第五章 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

1、5 橋梁動(dòng)載試驗(yàn) 第一節(jié) 動(dòng)載試驗(yàn)的方法和程序 第二節(jié) 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試 第三節(jié) 動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)5.1動(dòng)載試驗(yàn)的方法和程序 導(dǎo)致橋梁振動(dòng)的因素導(dǎo)致橋梁振動(dòng)的因素：發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)、路面不平滑、人群荷載、風(fēng)荷載、地震等。車輛數(shù)量增多、載重量增大、速度增高等加劇了橋梁的振動(dòng)。大跨度、超大跨度的橋梁，地震、風(fēng)荷載往往是控制因素。 因此，車輛振動(dòng)和其它動(dòng)力荷載已經(jīng)成為橋梁設(shè)計(jì)、施工、管理、養(yǎng)護(hù)、維修等方面的重要因素之一。 橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題多采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的研究方法，因此，振動(dòng)測(cè)試是解決工程結(jié)構(gòu)的重要手段。 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展：一方面表現(xiàn)為風(fēng)洞試驗(yàn)、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)等

2、得到了廣泛的應(yīng)用；另一方面表現(xiàn)為工程結(jié)構(gòu)在地震荷載、風(fēng)荷載、車輛動(dòng)力荷載等作用下動(dòng)力反應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段得到了很大改進(jìn)。 橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)：利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)（加速度、動(dòng)撓度）等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而宏觀判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、運(yùn)營(yíng)性能。 橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)的目的、測(cè)試內(nèi)容等方面有所不同，但對(duì)于全面分析掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能是同等重要。 試驗(yàn)步驟試驗(yàn)步驟：準(zhǔn)備、試驗(yàn)、分析總結(jié)三個(gè)階段。 試驗(yàn)性質(zhì)試驗(yàn)性質(zhì)：生產(chǎn)鑒定性、科學(xué)研究性。 一般采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)測(cè)試，有時(shí)也可采用結(jié)構(gòu)模型動(dòng)載試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)室

3、試驗(yàn)），如風(fēng)洞試驗(yàn)（大跨度橋梁的風(fēng)致振動(dòng)試驗(yàn)）、模擬地震振動(dòng)臺(tái)（橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)試驗(yàn)）等。 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的基本任務(wù)橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的基本任務(wù)： 1.結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性：自振頻率、阻尼特性、振型。 2.強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)：振幅、動(dòng)應(yīng)力、加速度等。 3.動(dòng)荷載的動(dòng)力特性：測(cè)定引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)作用力的大小、方向、頻率與作用規(guī)律等。 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)中，隨時(shí)間變化的物理量一般稱為信號(hào)信號(hào)，如位移、應(yīng)變、振幅、加速度等。 動(dòng)載試驗(yàn)信號(hào)比較復(fù)雜，表現(xiàn)為： 1.振源和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)都是隨時(shí)間而變化的，是隨機(jī)的、不確定的； 2.橋梁結(jié)構(gòu)自由度多、車輛和橋梁耦合振動(dòng)，其動(dòng)力特性就更為復(fù)雜； 3.干擾信號(hào)多且沒有規(guī)律。 時(shí)域描述時(shí)

4、域描述：信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為信號(hào)的時(shí)域描述。如加速度時(shí)程曲線、位移時(shí)程曲線等。 信號(hào)的時(shí)域描述比較簡(jiǎn)單、直觀，通過(guò)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，可以分析出結(jié)構(gòu)的振幅、振型、阻尼特性、動(dòng)力沖擊系數(shù)等參量。 時(shí)域描述不能明確揭示信號(hào)的頻率成分和振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性。 頻域描述頻域描述：對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，研究其頻率結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的幅值大小，即采用頻域描述。 需將時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅立葉變換變?yōu)轭l域信號(hào)，從而確定結(jié)構(gòu)的頻率和頻率分布特性。第二節(jié) 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試一、激振方法激振方法 自振法、強(qiáng)迫振動(dòng)法、脈動(dòng)法自振法、強(qiáng)迫振動(dòng)法、脈動(dòng)法。 選用時(shí)應(yīng)根據(jù)橋梁的類型和剛度進(jìn)行選擇，以簡(jiǎn)單易行、便于測(cè)試

5、為原則。通常，多將上述一種或兩種方法結(jié)合起來(lái)，以便全面把握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。1.自振法 自振法的特點(diǎn)自振法的特點(diǎn)是使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動(dòng)，記錄到的振動(dòng)圖形為橋梁的衰減振動(dòng)曲線。 一般常用突然加載和突然卸載兩種方法。 突然加載法突然加載法是在被測(cè)結(jié)構(gòu)上急速施加一個(gè)沖擊作用力。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用試驗(yàn)車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動(dòng)，簡(jiǎn)稱跳車試驗(yàn)；當(dāng)測(cè)試某一構(gòu)件（如拉索）的振動(dòng)時(shí)，常常采用木棒敲擊的方法產(chǎn)生沖擊作用。 突然卸載法突然卸載法是在結(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個(gè)荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動(dòng)。 為卸落荷載，可

6、通過(guò)自動(dòng)脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時(shí)也專門設(shè)計(jì)斷裂裝置，即當(dāng)預(yù)施加力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在繩索中間的斷裂裝置便突然斷裂，由此激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。2.強(qiáng)迫振動(dòng)法 強(qiáng)迫振動(dòng)法強(qiáng)迫振動(dòng)法是利用專門的激振裝置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，借組于共振共振來(lái)確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。 對(duì)于原型橋梁結(jié)構(gòu)，常常采用試驗(yàn)車輛以不同的行駛速度通過(guò)橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，簡(jiǎn)稱“跑車試驗(yàn)”。動(dòng)力響應(yīng)最大時(shí)的頻率就是結(jié)構(gòu)的固有頻率。 在試驗(yàn)時(shí)，常采用1輛10t重的試驗(yàn)車輛以20、40、60、80km/h的速度進(jìn)行跑車試驗(yàn)。 對(duì)模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可利用一個(gè)頻率可調(diào)的激振機(jī)（一般采用離心激振器）對(duì)結(jié)構(gòu)施加周期性的簡(jiǎn)

7、諧振動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，記錄各個(gè)激振頻率及對(duì)應(yīng)振幅，并作A曲線。利用干擾力頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相等時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振的原則,曲線極值對(duì)應(yīng)的頻率就是結(jié)構(gòu)的固有頻率；結(jié)構(gòu)的阻尼比：2 1 2 3 t1 t2 t3A1maxA2max0.707 A1max0.707 A2maxA 3 脈動(dòng)法 脈動(dòng)法脈動(dòng)法：利用被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動(dòng)來(lái)確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。 這種微振動(dòng)通常稱之為“地脈動(dòng)”，它是由附近地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處地震傳來(lái)的脈動(dòng)所產(chǎn)生的，或由附近的車輛、機(jī)械的振動(dòng)所引起的。 結(jié)構(gòu)脈動(dòng)的重要特性：明顯反映結(jié)構(gòu)的固有頻率。二、傳感器選取與布置 振動(dòng)參量主要有：動(dòng)應(yīng)變、位移、加速度

8、。 動(dòng)應(yīng)變：動(dòng)應(yīng)變：測(cè)試元件與靜載相同，用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量。 動(dòng)位移：動(dòng)位移：可得出橋梁的動(dòng)力沖擊系數(shù)，它是衡量橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的主要指標(biāo)。 加速度：加速度：反映舒適程度，過(guò)大引起不適。 通常用加速度傳感器，或用位移傳感器。l 動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)位移的測(cè)定動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)位移的測(cè)定：如下圖，可通過(guò)布置動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀或位移傳感器測(cè)出應(yīng)變時(shí)程曲線或位移時(shí)程曲線。 通過(guò)位移時(shí)程曲線可以求出固有頻率、沖擊系數(shù)和阻尼比等。l加速度的測(cè)定：加速度的測(cè)定：測(cè)點(diǎn)處布置加速度傳感器，可以測(cè)出加速度時(shí)程曲線，通過(guò)頻譜分析可求出固有頻率，通過(guò)兩次積分可求位移時(shí)程曲線。 傳感器的布置傳感器的布置：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式而定，按照理論計(jì)算得出的

9、振型大致形狀，在變位較大的部位布置傳感器，以測(cè)得橋梁結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)。 橋梁結(jié)構(gòu)的振型橋梁結(jié)構(gòu)的振型：結(jié)構(gòu)相應(yīng)于各階固有頻率的振動(dòng)形式。一般橋梁結(jié)構(gòu)，第一固有頻率即基頻，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析才是重要的。三、振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成 激勵(lì)部分激勵(lì)部分：激勵(lì)部分的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的激勵(lì)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，如在跳車試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)中的汽車就是激勵(lì)源。 拾振部分拾振部分：該部分由傳感器（加速度、速度或位移傳感器）、導(dǎo)線等組成。 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：該部分的作用是將傳感器采得的信號(hào)放大或轉(zhuǎn)為電壓量，然后進(jìn)行記錄及分析。四、試驗(yàn)組織 1.試驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作（1）儀器儀表、傳感器等的檢查與標(biāo)定；（2）傳感器放樣

10、定位，布置測(cè)試導(dǎo)線，采用合適的方法將傳感器固定在被測(cè)對(duì)象上，對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁，注意傳感器、測(cè)試導(dǎo)線的防護(hù)。（3）建立試驗(yàn)領(lǐng)導(dǎo)組織，進(jìn)行人員分工安排。（4）正式試驗(yàn)前，要進(jìn)行預(yù)測(cè)試。 2、試驗(yàn)工作（1）試驗(yàn)項(xiàng)目：地脈動(dòng)測(cè)試、跑車測(cè)試、跳車測(cè)試。一般從響應(yīng)小的開始測(cè)試，即地脈動(dòng)跑車跳車。（2）跑車試驗(yàn)時(shí)要較準(zhǔn)確控制試驗(yàn)車輛的車速（20,40,60km/h）。（3）每次測(cè)試后，進(jìn)行頻譜分析，檢查數(shù)據(jù)是否正常，比較實(shí)測(cè)頻率與理論計(jì)算值是否相符。（4）試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，不要觸動(dòng)測(cè)試元件及測(cè)量導(dǎo)線，以免引起讀數(shù)的波動(dòng)。（5）試驗(yàn)完成，回收測(cè)試導(dǎo)線，拆除棚帳，清理現(xiàn)場(chǎng)。第三節(jié) 動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià) 橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

11、如固有頻率、阻尼系數(shù)、振型等，只與結(jié)構(gòu)本身的組成形式、剛度、質(zhì)量分布、材料性質(zhì)等有關(guān)，與外荷載等無(wú)關(guān)。 動(dòng)載試驗(yàn)中，橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)載下的動(dòng)力反映不僅與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有關(guān)，而且與動(dòng)荷載有關(guān)，其振動(dòng)很復(fù)雜，一般是隨機(jī)的。因此需要對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形進(jìn)行分析與處理。常用的方法有時(shí)域分析方法和頻域分析方法。 一、時(shí)域分析一、時(shí)域分析 在時(shí)域分析中，橋梁結(jié)構(gòu)的一些動(dòng)力參數(shù)可以直接在相應(yīng)的時(shí)程曲線上得出，例如： 在加速度時(shí)程曲線上可以得到各測(cè)點(diǎn)的加速度振幅；在位移時(shí)程曲線上可以用最大動(dòng)撓度減去最大靜撓度得出位移振幅；比較各測(cè)點(diǎn)的振幅、相位確定振型等。 另一些參數(shù)需要進(jìn)行分析處理，如：如阻尼特性、沖擊系數(shù)等。 1.

12、橋梁的阻尼特性橋梁的阻尼特性 一般用對(duì)數(shù)衰減率或阻尼比D表示。 衰減曲線如下： 衰減率的計(jì)算： 或由n個(gè)波形的平均衰減率表示： 阻尼比： 橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比一般在0.010.08之間。1lniiAA1lnini nAnA2D 2.沖擊系數(shù)（動(dòng)力系數(shù)）：沖擊系數(shù)（動(dòng)力系數(shù)）： 承受移動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)如吊車梁、橋梁等，常常需要確定它的動(dòng)力系數(shù)，以判定結(jié)構(gòu)的工作情況。動(dòng)撓度與靜撓度的比值稱為活載沖擊系數(shù)：dsyy慢速駛過(guò)慢速駛過(guò)快速駛過(guò)快速駛過(guò) 有軌時(shí)測(cè)定方法：有軌時(shí)測(cè)定方法：先使移動(dòng)荷載以最慢的速度駛過(guò)結(jié)構(gòu)，測(cè)得結(jié)構(gòu)的最大撓度，然后使移動(dòng)荷載按某種速度駛過(guò)，測(cè)得各種速度駛過(guò)結(jié)構(gòu)的最大撓度，從中找出最大撓

13、度的某一速度。無(wú)軌時(shí)動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定無(wú)軌時(shí)動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定 無(wú)軌時(shí)：由于兩次行駛的線路不可能完全一樣，故將移動(dòng)荷載一次性高速通過(guò)，取振動(dòng)撓度曲線最大值yd和振動(dòng)撓度曲線之中線的最大值yj的比值作為動(dòng)力系數(shù)。djyy 二、頻域分析（略） 三、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的分析評(píng)價(jià) 比較橋梁結(jié)構(gòu)頻率頻率的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，如果實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較大，反之則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度偏小，可能存在開裂或其它不正?，F(xiàn)象。一般地，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，常常會(huì)做出一些假設(shè)，忽略了一些次要因素，故理論計(jì)算值要大于實(shí)測(cè)值。 沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、車輛的速度、橋面的平整度等有關(guān)。反映了橋梁結(jié)構(gòu)的

14、整體性能，是衡量結(jié)構(gòu)剛度的主要指標(biāo)。根據(jù)動(dòng)力沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值來(lái)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)較大則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能差，橋面的平整程度不良，反之亦然。 根據(jù)實(shí)測(cè)加速度加速度量值的大小，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)行車的舒適性。車輛在橋梁結(jié)構(gòu)行駛時(shí)最大豎向加速度不宜超過(guò)0.065g，否則就會(huì)引起司乘人員的不適。 實(shí)測(cè)阻尼比阻尼比的大小反映了橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力，阻尼比大，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強(qiáng)，振動(dòng)衰減得快；阻尼比小，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力差，振動(dòng)衰減得慢。但是，過(guò)大的阻尼比則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)可能存在開裂或支座工作狀況不正常等現(xiàn)象。疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)基本概念：疲勞

15、試驗(yàn)基本概念：1、疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象：結(jié)構(gòu)在反復(fù)循環(huán)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)某一部分局部損傷的遞增和積累，導(dǎo)致裂紋的形成并逐步擴(kuò)展，當(dāng)循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力在低于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值情況下發(fā)生脆性破壞，這就是結(jié)構(gòu)或材料的疲勞現(xiàn)象。2、疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：一般與幅值和重復(fù)次數(shù)有關(guān)，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某值時(shí)，荷載重復(fù)次數(shù)的增加不會(huì)引起疲勞破壞，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)則會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，該值叫疲勞強(qiáng)度。3、疲勞試驗(yàn)?zāi)康模貉芯拷Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及其變化規(guī)律，確定疲勞極限（疲勞破壞時(shí)的強(qiáng)度值）和疲勞壽命（荷載重復(fù)作用的次數(shù)）。4、疲勞試驗(yàn)分類：等幅等頻疲勞、變幅變頻疲勞和隨機(jī)疲勞。結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的方法結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的方法1、荷載大小取值 荷載上限值荷載上限值：按試件在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的最不利組合產(chǎn)生的效應(yīng)值計(jì)算而得的。 荷載下限值荷載下限值：根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)性能而定，但不應(yīng)小于液壓脈動(dòng)加載器最大動(dòng)荷載的3。2、荷載頻率選擇 試驗(yàn)荷載頻率一般不大于10HZ，并位于試件和加載裝置自振頻率的80130之外。（避免共振、減小動(dòng)力效應(yīng)）3、試驗(yàn)加載程序 疲勞試驗(yàn)加載程序包括預(yù)加載、靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)四個(gè)階段。1）預(yù)加載階段：加載值為最大荷載的20%，以消除支座等不良接觸和檢查儀表是否正常工作。2）靜載試驗(yàn)階段 在預(yù)載后，先作兩次或三次加載、卸載