第五章 桥梁动载试验.pdf

1 第五章 桥梁动载试验第五章 桥梁动载试验 2 本章主要内容 第一节 动载试验的方法与程序第一节 动载试验的方法与程序 第二节 桥梁结构动力响应的测试第二节 桥梁结构动力响应的测试 第三节 动测数据分析与评价第三节 动测数据分析与评价 3 第一节 动载试验的方法与程序第一节 动载试验的方法与程序 4 导致桥梁振动因素: 发动机的抖动、桥面不 平顺、人群荷载、风动力、地震力等。 车辆数量增多、载重量增大、行驶速度提高 等加剧桥梁振动。 大跨度、超大跨度的桥梁，地震、风振往往 是设计施工的控制因素。 因此，车辆荷载或其它动力荷载对桥梁结构 的冲击和振动影响，已成为桥梁设计、计 算、施工、运营、维修养护的重要问题之 一。 5 桥梁结构的振动问题，多采用理论分析与现场实 测相结合的研究方法，因此，振动测试是解决工 程结构振动问题必不可少的手段。 近二十年来，随着计算机与自动化技术的发展， 振动测试技术取得了极大的进展；一方面表现在 风洞试验、模拟地震振动台试验、拟动力试验得 到了广泛的应用，另一方面表现为工程结构在地 震荷载、风荷载、车辆荷载作用下动力反应的现 场测试手段也得到了很大的改进。 6 桥梁结构的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、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响 应（加速度、动挠度）等参量的试验项目， 从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性 能。 桥梁结构的动载试验与静载试验虽然在试验 目的、测试内容等方面有所不同，但对于全 面分析掌握桥梁结构的工作性能是同等重 要。 7 试验步骤：准备、试验、分析总结三阶段。 试验性质：生产鉴定性、科学研究性。 现场实际结构测试 结构模型动载试验 ?风洞试验：大跨度桥梁的风致振动试验 ?模拟地震振动台：桥梁结构的地震响应试验 8 桥梁动载试验基本任务 结构动力特性：自振频率、阻尼特性、振 型。 强迫振动响应：振幅、动应力、加速度等。 动荷载的动力特性：测定引起结构振动作用 力的大小、方向、频率与作用规律等。 9 桥梁结构动载试验中，随时间变化的物理 量，一般称为信号，如位移、应变、振幅、 加速度等。 动载试验信号比较复杂，表现为： 振源和结构的振动响应都是随时间而变化的，是 随机的、不确定的。 桥梁结构自由度多、车辆与桥梁耦合振动，其动 力特性就更为复杂。 干扰信号。 10 时域描述 信号的幅值随时间变化的数学表达式，称为 信号的时域描述。 如加速度时程曲线、位移时程曲线等。 信号的时域描述比较简单、直观，通过多个 测点的时程曲线，可以分析出结构的振幅、 振型、阻尼特性、动力冲击系数等参量。 时域描述不能明确揭示信号的频率成分和振 动系统的传递特性。 11 频域描述 对信号进行频谱分析，研究其频率结构及其 对应的幅值大小，即采用频域描述。 需将时域信号通过傅立叶变换变为频域信 号。从而确定结构的频率和频率分布特性。 12 13 激振源结构振动传感器 测量放 大线路 记录分 析装置 振动测试系统 桥梁结构振动测试系统原理 14 第二节 桥梁结构动力响应的测试第二节 桥梁结构动力响应的测试 15 一、激振方法一、激振方法 激振方法：自振法、强迫振动法、脉动法 等。 选用时应根据桥梁的类型和刚度进行选 择，以简单易行、便于测试为原则。 通常，多将上述一种或两种方法结合起 来，以便全面把握桥梁结构的动力特性。 16 1、自振法1、自振法 自振法的特点是使桥梁产生有阻尼的自由衰减振 动，记录到的振动图形为桥梁的衰减振动曲线。 一般常用突然加载和突然卸载两种方法。 突然加载法是在被测结构上急速施加一个冲击作 用力。 在现场测试中，采用试验车辆的后轮从三角垫块 上突然下落对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的竖 向振动，简称“跳车试验” ；当测试某一构件（如 拉索）的振动时，常常采用木棒敲击的方法产生 冲击作用。 17 试验车辆 桥面 三角垫块 80 50 15 1:2 51 01 52 0 - 0 . 0 2 0 0 . 0 2 时 间 ( s ) 加 速 度 / g 51 01 52 0 - 0 . 0 6 - 0 . 0 4 - 0 . 0 2 0 0 . 0 2 0 . 0 4 时 间 ( s ) 位 移 / 突然加载法示例 18 突然卸载法是在结构上预先施加一个荷载作 用，使结构产生一个初位移，然后突然卸去 荷载，利用结构的弹性使其产生自由振动。 为卸落荷载，可通过自动脱钩装置或剪断绳索 等方法，有时也专门设计断裂装置，即当预施 加力达到一定数值时，在绳索中间的断裂装置 便突然断裂，由此激发结构的振动。 19 重物 断裂装置 绞车 桥墩 突然卸载法示例 20 2、强迫振动法2、强迫振动法 强迫振动法是利用专门的激振装置，对桥梁 结构施加激振力，使结构产生强迫振动，借 助于共振来确定结构的动力特性。 对于原型桥梁结构，常常采用试验车辆以不同的 行驶速度通过桥梁，使桥梁产生不同程度的强迫 振动，简称“跑车试验”。 在试验时，常采用1辆10t重的试验车辆以20、 40、60、80km/h的速度进行跑车试验。 21 车速40km/h驶过跨度为30m连续梁桥 跨中截面加速度时程曲线 5 10152025 30 -0.02 0 0.02 时间/s 加 速 度 /g 22 3 脉动法3 脉动法 脉动法：利用被测桥梁结构所处环境的微小 而不规则的振动来确定结构动力特性的方 法。 这种微振动通常称之为“地脉动”，它是由附近 地壳的微小破裂和远处地震传来的脉动所产 生的，或由附近的车辆、机器的振动所引 发。 结构脉动的重要特性：明显反映结构的固有 频率。 23 a)地脉动引起的加速度时程曲线 0510152025303540 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x 10 -3 时间/s 加 速 度 /g 05101520253035 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10-6 一阶频率 幅 值 b）自功率谱图 24 二、传感器选取与布置二、传感器选取与布置 振动参量主要有：动应变、位移、加速度。 动应变：测试元件与静载相同，用动态应变 仪进行测量。 动位移：可得出桥梁的动力冲击系数，它是 衡量桥梁结构整体刚度的主要指标。 加速度：反映舒适程度，过大引起不适。 通常用加速度传感器，有时也用位移传感 器。 25 传感器的布置：根据结构型式而定，按照理 论计算得出的振型大致形状，在变位较大的 部位布置传感器，以测得桥梁结构最大反 应。 桥梁结构的振型：结构相应于各阶固有频率 的振动形式。一般桥梁结构，第一固有频率 即基频，对结构动力分析才是重要的。 26 连续梁前三阶理论振型 一阶振型 二阶振型 三阶振型 三阶振型 二阶振型 一阶振型 简支梁前三阶理论振型 27 三、振动测试系统组成三、振动测试系统组成 激励部分激励部分 激励部分的作用是实现对测试对象 的激励，使结构发生振动，如在跳车试验、 跑车试验中的汽车就是激励源。 拾振部分拾振部分 该部分由传感器（加速度、速度或 位移传感器）、导线等组成。 数据采集分析系统数据采集分析系统 该部分的作用是将传感器 采得的信号放大或转为电压量，然后进行记 录及分析。 28 五、试验组织五、试验组织 1、试验前现场组织工作 仪器仪表、传感器等的检查与标定； 传感器放样定位，布置测试导线，采用合适的方 法将传感器固定在被测对象上。 注意传感器、测试导线的防护。 建立试验领导组织，进行人员分工安排。 正式试验前，要进行预测试。 29 2、试验工作 试验项目：地脉动测试、跑车测试、跳车测试。 跑车试验时要较准确控制试验车辆的车速。 每次测试后，实测频率与理论计算值比较。 试验进行过程中，不要触动测试元件及测量导 线，以免引起读数的波动。 试验完成后，回收测试导线，拆除棚帐，清理现 场。 30 第三节动测数据分析与评价第三节动测数据分析与评价 31 一、时域分析（略） 二、频域分析（略） 三、桥梁结构动力性能的分析评价 比较桥梁结构频率的理论计算值与实测值，如果 实测值大于理论计算值，说明桥梁结构的实际刚 度较大，反之则说明桥梁结构的刚度偏小，可能 存在开裂或其它不正常现象。一般地，在进行理 论计算时，常常会做出一些假设，忽略了一些次 要因素，故理论计算值要大于实测值。 32 根据动力冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车 性能，实测冲击系数较大则说明桥梁结构的行车性 能差，桥面的平整程度不良，反之亦然。 根据实测加速度量值的大小，评价桥