第五章 桥梁结构动载试验

5桥梁动载试验•第一节动载试验的方法和程序•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5.1动载试验的方法和程序•导致桥梁振动的因素：发动机的抖动、路面不平滑、人群荷载、风荷载、地震等。车辆数量增多、载重量增大、速度增高等加剧了桥梁的振动。大跨度、超大跨度的桥梁，地震、风荷载往往是控制因素。因此，车辆振动和其它动力荷载已经成为桥梁设计、施工、管理、养护、维修等方面的重要因素之一。•桥梁结构的振动问题多采用理论分析和现场测试相结合的研究方法，因此，振动测试是解决工程结构的重要手段。振动测试技术的发展：一方面表现为风洞试验、模拟地震振动台试验、拟动力试验等得到了广泛的应用；另一方面表现为工程结构在地震荷载、风荷载、车辆动力荷载等作用下动力反应的现场测试手段得到了很大改进。•桥梁结构的动载试验：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的目的、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。•试验步骤：准备、试验、分析总结三个阶段。•试验性质：生产鉴定性、科学研究性。一般采用现场实际结构测试，有时也可采用结构模型动载试验（实验室试验），如风洞试验（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）等。•桥梁动载试验的基本任务：1.结构动力特性：自振频率、阻尼特性、振型。2.强迫振动响应：振幅、动应力、加速度等。3.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。•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：1.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；2.桥梁结构自由度多、车辆和桥梁耦合振动，其动力特性就更为复杂；3.干扰信号多且没有规律。•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。•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。第二节桥梁结构动力响应的测试一、激振方法•自振法、强迫振动法、脉动法。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。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。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。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。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，借组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”。动力响应最大时的频率就是结构的固有频率。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。对模型结构试验可利用一个频率可调的激振机（一般采用离心激振器）对结构施加周期性的简谐振动，使结构产生强迫振动，记录各个激振频率及对应振幅，并作A〜ω曲线。利用干扰力频率与结构自振频率相等时，结构产生共振的原则,曲线极值对应的频率就是结构的固有频率；结构的阻尼比：2ω1ω2ω3t1t2t3A1maxA2max0.707A1max0.707A2maxAω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、机械的振动所引起的。结构脉动的重要特性：明显反映结构的固有频率。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，或用位移传感器。动应变和动位移的测定：如下图，可通过布置动态应变仪或位移传感器测出应变时程曲线或位移时程曲线。通过位移时程曲线可以求出固有频率、冲击系数和阻尼比等。加速度的测定：测点处布置加速度传感器，可以测出加速度时程曲线，通过频谱分析可求出固有频率，通过两次积分可求位移时程曲线。•传感器的布置：根据结构形式而定，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。三、振动测试系统组成•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：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：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。四、试验组织•1.试验前现场准备工作（1）仪器仪表、传感器等的检查与标定；（2）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，对运营桥梁，注意传感器、测试导线的防护。（3）建立试验领导组织，进行人员分工安排。（4）正式试验前，要进行预测试。•2、试验工作（1）试验项目：地脉动测试、跑车测试、跳车测试。一般从响应小的开始测试，即地脉动—跑车—跳车。（2）跑车试验时要较准确控制试验车辆的车速（20,40,60km/h）。（3）每次测试后，进行频谱分析，检查数据是否正常，比较实测频率与理论计算值是否相符。（4）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。（5）试验完成，回收测试导线，拆除棚帐，清理现场。第三节动测数据分析与评价•桥梁结构的动力特性如固有频率、阻尼系数、振型等，只与结构本身的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等有关，与外荷载等无关。动载试验中，桥梁结构在动载下的动力反映不仅与结构的动力特性有关，而且与动荷载有关，其振动很复杂，一般是随机的。因此需要对实测振动波形进行分析与处理。常用的方法有时域分析方法和频域分析方法。•一、时域分析在时域分析中，桥梁结构的一些动力参数可以直接在相应的时程曲线上得出，例如：在加速度时程曲线上可以得到各测点的加速度振幅；在位移时程曲线上可以用最大动挠度减去最大静挠度得出位移振幅；比较各测点的振幅、相位确定振型等。另一些参数需要进行分析处理，如：如阻尼特性、冲击系数等。•1.桥梁的阻尼特性一般用对数衰减率δ或阻尼比D表示。衰减曲线如下：衰减率的计算：或由n个波形的平均衰减率表示：阻尼比：桥梁结构的阻尼比一般在0.01~0.08之间。1lniiAA1lnininAnA2D•2.冲击系数（动力系数）：承受移动荷载的结构如吊车梁、桥梁等，常常需要确定它的动力系数，以判定结构的工作情况。动挠度与静挠度的比值称为活载冲击系数：dsyy慢速驶过快速驶过有轨时测定方法：先使移动荷载以最慢的速度驶过结构，测得结构的最大挠度，然后使移动荷载按某种速度驶过，测得各种速度驶过结构的最大挠度，从中找出最大挠度的某一速度。无轨时动力系数的测定无轨时：由于两次行驶的线路不可能完全一样，故将移动荷载一次性高速通过，取振动挠度曲线最大值yd和振动挠度曲线之中线的最大值yj的比值作为动力系数。djyy•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。冲击系数与桥梁结构的结构形式、车辆的速度、桥面的平整度等有关。反映了桥梁结构的整体性能，是衡量结构刚度的主要指标。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，评价桥梁结构行车的舒适性。车辆在桥梁结构行驶时最大竖向加速度不宜超过0.065g，否则就会引起司乘人员的不适。实测阻尼比的大小反映了桥梁结构耗散外部能量输入的能力，阻尼比大，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力强，振动衰减得快；阻尼比小，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力差，振动衰减得慢。但是，过大的阻尼比则说明桥梁结构可能存在开裂或支座工作状况不正常等现象。疲劳试验疲劳试验基本概念：1、疲劳现象：结构在反复循环荷载作用下，由于结构某一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐步扩展，当循环达到一定次数时，结构应力在低于强度设计值情况下发生脆性破坏，这就是结构或材料的疲劳现象。2、疲劳强度：一般与幅值和重复次数有关，当循环应力小于某值时，荷载重复次数的增加不会引起疲劳破坏，当超过该值时则会产生疲劳破坏，该值叫疲劳强度。3、疲劳试验目的：研究结构的结构性能及其变化规律，确定疲劳极限（疲劳破坏时的强度值）和疲劳寿命（荷载重复作用的次数）。4、疲劳试验分类：等幅等频疲劳、变幅变频疲劳和随机疲劳。结构疲劳试验的方法1、荷载大小取值荷载上限值：按试件在荷载标准值的最不利组合产生的效应值计算而得的。荷载下限值：根据疲劳试验机性能而定，但不应小于液压脉动加载器最大动荷载的3％。2、荷载频率选择试验荷载频率一般不大于10HZ，并位于试件和加载装置自振频率的80％〜130％之外。（避免共振、减小动力效应）3、试验加载程序疲劳试验加载程序包括预加载、静载试验、疲劳试验和破坏试验四个阶段。1）预加载阶段：加载值为最大荷载的20%，以消除支座等不良接触和检查仪表是否正常工作。2）静载试验阶段在预载后，先作两次或三次加载、卸载循环的静载试验，每级荷载值取最大荷载的20％，分五级加载。在加载过程中，当分级加载经过荷载最小值时，应增设一个级次。对于允许出现裂缝的试件，应在临近开裂阶段加密荷载分级。3）疲劳试验阶段荷载加至最小值时，调节加载频率，施加最大荷载值，保持荷载稳定，误差不大于±3％。对于混凝土构件，宜在重复加载1万、10万、50万、200万、400万次时，测读动应变和动挠度；并停机进行一个循环的静载试验，测读应变、挠度，观测裂缝。4）破坏试验阶段在试验加载次数达到要求后，采用静载或疲劳试验的方法，进行试件破坏试验。