[参考]服役石拱桥可靠性评估与加固改造技术研究.doc

服役石拱桥可靠性评估与加固改造技术研究
报 告 简 本

一、立项背景
我国西南地区和我省湘西地区,大部分石拱桥建成于二十世纪五十至八十年代，受历史条件限制，设计荷载等级都不高，且经过数十年运营，桥梁的技术状况已不能满足现有交通行车安全的需要，并时有石拱桥跨塌事故发生。

运营过程中跨塌的浏阳大瑶石拱桥

运营过程中跨塌的溢洪道石拱桥

加固过程中跨塌的双桥铺石拱桥

运营过程中跨塌的江西傍罗石拱桥
桥梁结构承载力与安全性问题是一个十分重要也是需要进一步研究的问题，它的研究既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建桥梁结构改进的理论意义，同时，对丰富和发展桥梁结构承载力与安全性深入研究具有一定的理论价值。
旧桥的维修加固和改造要解决安全和经济之间的问题，即寻求最佳的维修加固和改造方案，在保证结构安全、满足使用功能的前提下，经济效益最优。
采用维修加固和改造的方法保持和提高旧桥的承载能力，其费用约占新建桥梁的5%～30% ;
基于以上原因，2004年9月，我院以湘西和部分西南地区石拱桥为依托与交通部西部项目中心签定了“服役石拱桥安全性评估与加固改造技术研究”项目合同，合同编号为：2004-318-785-18。

二、项目总体目标
1、研究总思路
本项目旨在以理论为指导，充分吸收国内外已有的技术成果，通过对湘西地区及我国西南地区部分石拱桥的典型病害成因与防治研究、石拱桥安全性评估研究和加固改造技术的研究，提出更切合实际的服役石拱桥安全性评估方法和加固改造技术途径，使我国大量的石拱桥资源得到更充分和更安全的利用，最大限度地发挥其潜在效益。
2、主要研究内容
专题一、服役石拱桥病害调查与成因分析研究
专题二、服役石拱桥理论与安全性评估研究
Ø 乌巢河大桥石料力学参数试验研究
Ø 石拱桥计算理论与程序开发研究
Ø 石拱桥使用健康状况的安全性评价研究
专题三、服役石拱桥维修加固改造技术研究
Ø 石拱桥实用加固改造技术研究
Ø 石拱桥加固改造效果评价研究
Ø 石拱桥加固的经济性评价研究

三、服役石拱桥病害调查与成因分析研究
通过对湘西地区526座的现役石拱桥和我国西南地区G319、S103以及11条县乡道路上的44座服役石拱桥进行调查，并对部分桥梁进行了重点抽查。
得出如下两点成果。
成果一：典型病害归类与成因分析
结构类别
典型病害
产生的主要原因
备注
下部构造
1、基础冲刷
水流流速大，基础防护不到位

2、基础沉降、滑移
施工质量问题、超载、基础冲刷严重。

3、桥台侧墙变形、开裂
侧墙内土压力增大、超载等原因。

上部构造
4、拱圈开裂、变形
施工质量问题、超载、基础沉降、滑移等原因。

5、砌筑砂浆不饱满
拱圈渗水
施工质量问题。

6、风化严重
石料属于易风化岩石、养护不及时，造成生物风化严重。

桥面与总体
7、桥面开裂
①施工质量问题；②超载。

8、总体线形差
设计问题，桥梁与接线衔接不顺直。

成果二：石拱桥建筑石料要求

用于石拱桥的石料须满足以下四个方面的要求：
1、石质均匀性；
2、强度：一般要大于40MPa；
3、抗风化性：难风化的石料；
4、抗冻性：抗冻质量损失率小于5%，耐冻系数85%。
如：石质均匀、不易风化、抗冻性能好的石灰岩、花岗岩可用于石拱桥的修建，石质差、易风化、抗冻性能差的红砂岩、页岩不能用于石拱桥的修建。

四、服役石拱桥理论与安全性评估研究
本研究专项有三部分研究内容，即乌巢河大桥石料力学参数试验研究、石拱桥计算理论与程序开发研究、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究。
1、乌巢河大桥石料力学参数试验研究
1.1、研究内容及所获参数
研究内容
所获参数
单轴压缩试验
单轴抗压强度、弹性模量、泊松比和变形模量
三轴压缩试验
内摩擦角、内聚力、弹性模量和泊松比
砌缝法向单轴压缩试验
砌缝的法向刚度
砌缝压剪强度试验
砌缝的抗剪强度参数（内摩擦角和内聚力）切向刚度
岩石力学参数劣化分析
探索性的岩石力学劣化衰减数学模型

1.2、试验设备与试件

RMT-105C刚性试验机

试件示意图

1.3、成果
本次共进行14组试验，其中单轴压缩试验2组（6个试件）、三轴压缩试验6组（18个试件）、砌缝法向压缩试验3组（9个试件）、砌缝压剪强度试验3组（9个试件）。通过试验均得到了相应的应力应变曲线及相应关系式。
1）、砌缝法向单轴压缩试验

切向应力-切向变形、法向变形曲线

2）、砌缝压剪强度试验
砌缝的切向刚度K与法向应力σN 、最大剪应力τ与法向应力σN 的 关系式：

2、石拱桥计算理论与程序开发研究
2.1、拱轴线研究
研究表明悬链线不是空腹石拱桥最合理的拱轴线。采取拱趾、拱顶和1/4跨五点拟合确定的悬链线拱轴线，存在如下的问题：
石拱桥不能受拉，通过五点拟合确定的悬链线并不能保证其他截面不受拉力。
因此，采用悬索线拱轴线代替悬链线拱轴线。
悬索线方程为：
其中：
基本方程：

研究组从以上基本方程出发，建立了一整套的悬索线理论。

2.2、平铰拱理论研究
“平铰”相当于一个半径为∞的铰。与理论铰相比，平铰不能自由转动，即在转动中要受到一定程度的约束。与固定端相比较，平铰不能承受拉应力，截面所能承担弯矩有限。
根据以上特点作以下基本假定：
1、圬工砌体为弹性匀质材料，服从平面假设和虎克定律；
2、圬工砌体不承受任何拉应力；
3、任一截面压应力与外荷载在该截面产生的内力平衡。
计算的基本图示如下：

计算基本步骤：
① 先按无铰拱计算出拱脚轴力N和弯矩M；
② 令拉应力为0；调整压应力并计算轴力到中性轴的距弯e；
③ 计算平铰约束弯矩 ；
④ 计算应力调整后的拱脚轴力N和约束弯矩；
⑤ 重复②、③、④步直致计算结果收敛；
⑥ 结束。

2.3、石拱桥联合作用研究
基本图式：

平铰拱联合作用的计算假定
1）立墙上下端为铰结，不计立墙的抗推刚度。
2）荷载P作用的另一侧腹拱受压缩，用无铰拱的抗推刚度综合代表全桥的约束。
3）荷载P作用下腹拱产生的水平推力沿桥面系传递，不作用于主拱圈上。
4）平铰拱在荷载P作用下的8#截面水平位移Δp值，与无铰拱差异很小，故可近似采用无铰拱值。
5）平铰拱8#截面的水平刚度K主（以称拱背刚度）也近似采用无铰拱值 。
通过以上假设推导建立了一系列联合作用计算公式。

2.4、石拱桥分析软件开发
软件是根据本项目的研究成果开发的，它具有以下功能：
Ø 平铰（无铰）结构自重作用内力计算；
Ø 平铰（无铰）结构在集中力作用下内力计算；
Ø 平铰（无铰）结构在温度、支座位移工况内力计算；
Ø 平铰（无铰）结构任一截面内力影响线计算；
Ø 平铰（无铰）拱结构联合作用内力计算；
Ø 并可根据JTG D62-2004有关规定进行内力组合。
单位：kN

无铰M
平铰M
比值
0L拱脚
-29430.63
-19437.49
0.66
½L拱顶
8114.04
6405.68
0.79
L拱脚
-20874.35
-16889.59
0.81

计算和试验表明：平铰拱拱顶、拱脚弯矩比无铰拱小10～35%。

2.5、石拱桥上部构造设计图编制
根据研究成果编制了石拱桥上部构造设计图一套
①跨径：20、30、40、50、60、80米；
②桥面宽度：11.5m；
③矢跨比： 1/5、1/6、1/7 、 1/8 ；
④荷载：公路—Ⅰ级、公路—Ⅱ级，人群荷载。
3、服役石拱桥健康状况的安全性评价方法研究
安全性评价主要从事了基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究、基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究三个方面的内容。

3.1、基于层次分析法服役石拱桥安全性评估方法研究

1）构建结构层次

拱 桥 的 安 全 性
承载能力
主要承重结构损伤
外观缺损状况
主拱圈承载能力

横梁承载能力
立墙承载能力
基础承载能力
主拱圈结构损伤
横梁结构损伤
立墙结构损伤
基础结构损伤
上部结构缺损状况
下部结构缺损状况

2）、判断矩阵[B]

…

…

…

…

…

…

…
…
…
…
…
…
…

…

…

…
…
…
…
…
…
…

…

…

矩阵 [B] 满足一致性要求。

3）确定构件权重
常权分析法存在一些缺陷，如不能有效反映次要构件的安全隐患。因此，采用变权分析法对其进行改进。引入变权模式：

4）计算整体结构安全性
按照步骤计算各构件安全度和各构件的权重向量，再由构件安全度和权重计算结构整体安全度：最低层元素数目。
3.2 基于强度储备比汇总法服役石拱桥安全性评估方法研究
所谓强度储备比汇总法是以强度储备比为构件的安全指标，由基本构件的安全度指标获得结构体系的安全度指标。同时结合专家知识的一些综合评判原则，考虑大桥结构及其子系统的特性。如某构件在第种受力状态（单一或组合应力）下规定的设计强度储备为：
， ，
式中和分别是设计时构件在第种受力状态下采用的极限强度和许用强度。
基于强度储备比汇总法分析步骤
Ø 划分结构层次
Ø 分三类，划分构件类型
Ø 计算各类构件安全度指标
Ø 计算层结构安全度指标
Ø 将整体结构简化为串联结构，由层结构安全度指标计算整体结构
安全度指标
3.3 基于极限承载力服役石拱桥梁安全性评估方法研究
根据前面研究的石料及砌体工程的本构关系和平铰拱理论，建立大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵 ，并建立如下刚度方程求解：

再用规范方法计算结构抗力与荷载组合，判别石拱桥的安全性。
3.4 示范工程
到目前，用以上方法已成功地四十余座石拱桥进行了安全性评估和加固改造决策。

五、服役石拱桥维修加固改造技术研究
本研究专项主要从事了石拱桥实用加固改造技术研究、石拱桥加固改造效果评价研究、石拱桥加固的经济性评价研究等内容。
1、石拱桥实用加固改造技术研究
1.1 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥技术
1.1.1 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的机理分析
1）钢筋砼套箍加固拱桥机理之一 ——截面增大理论
采用钢筋砼套箍加固拱桥的机理之一是截面增大理论。
2）钢筋砼套箍加固拱桥机理之二——套箍效应
钢筋砼套箍层的增设，使得原主拱圈在活载作用下处于三向受压状态。
3）钢筋砼套箍加固拱桥机理之三——断裂力学机理
■机理一：变主拱圈表面裂纹为内部裂纹
■机理二：主拱圈裂纹嘴的集中闭合力阻裂

1.1.2 钢筋砼套箍封闭主拱圈加固拱桥的模型试验

1) 试验目的
a) 通过钢筋砼套箍加固拱桥模型试验，研究加固技术的可行性；
b) 研究钢筋砼套箍与原主拱圈的变形协调、共同受力机理；
c) 研究拱桥加固后其在正常使用状态下的强度、刚度、裂缝指标改善情况及极限承载力提高幅度。
本试验共分9组30个试件进行。
2)测点布置
主模型试验加载过程要求测试截面位移及混凝土和钢筋应变。位移测点布置在拱脚、四分点及拱顶五个位置，其中拱脚处测量水平位移，其余三处测量竖向挠度，要求各测点处的仪器置于拱腹中线上。
各片试验拱在加载过程中要求测试两拱脚、两四分点、拱顶五处钢筋表面应变；相应每一截面上要在拱腹、拱背靠近两边缘处钢筋上粘贴应变片。

2) 加载方式
主拱模型试验加载方式采用两点加载，如下图所示。加载之前必须对各模型用1～2吨的荷载进行预压。各级荷载之间的级差根据试验进程适当调整，原则上要求在构件出现可见裂缝以前荷载级差为1吨，构件开裂后适当加大级差。每级荷载作用之后，要求3～5分钟后待构件变形稳定方可记录位移、应变数据。

4）试验结果分析
根据前述测试结果，分析如下：
a) 在同级荷载作用下，加固应变值较加固前减少20～60%；
b) 在同级荷载作用下，挠度值减少30～50%；
c) 裂缝测试结果表明，加固后主拱圈的开裂荷载等级较加固前提高近1倍，力学性能较加固前有较大幅度的改善；
d) 采用套箍加固后主拱圈极限强度可较加固前提高57%～62.3%；
e) 基于9组试件的不同厚度套箍的试件强度试验表明，由于“套箍效应”随套箍层刚度的提高而愈明显，但“套箍效应”系数趋近于一常值，处于1.1～1.5 之间，此值可作为套箍加固设计的依据。

综上所述，钢筋砼套箍层能和原主拱圈有效结合在一起，形成复合主拱圈，协调变形、共同承担活载，发挥了套箍效应，改善桥梁力学性能和较大幅度地提高原桥的承载力。

1.1.3 示范工程
用该理论，现已成功加固了十余座石拱桥 。

上图为位于丰石公路的沙担沟大桥，主跨为80米的石板拱，建成通车于2001年10月，是钢筋砼套箍加固改造技术的示范工程。

1.2 石拱桥增设复合钢筋混凝土拱板（肋）加固技术研究
1.2.1 加固机理
1）机理之一 ——截面增大理论
增设复合钢筋砼拱板（肋）加固拱桥技术的机理之一是截面增大理论。
2）机理之二——断裂力学机理
（1）变主拱圈表面裂纹为内部裂纹；
（2）主拱圈裂纹嘴的集中闭合力阻裂。

1.2.2 模型试验
1)、试验目的
(1) 揭示拱桥破坏的形态，包括材料的破坏形态以及整个结构破坏过程中所显示出来的病害特征；
(2) 通过模型模拟试验，验证该加固技术的可行性；
(3) 通过加固试验，加固层和原结构层共同作用机理研究；
（4）通过检测加固层的应变，分析加固层受力情况及材料强度利用率，及加固后强度、刚度、裂缝指标改善情况和结构承载力提高幅度。
2）、试验概况
整个模型试验共有3片模型拱，其中两片用来做拱结构破坏试验，另外一片做增设复合钢筋砼拱板（肋）加固试验。

1.2.3 示范工程
到目前，用此法已成功加固了几座石拱桥。

上图是湖南省龙山县X015线上的靛房一桥，修建于清朝嘉庆年间，是“增设复合钢筋混凝土拱板（肋）加固技术”的示范工程。

1.3 基于平铰拱理论分析调整全桥内力的改造技术研究
1.3.1 机理及适用性分析
拱式桥梁在荷载（恒载、活载）作用下，除了承受荷载产生的轴向压力外，还承受荷载对其产生的弯矩和剪力，所以拱桥是承受压、弯、剪荷载的承重结构。
本方法是采用平铰拱理论优化调整拱桥内力，挖掘石拱桥潜在承载能力的一种加固方法。

1.3.2 示范工程

吉首金山桥（加固前）

吉首金山桥（加固后）
上图是湘西吉首至太平乡金山桥，为1孔30米实腹石板拱，1974年底建成。是“基于平铰拱理论分析调整全桥内力的改造技术研究”的示范工程

2、石拱桥加固改造效果评价研究
2.1 强度评价指标
对于加固增强后桥梁的强度，以下四个指标对评价加固的效果有重要意义：
承载力提高率αL、恒载应力变化率αD、荷载置换率αT、加固层利用率αM。
2.1.1 承载力提高率αL
承载力提高率αL定义为：

式中：αL——桥梁加固前后的承载力提高率，αL﹥0;
R0——加固前结构的承载力代表值，例如主拱圈跨中截面的抗力;
R2——加固后与R0 对应的结构承载力代表值。
2.1.2 恒载应力变化率 αD
恒载应力变化率 αD：
σD0 ——为加固前在恒载作用下原结构控制截面上的最大应力；
σD1 ——加固后在原结构同一截面对应位置恒载的应力增量。
αD在加固设计中的作用和意义在于：
■αD反映了加固过程中恒载的变化，因此加固设计时一方面应尽 可能采用减载措施，另一方面拟定的加固层宜采用轻质；
■αD一定程度上揭示了桥梁已加固部分对其它部分的影响。

2.1.3 荷载置换率 αT

式中：
σDS ——加固层恒载作用下原结构控制截面上产生的应力；
ΔσL——活载作用下，原结构相应截面加固后较加固前应力减少量。
原则上αT ＞1，若αT ﹤1则表明对原结构增设加固层而增加的恒载应力比加固层分担活载等后期荷载的效应要大，即加固失去意义。

2.1.4 加固层利用率αM

式中：
——控制截面加固层的荷载效应最大值，如对于钢筋本项为钢筋应力与面积之积；
——加固层最大承载能力，对于钢筋本项为其强度与面积乘积。
2.2 刚度评价指标
2.2.1 刚度评价指标在桥梁加固效果评价中的意义
桥梁在荷载作用下的挠度必须有所限制，因为：
1）、构件变形大，结构的次应力也大；
2）、挠度大，易使拱桥形成波浪起伏，高速行车引起颠簸和冲击；
3）、挠度大，上部结构在端部转角大，伸缩缝与桥面系易破坏，不利于行车和养护。
对于加固增强后桥梁的刚度，引入总挠度变化率βT、恒载挠度变化率βD、挠度置换率βT三个指标对评价加固的效果进行评价 。
2.2.1 总挠度变化率βL

式中：
δ0——加固前结构在全部荷载（恒载+活载）作用下挠度值；
δ2——加固后与R0 对应的结构承载力代表值。
2.2.2 恒载挠度变化率βD

式中：
δD0 ——加固前在恒载作用下原结构控制截面上的挠度；
δD1 ——加固后原结构相同截面对应位置挠度的改变增量。
βD意义在于：它反映了加固过程中恒载的变化，因此加固时一方面应尽可能采用减载措施，另一方面采用轻质材料。

2.2.2 挠度置换率 βT

式中：
δDS ——加固层恒载作用下原结构控制截面产生的挠度；
△δL——活载作用下，原结构相应位置加固后较加固前挠度变化量。
桥梁加固，要避免一味以增加恒载挠度为代价而换取活载挠度有限量的减少，否则是不经济的。

3、石拱桥加固的经济性评价研究
3.1 服役石拱桥加固维修决策研究
3.1.1 石拱桥安全状态指数评价模型
石拱桥安全状态指数：

其中：
i —拱桥的损坏类型，如开裂、拱石风化、侧墙外鼓、剥落等；
j — 损坏严重程度， 优、良、中、差、很差五个等级；
DPijk— i种损坏，j级程度和k范围扣分值；
Wij—各种损坏类型和严重程度的权函数。
3.1.2 加固维修决策研究
维修等级划分
={不修，小修，中修，大修, 重建}
维修决策考虑的因素

（1）服役现状
根据专家经验评定桥梁服役状态，并按以下等级构造隶属度向量

服役现状与维修决策集之间的关系由评定矩阵表示。
则由服役现状分析得到的维修等级为：

2）构件安全度
主要考虑各构件安全度或强度储备比超过限定值的程度和超过的个数。构件安全度状况同样划分为五等级：

结合专家经验，可以确定构件安全状况的隶属度向量：

则由构件安全度分析得到的维修等级为：

（3）整体安全度
整体安全度状况的等级除考虑桥梁整体安全度指标外，还应考虑整天全度指标衰减率。由构件安全度分析得到的维修等级为：

桥梁维护多因素综合决策分析的步骤
① 单因素维护决策评定
② 确定各因素权重系数W
③ 将单因素评定结果归一化，建立综合决策矩阵RU
④ 计算多因素综合分析结果
3.2 石拱桥加固方案的技术经济比选
1）、建立石拱桥加固方案指标评价体系

2）、构造区间数表达的比较判断矩阵

3 )、 求解区间数权向量

4）、各层元素对总目标的合成权重

4 )、方案优劣排序，选择最佳加固方案。

3.3 石拱桥加固经济评价
石拱桥加固经济评价的目的：一是评价加固项目在经济上是否可接受，二是在投资有约束时按效益高低对加固项目进行优先排序。
六、主要研究成果与创新点
1、根据调研资料，归纳出服役石拱桥最典型病害七种，分析了产生病害的主要原因和相关因素，在设计、施工、材质上提出具体防治措施和要求；
2、通过石料单轴、三轴试验和砌体单轴、压剪试验获得了实体工程--乌巢河大桥的石料和砌体的本构关系；
3、通过石拱桥拱轴线、平铰拱、拱上联合作用的研究，取得了一整套更符合石拱桥受力特点计算理论，并开发了相应的石拱桥内力分析SAB软件；
4、根据研究的石料及砌体工程的本构关系和平铰拱理论，建立大转动、小应变条件下的几何非线性和材料非线性的单元切线刚度矩阵 ，使平铰理论和有限元及非线性问题得以结合；
5、利用悬索线和平铰拱理论，研究并绘制了一整套20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m跨径的板肋拱上构设计图；
6、采用改进的层次分析法、强度储存比汇总法极限承载力分析法建立了石拱桥安全性评估体系；
7、针对石拱桥的典型病态，研究了钢筋砼套箍封闭主拱圈加固石拱桥技术、增设复合钢筋混凝土拱板（肋）加固技术及全桥内力调整改造技术；
8、引入强度评价指标承载力提高率αL、恒载应力变化率αD、荷载置换率αT、加固层利用率αM和刚度评价指标总挠度变化率βL、恒载挠度变化率βD、挠度置换率βT，建立了一整套对石拱桥加固效果的评价体系；
9、结合安全性评估和经济评价，建立了一套石拱桥加固改造决策支持系统。
10、已由人民交通出版社出版专著《石拱桥加固改造技术》一本，国内外核心已刊物发表论文九篇。
七、 经济社会效益及推广应用前景
课题提出的石拱桥安全性评估理论和方法已成功地应用于国内数百座石拱桥安全性评估与养护决策，加固改造技术已成功应用于数十座石拱桥的加固改造，已产生了1.11亿元的经济效益，并创造了相当显著的社会效益。
随着交通量的增加以及现有桥梁服役期限的增长，需要维修加固和改造的桥梁将越来越多。交通部为适应我国经济发展的需要，制定了我国高等级公路2020年建成五纵七横近四万公里国道主干线的宏伟计划，这必将修建更多的公路桥梁，而同时今后的数十年中需要安全评估和维修加固的旧桥也将越来越多，本项目的研究取得的成果为以后的工作打下良好的基础。由此可见，从全国的公路建设形势来看，本项目研究的时效性和针对性十分明确和及时，对推动我国旧桥的安全评估与维修加固和改造技术的成熟具有重要意义，市场潜力巨大，项目成果具有广泛的应用前景。
八、结语
虽然本项目在石拱桥安全性评估与加固改造中取得了一系列创新研究成果，但石拱桥石砌体的本构关系、抗震性能、长期变形性能、既有石拱桥抗震加固新技术等方面还有大量工作要做。项目组将继续努力，推动石拱桥安全性评估与加固改造技术向更深层次发展。

36

参考：

毕业论文（设计）工作记录及成绩评定册

题 目：
学生姓名：
学 号：
专 业：
班 级：
指 导 教 师：
职称：
助理指导教师：
职称：

年 月 日
实验中心制

使 用 说 明

一、此册中各项内容为对学生毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请各环节记录人用黑色或蓝色钢笔（签字笔）认真填写（建议填写前先写出相应草稿，以避免填错），并妥善保存。
二、此册于学院组织对各专业题目审查完成后，各教研室汇编选题指南，经学生自由选题后，由实验中心组织发给学生。
三、学生如实填好本册封面上的各项内容和选题审批表的相应内容，经指导教师和学院领导小组批准后，交指导教师；指导老师填好《毕业论文（设计）任务书》的各项内容，经教研室审核后交学生签名确认其毕业论文（设计）工作任务。
四、学生在指导老师的指导下填好《毕业论文（设计）开题报告》各项内容，由指导教师和教研室审核通过后，确定其开题，并将此册交指导老师保存。
五、指导老师原则上每周至少保证一次对学生的指导，如实按时填好《毕业论文（设计）指导教师工作记录》，并请学生签字确认。
六、中期检查时，指导老师将此册交学生填写前期工作小结，指导教师对其任务完成情况进行评价，学院中期检查领导小组对师生中期工作进行核查，并对未完成者提出整改意见，后将此册交指导老师保存。
七、毕业论文（设计）定稿后，根据学院工作安排，学生把论文（打印件）交指导老师评阅。指导老师应认真按《毕业论文（设计）指导教师成绩评审表》对学生的论文进行评审并写出评语，然后把论文和此册一同交教研室。
八、教研室将学生的论文和此册分别交两位评阅人评阅后交回教研室保存。
九、学院答辩委员会审核学生答辩资格，确定答辩学生名单，把具有答辩资格学生的论文连同此册交各答辩小组。
十、学生答辩后由答辩小组记录人填好《毕业论文（设计）答辩记录表》中各项内容，然后把学生的论文和此册一同交所在答辩小组，答辩小组对其答辩进行评审并填写评语后交教研室。
十一、学院答辩委员会进行成绩总评定，填好《毕业论文（设计）成绩评定表》中各项内容，然后把论文（印刷版和电子版（另传））和此册等资料装入专用档案袋中，教教研室后由实验中心统一保存。

目 录

1．毕业论文（设计）选题审批表
2. 毕业论文（设计）任务书
3．毕业论文（设计）开题报告
4. 学生毕业论文（设计）题目更改申请表
5．毕业论文（设计）指导老师工作记录
6．毕业论文（设计）中期检查记录
7．毕业论文（设计）指导教师成绩评审表
8．毕业论文（设计）评阅人成绩评审表
9. 毕业论文（设计）答辩申请表
10．毕业论文（设计）答辩记录表
11．毕业论文（设计）答辩成绩评审表
12．毕业论文（设计）成绩评定表

毕业设计（论文）选题审批表
题目名称
基于单片机的超声波测距
题目性质
□工程设计　　□理论研究
□实验研究　　□计算机软件
□综合论文　　□其它
题目来源
□科研题目 　□生产现场
□教学　 　□其它
□自拟题目
选题理由：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波
经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，精度也能达到使用要求，超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。

指导教师意见：

签名：
年 月 日
院（系）领导小组意见：

签名： 年 月 日
注：此表由学生填写
毕业论文（设计）任务书
1、毕业论文（设计）应达到的目的：
（1）能对学生在学期间所学知识的检验与总结，培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力，使学生受到科学研究、工程设计和撰写技术报告等方面的基本训练。
（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心观察、用于开拓、用于实践的基本素质；
（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。
（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实践能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行考核。
2、毕业论文（设计）的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

以单片机为核心设计了基于激光测距的防撞预警系统，采用TDC-GP2芯片作为激光飞行计时单元,给出激光发射及回波接收放大电路，基于模块化思想设计、完成系统软件设计流程；最后通过实验测试，系统要能很好测出前方车辆距离及运行状态，并能及时发出报警，利用Matlab对其测试结果进行验证，修正。

3、对毕业论文（设计）成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：

设计完成后，要提供电路图，实验电路版，控制原始程序，实验要保存大量的原始数据。完成设计论文。

4、毕业论文（设计）工作进度计划：
序号
论文（设计）工作进度
日期（起止周数）
1
根据所出题目，结合自身所学知识，选择合适课题，确定毕业设计论文题目。
13-14-1
第16周止
2
根据所定题目，全面搜集素材，列出各种设计方案，并一一比较，选择出最好的设计方案。
13-14-1
第18周止
3
联系指导老师，将自己的设计方案与老师沟通、交流，得到指导老师的认同与指点，开始设计。
13-14-1
第19周止
4
根据方案，确定所要用的器材。设计总体框架结构，分出各大的模块，并将其展开，以得到比较细的设计模式。
13-14-2
第1周止
5
根据所列框图，结合自己所学知识，开始各分支电路模块的设计。
13-14-2
第2周止
6
完成初稿，将所做的模块给指导老师查阅，看是否有不当之处，再进行改进。并将大电路的设计方案告之老师，得到老师更好的建议。
13-14-2
第3周止
7
大胆进行设计，将每一个小的电路，大的模块，都精心设计好，完成整个硬件和软件部分的设计过程。
13-14-2
第6周止
8
将所有设计整理结合，形成设计论文，交与指导老师检查，并经老师指点，做进一步的改进工作。
13-14-2
第7周止
9
改进毕业设计论文，得到自己及老师认为满意的论文。
13-14-2
第10周止
指导教师

日期
年 月 日
教研室审查意见：

签字：
年 月 日
学院负责人意见：

签字：
年 月 日
学生签字：

接受任务时间： 年 月 日
注：任务书由指导教师填写。
毕业论文（设计）开题报告
题　目
基于单片机的超声波测距
1、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势
近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目
前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在
蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新
型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高
精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具
有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发
展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制
更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇
自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智
能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，
测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新
的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

2、本课题的基本内容，预计可能遇到的困难，提出解决问题的方法和措施
利用单片机控制超声波测距，发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t,由即可算出被测物体的距离。
预计可能遇到的问题是受温度的影响，测量精度不高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

报告人签名：
2015年 3 月 20 日
3、本课题拟采用的研究手段（途径）和可行性分析
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波
经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，
并且在测量精度方面也能达到