桥梁结构荷载试验

成桥动力荷载试验三、桥梁动载试验（一）检测项目和参数桥梁结构动力荷载试验的项目内容包括：1、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；2、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；3、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。

（二）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：1、试验目的和依据；2、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；3、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；4、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；5、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。

（三）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（四）作业指导书1、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。

2、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：（1）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；（2）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；（3）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；（4）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。

3、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。

4、测试工作（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4） 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。

5、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。

6、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 ）。

（五） 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：SS dyn dyn =η式中：dyn S —动力试验荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值；S —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+μ），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： m e a nS S m a x1=+μ 式中：max S —在动力荷载作用下该测点最大挠度（或应变）值； m e a n S —相应的静载作用下该测点最大挠度（或应变）值。

)(21min max S S S mean +=式中：min S 为与max S 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μ可按下式计算：m i nm i nm a x S S S S m e a n +-=μ式中：min S 、max S 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： c dyn t μημ≤ 式中：c μ—设计采用的冲击系数； t μ—行车试验实测的最大冲击系数； d y nη—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：00M MM ff += 式中：0f —结构的自振频率；f —有附加质量影响的实测自振频率； 0M —结构在激振处的换算质量； M —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：mi i r A A m D +=ln 21π式中：r D —测点阻尼比；m —在振动衰减曲线上量取的波形数；i A —在振动衰减曲线上量取的第i 个波形的幅值； m i A +—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：iir f B D 2=式中：i B —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。

i f —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/m 2。

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：(1)、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；(2)、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；(3)、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；(4)、测试桥梁结构的动力特性及活载冲击系数；(5)、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。