桥梁结构荷载试验

成桥动力荷载试验三、桥梁动载试验检测项目和参数桥梁结构动力荷载试验的项目内容包括：检验桥梁结构在动力荷载作用下的受迫振动响应，如桥梁结构动位移、动应力等动力响应，测试桥梁结构的位移冲击系数、应力冲击系数；测定桥梁结构的自振特性，如结构的自振频率、振型和阻尼比等的脉动试验或跳车激振试验；测定动荷载本身的动力特性，如动力荷载的大小、自振频率等。检测方案进行桥梁结构动荷载之前，应编写试验方案，其主要内容包括：试验目的和依据；试验项目和主要测试参数，确定试验荷载工况，并设计测点布置图，每一测点均应有编号，给出测点布置图；根据试验项目和要求，选择试验仪器设备，计划设备布置方案；制定试验日程，明确人员分工，使测试过程做到统一指挥，有序进行；提出试验过程中需要业主配合的有关事项，如：联系方式、提供电源、必要的脚手架和及时的交通管制等。仪器设备桥梁结构振动测试的测试传感器，主要包括：应变传感器和振动响应传感器。应变传感器可以采用和静态应变测试相同的应变片，振动响应传感器主要测试动态位移、速度和加速度，采用的传感器主要有加速度传感器和拾振器。动载试验常用的仪器、仪表的使用精度和测量范围如表1所示。表1桥梁结构动载试验常用仪器及技术参数测量内容测量系统数据采集分析系统备注仪器名称适用范围仪器名称技术参数应变电阻应变计及动态应变仪1、测量范围：±10000με；2、频率响应：0-10kHz；3、可用于行车试验、跳车试验。1、由计算机与相应软件构成的采集系统；2、磁带记录仪1、输入电压范围0-±5（10)V；2、频率响应：0-5kHz；3、采样频率不低于1kHz；4、可监视信号质量可预埋或后装光纤应变计及调制解调器1、测量范围：±10000με；2、频率响应：0-10kHz；3、可用于行车试验、跳车试验。位移电阻应变式位移计及动态应变仪1、测量范围：±10000με；2、频率响应：0-10kHz；3、可用于行车试验、跳车试验。接触式测量，需要表架光电位移测量装置1、测量距离：500m；2、测量范围：±2.5m（当最大测距时）；3、频率响应：20kHz；4、可用于行车试验、跳车试验.非接触式测量动力特性参数磁电式拾振器及放大器1、测量范围：位移±20m;加速度±20g；2、频率响应：0.3-20kHz；3、可用于行车试验、跳车脉动试验。应变式加速度计及动态应变仪1、测量范围：±0.5g；2、频率响应：0-100Hz；3、可用于行车试验、跳车试验。压电式加速度计及电荷放大器1、测量范围：±100g；2、频率响应：0.5-1kHz；3、可用语行车试验、跳车试验。伺服式加速度计放大器1、测量范围：±0.5g；2、频率响应：0-100Hz；3、可用于行车试验、跳车、脉动试验。作业指导书桥梁结构振动测试的目的桥梁结构的动载测试是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与结构的耦合振动特性，是判断桥梁结构运营状况和承载能力的重要指标。准备工作动载试验前，首先应按照试验方案进行准备工作，其内容主要包括：搜集与试验桥梁有关的设计资料和图纸，详细研究确定试验荷载；现场调查桥上和连接线线路状况、线路容许速度和车量实际过桥速度；了解有关试验部位情况，确定导线布置和布线方案以及仪器安放位置的确定；对拟开展试验的项目和测试点，进行理论分析计算，得出试验荷载作用下结构的应力、位移及自振频率，以便与实测值进行比较分析。测点布置振型测点布置：事先了解理论振型，测点数目要足以连接曲线并尽可能布置在控制断面上。选择合适的参考点（将一个拾振器放在参考点上，始终不动），分批移动其他拾振器到所有测点上，使用的测点越多，可以测到的振型阶数就越多。动应变测点布置：可以使用静态应变测试用的应变片，动态应变测试点一般选择在应变响应最大位置，如：支座顶板以及跨中底板。动位移（加速度）测点布置：桥梁结构动态位移测试包括竖向位移及横向位移，一般测点选择在位移响应最大位置，如跨中位置。测试工作跑车试验进行跑车试验前，应使用跑车试验车辆进行相应的静态试验，将车辆放置在测点响应测点最大位置，记录车辆的最大静态应变和位移值，以便和动态响应值进行比较，计算冲击系数。跑车试验的试验荷载，一般采用接近于检算荷载（标准荷载）重车的单辆载重汽车来充当。试验时，让单辆载中汽车分偏载和中载两种情形，以不同车速匀速通过桥跨结构，测定桥跨结构主要控制截面测点的动应力和动挠度时间历程响应曲线。每个速度测试至少两次，跑车速度一般定为：10km/h，20km/h，30Km/h，40km/h，50km/h，60km/h。实际试验速度应根据桥梁现场情况确定，在车辆上安排一个试验人员，准确记录跑车的实际运行速度。跑车试验主要记录车辆在桥上移动时的振动应变和振动位移、速度和加速度，每次记录应待桥梁振动基本衰减完成为止。跳车试验跳车激振的试验荷载，一般采用近于检算荷载（标准荷载）重车的单辆载重汽车来充当。在位移响应最大位置放置一块高10cm的梯形木楔，车辆以10km/h速度通过木楔，记录桥梁的动应变和动位移响应，跳车试验的动力响应与车辆的运行速度和木楔的位置有关。刹车试验刹车试验是测定车辆在桥上紧急制动时产生的响应，用以测定桥梁承受活载水平力性能。刹车试验是以行进车辆突然停止作为激振源，车辆以不同速度停在预定位置，记录动态应变和位移（加速度）响应，通过频谱分析可以得到相应的强迫振动频率、结构阻尼参数。脉动试验脉动试验是指在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。脉动测试主要记录桥梁的脉动加速度响应，可以进行振动模态（振型）分析和结构自振特性分析，脉动测试时间一般较长，每测点记录时间一般不少于30分钟。通过频谱分析可以得到结构的自振频率和结构阻尼，结合跳车、跑车和刹车试验的测试数据，可以得到更加准确的结构自振频率和阻尼参数。动荷载本身的动力特性的测定主要测定引起桥梁震动的作用力或振源特性，如激振车辆的振动特性，主要测试车辆的荷载重量和车辆的振动频率。车辆重量可以通过电子地磅直接得到车辆的各轴轴重，车辆的振动固有频率可通过采集汽车本身的振动响应通过频谱分析得到。注意事项振动测试应尽量测定桥梁响应的位移值和加速度值，减少使用微积分电路，以提高测量精度；试验数据采集使用的采样频率应选择得当，在脉动测试时可以使用较高的采样频率（如：500hz），在车辆激振试验时选择较低的采样频率（如：100hz）。数据分析和评定桥梁结构的振动特性，如：结构的固有频率、振型级阻尼等，只与结构本身的固有性质有关（如：结构的组成形式、刚度、质量分布和材料特性等），而与荷载等其他条件无关。结构的动力特性是结构振动系统的基本特性，是进行结构动力分析所必须的参数。1、行车试验的动力试验荷载效率系数可按下式计算：式中：—动力试验荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值；—标准汽车荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值（不计汽车荷载冲击系数）。2、活载冲击系数（即动力系数）实测的活载动力增大系数（1+），可根据测记的测点动挠度或动应变时间历程曲线进行整理分析，按下式计算：式中：—在动力荷载作用下该测点最大挠度（或应变）值；—相应的静载作用下该测点最大挠度（或应变）值。式中：为与相应的最小挠度值（或应变值）。不同部位的冲击系数是不同的，一般情况，梁桥主要测试最大位移处或最大应变处的位移或应变冲击系数；斜拉桥和悬索桥测试吊点和加劲梁节段中点部位的冲击系数；而钢桁梁桥应分别测试弦杆、腹杆、纵梁、横梁的冲击系数、实测的活载冲击系数可按下式计算： 式中：、的意义同上。根据不同车速的活载冲击系数或动力增大系数，绘制活载冲击系数或动力增大系数与车速的关系曲线，并求出活载冲击系数的最大值。实测的活载冲击系数应满足下列条件：式中：—设计采用的冲击系数；—行车试验实测的最大冲击系数；—动力试验荷载效率。3、结构自振频率桥梁结构的自振频率可以根据桥梁跳车激振试验的测点余振响应信号分析而得，也可根据脉动试验测记的测点随机振动响应信号分析而得，还可根据行车试验测记的测点动挠度或动应变余振曲线分析而得，主要分析方法是：频谱分析技术，对各点测得的加速度响应（或速度、位移响应）进行自功率谱分析，读出功率谱密度值最大位置对应的频率值。对跳车激振试验，当激振荷载对结构振动具有附加质量影响时，可按下式计算结构自振频率：式中：—结构的自振频率；—有附加质量影响的实测自振频率；—结构在激振处的换算质量；—附加质量。4、桥梁结构的阻尼比结构阻尼比可根据跳车激振试验或行车试验测记的测点余振相应信号（振动衰减曲线），按下式进行计算：式中：—测点阻尼比；—在振动衰减曲线上量取的波形数；—在振动衰减曲线上量取的第i个波形的幅值；—在振动衰减曲线上量取的第i+m个波形的幅值。使用这种方法对于测得的振动响应曲线比较平滑时，具有较好的精度，而对于干扰较大的振动曲线则精度较差。桥梁结构阻尼比也可根据频谱分析得出的测点自功率谱图，用半功率点带宽按下式计算：式中：—第i阶自振频率相应的半功率点带宽，即0.707倍功率谱峰值所对应的频率差。—第i阶自振频率。四、实例分析乔木湾乐安河大桥为江西省鄱阳至余干二级公路新建工程上的一座大桥，里程桩号：K7+035.92~K7+684处，主桥跨径布置为：60+60米，桥型采用预应力砼单T刚构，悬臂拼装施工，主桥截面为单箱单室箱梁，梁高为2.1米～4.2米变截面。桥宽12米，横向布置：0.25米（栏杆）+1.25米（人行道）+9米（行车道）+1.25米（人行道）+0.25米（栏杆），桥面横坡为行车道双向1.5%。桥梁设计荷载：汽车－超20级，挂车－120级，人群3.5kN/m2。受大桥业主委托，于2006年5月底华东交通大学土木建筑学院桥梁工程研究所对大桥进行了成桥动静荷载试验。（一）、静载试验检测1、试验目的及依据本次试验属桥梁验收前的桥梁验收荷载试验（基本荷载试验），其目的是通过检测来评定该桥是否达到设计所要求的承载能力，判断结构的强度和刚度是否满足设计。本次试验主要依据以下规范及文件(1)、《桥梁设计通用规范》（JTJ021-89）；(2)、《大跨度混凝土桥梁试验方法》（1982.10，柏林）；(3)、《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988，北京）；(4)、公路桥梁承载能力检测评定规程（征求意见稿），2003年4月(5)、设计部门提供的有关设计图纸及有关的理论数据。2、主要试验内容根据桥梁的实际结构形式及相关的规范要求，本次试验主要为基本动静荷载试验。试验以主桥的主跨连续箱梁为重点测试对象，按设计部门提供的有关资料及结构分析结果，桥梁测试的主要内容包括：测试桥梁在设计车荷作用下，桥梁的纵向变形挠度曲线和扭转变位特性，以评定桥梁是否满足刚度要求；测试一侧主跨相应控制截面上的控制点，在设计车荷作用下的应变和应力，以评定桥梁上部结构是否满足强度要求；测试在分级加载以及卸载情况下，桥梁有关点上的应变和挠度变化规律，以及残余应变和挠度，以评定桥梁工作状态下的弹性力学性能；测试桥梁结构的动力特性及活载冲击系数；检测桥梁应力较大部位是否有裂缝，若发现裂缝测定裂缝的宽度、长度、位置和方向，并测定在加载过程中裂缝的变化情况，以测定桥梁的受载性能和施工质量。3、测点布置挠度测点布置挠度测点共13个，布点位置为：沿纵桥向人行道一侧布置，8＃～10＃墩之间均匀布置13个测点；另外在测试桥梁以外，设置零挠度测点作为基准参考点。各测点的具体布置位置详见图1所示。测点编号分别为：M0~M13，其中M0为基准参考点。图1竖向挠度测点位置布置示意图应变测点布置由于结构的对称性，本次试验对其中的一个主跨进行应变测试，共有三个应变测试截面，分别为主跨的跨中截面、1/4跨截面及9#墩处主梁截面。其中主跨跨中截面及1/4跨截面底板各布设4个测点；9#墩处主梁截面顶板布设4个测点，中性轴位置布设剪应变测点2个（2个应变花）。共计12个正应变测点、2个剪应变（应变花）测点，以及三个补偿片。本次试验总共需要21个应变片。测点布置如图2～图5所示。 图2全桥纵向应变测点截面位置布置图图3B-B截面应变测点布置图图4A-A截面应变测点布置图图图5C-C截面应变测点布置图4、试验荷载工况根据本次试验的主要测试内容，按照荷载效应等效、保证荷载效率系数大于80%小于105%的要求，进行试验荷载布置，试验荷载共用5辆30吨重车，车荷布置附图所示，车荷最不利布置荷载效率系数如表1所示，试验按以下工况进行：工况一：按跨中截面最大正弯矩对称布载，分三级加载；荷载级别分别为60T、120T、150T；工况二：按跨中截面最大正弯矩偏向布载，分二级加载；荷载级别分别为60T、150T；工况三：按跨中截面最大竖向挠度对称布载，分二级加载；荷载级别分别为60T、150T；工况四：按1/4跨截面最大正弯矩对称布载，分二级加载；荷载级别分别为60T、150T；工况五：按9#墩处主梁最大负弯矩对称布载，分二级加载：荷载级别分别为60T、150T；工况六：按9＃墩处主梁最大剪力对称布载，分二级加载；荷载级别分别为90T、150T；工况七：按最大挠度处两辆车对称布载，荷载级别为60T；（为了与振动响应对比分析冲击系数）；表1车荷最不利布置荷载效率系数表截面特性标准荷载理论值试验荷载计算值效率系数跨中弯矩（kN·m）62506310101％跨中挠度（mm）8.348.39101％1/4跨弯矩（kN·m）82308640105％9#墩处负弯矩（kN·m）259002350091％9#墩处最大剪力（kN）1570151096％最大挠度（mm）（两辆车）5.14.894%*注：需要指出的是实际汽车荷载的轴距及重量均与规范的标准车有出入，所以荷载效率系数普遍偏高5、试验结果及分析（1）挠度测试结果表2列出了工况一在各级荷载作用下的各测点位移值，位移随荷载的变化规律以及挠度曲线形状符合理论计算结果，试验校验系数均小于1，跨中位移残余变形为0.35mm，与最大位移比较占4.4%，小于20％，弹性恢复良好，说明桥梁在弹性范围工作。其他工况各测点位移效验系数均小于1，同样，卸载后各测点的残余变形也很小，均小于20％。从偏载工况与中载工况结果可知，桥梁存在一定的偏载效应，M3测点最大位移处（M3测点）偏载增大系数约为0.105。各跨实测最大活载挠度与计算跨径比均远小于1/600，说明结构的竖向刚度满足设计和规范的要求，相对残余变形挠度均小于20％。说明桥梁在试验荷载作用下处于弹性工作状态。测点一级荷载/mm三级荷载/mm三级荷载理论值/mm卸载/mm纵向坐标（m）编号0M1000010M2-2.67-5.65-6.08-0.0520M3-4.54-8.79-9.32-0.1330M4-4.40-7.99-8.39-0.3540M5-2.68-4.69-4.81-0.4250M6-1.02-1.45-1.56-0.0160M7-0.07-0.01-0.03-0.0670M80.290.320.580.04580M90.460.700.950.18390M100.590.781.100.241100M110.450.630.980.123110M120.240.310.500.087120M130.19-0.200.00-0.073表2工况一各级荷载作用下竖向挠度试验结果与理论值比较表图7工况一各级加载竖向挠度测试结果及理论值（2）、应变测试结果得出了各工况试验荷载作用下，箱梁各测试断面应力与相应的理论计算值、结构效验系数及残余应变值。表5列出了工况一跨中截面的应力结果，在靠近底板的腹板位置使用电阻应变片测试，标距80mm，电阻值为120欧姆，灵敏度系数为2.00，为保证测试的准确，每个测点布置两片应变片，实测最大正应力为1.017MPa，与理论值相比较的效验系数为0.848，残余应变为6.4%，说明主梁在最不利荷载工况（工况一）作用下处于弹性工作状态。由试验所测数据分析可见：由实测的应变数据换算成混凝土应力，实测值均小于理论计算结果，结构效验系数在0.315~0.972之间，表明结构的实际承载能力满足设计要求；测试断面混凝土残余应力与总应力之比均小于20％。从结构应变测试结果同样表明在试验荷载作用下结构处于弹性工作状态。表3工况一各级荷载作用下应力测试结果及理论值表（MPa）应变片编号一级二级三级全卸实测值理论值校验系数实测值理论值校验系数实测值理论值校验系数实测值卸载（%）A1-0.143-0.2210.647-0.324-0.7770.417-0.912-1.2000.760-0.0677.3A2-0.135-0.2210.611-0.280-0.7770.360-1.017-1.2000.848-0.0656.4A3-0.168-0.2210.760-0.245-0.7770.315-1.005-1.2000.838-0.0606.0A4-0.155-0.2210.701-0.350-0.7770.450-0.998-1.2000.832-0.0353.5B7-0.170-0.3100.549-0.275-0.6490.424-0.675-0.7870.857-0.0355.2B8-0.135-0.3100.436-0.311-0.6490.479-0.660-0.7870.838-0.0152.3B9-0.170-0.3100.549-0.350-0.6490.539-0.648-0.7870.823-0.0456.9B10-0.170-0.3100.549-0.299-0.6490.461-0.636-0.7870.808-0.0253.9C1-0.312-0.7190.434-0.516-1.1000.469-0.774-1.1590.668-0.0577.4C2-0.321-0.7190.446-0.583-1.1000.530-0.713-1.1590.615-0.0081.1C3-0.349-0.7190.485-0.544-1.1000.495-0.712-1.1590.614-0.0456.3C4-0.325-0.7190.452-0.578-1.1000.525-0.706-1.1590.609-0.0091.3（二）、动载试验检测1、动载测试内容和方法桥梁结构的振动测试主要测试桥梁结构的振动固有频率、阻尼比和动力系数，它反映了结构的动力特性，是进行结构动力计算的基础，其中自振固有频率也间接的反映了结构的刚度，而阻尼比则反映了结构对振动的衰减能力。高灵敏度拾振动器本次试验同时采用BJQN-4D型桥梁挠度仪以及振动信号采集系统DH5932配合高灵敏度拾振器两套设备，采集结构在环境激励振动速度信号，以及车车辆以不同速度通过桥梁时的振动响应，并采集桥梁主要控制点的位移时程曲线。使用速度信号，通过频谱分析计算结构的自振频率以及结构振动模态阻尼，使用位移时程曲线计算汽车通过时的动力系数。动态测试系统如图1所示。高灵敏度拾振动器图1动态测试分析系统示意图信号采集分析系统信号采集分析系统计算分析软件电荷放大仪器2、测试结果分析本次试验分别使用无障碍匀速激振和环境激振两种方法，分别分析桥梁的振动特性。试验采用一辆30T汽车，以不同速度匀速通过大桥。使用3个高灵敏度拾振器，分别布置在主跨近跨中、近中墩的四分之一跨及另一主跨近跨中位置，分别编号为1、2、3，使用振动速度信号分析结构的振动频率和阻尼比。采用桥梁挠度仪测试得到的动态挠度信号，并与相应的静态信号比较分析各种工况下的冲击系数。测试的主要响应时间历程和频谱分析结果如图2～4所示，从频谱分析结果可以计算得到结构的固有振动频率和阻尼比，前4阶振动模态频率及模态阻尼比分析结果如表2所示。实测结果均比理论计算值大，说明桥梁的结构刚度比设计的结构刚度大，这也说明了施工质量满足设计要求。应该指出的是本次试验只得到了桥梁的前两级振动模态，这表明车辆运行及环境振动主要由桥梁的前两级模态参与振动。表2振动特性实测值与理论值比较表阶数实测自振频率（Hz）理论值（Hz）理论/实测阻尼比（％）12.1731.7950.8261.89123.0352.7380.9021.9353-3.343--4-5.610--采用BJQN-4D型桥梁挠度仪，测得桥梁在最不利位置布置两辆车时