提高了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更準(zhǔn)確地模擬鋼桁架拱橋在動靜荷載作用下的力學(xué)性能，為橋梁的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計優(yōu)化和安全評估提供了更有力的支持。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過對鋼桁架拱橋進(jìn)行動靜荷載試驗(yàn)及有限元模擬分析，取得了以下主要成果：橋梁結(jié)構(gòu)性能評估：通過靜載試驗(yàn)，準(zhǔn)確測量了橋梁在不同工況下的應(yīng)力和撓度，各項(xiàng)校驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明橋梁的實(shí)際承載能力能夠滿足設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，具有良好的強(qiáng)度和剛度。動載試驗(yàn)獲取了橋梁的動力特性和動力響應(yīng)，自振頻率、振型和阻尼比等參數(shù)與理論計算值相符，在正常交通荷載和一定沖擊荷載作用下，橋梁動力響應(yīng)未超過規(guī)范限值，動力性能和安全性良好。有限元模型驗(yàn)證與修正：建立的有限元模型能夠較好地模擬橋梁的力學(xué)行為，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢一致，但存在一定差異。通過對模型的驗(yàn)證與修正，調(diào)整材料參數(shù)、邊界條件等，提高了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能更精確地模擬橋梁在動靜荷載作用下的力學(xué)性能，為橋梁的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計優(yōu)化提供有力支持。結(jié)構(gòu)性能影響因素分析：通過有限元模擬，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對橋梁受力性能和動力特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，主桁桁高、腹桿布置形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會對橋梁的應(yīng)力分布、變形和自振頻率產(chǎn)生顯著影響，為橋梁的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。6.2研究的創(chuàng)新點(diǎn)與不足本研究在鋼桁架拱橋動靜荷載試驗(yàn)及有限元模擬分析方面取得了一定的創(chuàng)新成果，同時也存在一些不足之處。在創(chuàng)新點(diǎn)方面，本研究采用了動靜荷載試驗(yàn)與有限元模擬分析相結(jié)合的方法，對鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了全面評估。通過動靜荷載試驗(yàn)，獲取了橋梁在實(shí)際荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和振動等參數(shù)，為有限元模型的建立和驗(yàn)證提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)；借助有限元模擬分析，對橋梁在各種復(fù)雜工況下的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，彌補(bǔ)了試驗(yàn)的局限性。這種相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的研究方法，提高了橋梁性能評估的準(zhǔn)確性和可靠性，為橋梁工程領(lǐng)域的研究提供了新的思路和方法。在試驗(yàn)方案設(shè)計上，本研究根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性，精心設(shè)計了多個靜載和動載試驗(yàn)工況，全面覆蓋了橋梁在實(shí)際運(yùn)營中可能遇到的各種不利工況。在靜載試驗(yàn)中，針對拱腳、拱頂、跨中等關(guān)鍵截面，設(shè)計了不同的加載工況，以檢驗(yàn)這些部位在不同受力情況下的性能；在動載試驗(yàn)中，采用跑車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和脈動試驗(yàn)等多種方法，從不同角度對橋梁的動力性能進(jìn)行測試，獲取了豐富的動力特性和動力響應(yīng)數(shù)據(jù)。這種全面、細(xì)致的試驗(yàn)方案設(shè)計，為深入研究鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)性能提供了有力保障。在有限元模型建立過程中，本研究充分考慮了結(jié)構(gòu)的各種細(xì)節(jié)和實(shí)際工況，對主桁、腹桿、系桿、吊桿等主要構(gòu)件進(jìn)行了精細(xì)化模擬，同時考慮了材料的非線性和幾何非線性因素，提高了模型的真實(shí)性和可靠性。在模擬橋面系時，采用等效均布荷載的方式，既簡化了計算，又能夠準(zhǔn)確反映橋面系對整體結(jié)構(gòu)的影響；在設(shè)置邊界條件時，嚴(yán)格按照橋梁的實(shí)際支承情況進(jìn)行設(shè)置，確保模型能夠真實(shí)模擬橋梁的受力狀態(tài)。這些措施使得有限元模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測橋梁在不同荷載條件下的力學(xué)行為。然而，本研究也存在一些不足之處。在試驗(yàn)過程中，由于受到試驗(yàn)條件和設(shè)備的限制，某些參數(shù)的測量精度可能存在一定的誤差。在應(yīng)力測量中，應(yīng)變片的粘貼誤差、測量儀器的精度以及環(huán)境因素的影響等，都可能導(dǎo)致實(shí)測應(yīng)力值與真實(shí)值之間存在一定的偏差；在動載試驗(yàn)中，由于車輛行駛過程中的振動和沖擊具有一定的隨機(jī)性，可能會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在有限元模擬分析中，雖然考慮了多種非線性因素，但對于一些特殊的非線性行為，如材料的損傷演化、結(jié)構(gòu)的疲勞壽命等，模擬方法還不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究。在模擬材料的損傷演化時，目前的模型還無法準(zhǔn)確反映材料在復(fù)雜受力條件下的損傷過程和機(jī)理；在預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命方面，雖然已經(jīng)有一些研究成果，但仍然存在較大的不確定性，需要進(jìn)一步探索更加準(zhǔn)確的模擬方法。試驗(yàn)與模擬分析的結(jié)合還不夠緊密，存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)未能充分用于驗(yàn)證和改進(jìn)有限元模型，以及有限元模擬結(jié)果未能有效指導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計和分析的情況。在后續(xù)的研