道路與橋梁工程試驗檢測技術(shù)第二篇第3章橋梁荷載試驗

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1、,*,,,出版社,道路與橋梁工程試驗檢測技術(shù),單擊此處編輯母版文本樣,,第,3,章 橋梁荷載試驗,3.1荷載試驗的目的及主要內(nèi)容荷載試驗的目的進(jìn)行橋梁荷載試驗的目的是檢驗橋梁整體受力性能和承載力是否到達(dá)設(shè)計文件和標(biāo)準(zhǔn)的要求，對于新橋型及橋梁中運用新材料、新工藝的，應(yīng)驗證橋梁的計算模式，為完善結(jié)構(gòu)分析理論積累資料。荷載試驗的主要內(nèi)容荷載試驗的主要內(nèi)容為：①荷載試驗的目的；②試驗的準(zhǔn)備工作；③加載方案設(shè)計；④測點設(shè)置與測試；⑤加載控制與平安措施；,⑥試驗結(jié)果分析與承載力評定；⑦試驗報告編寫。荷載試驗的準(zhǔn)備工作荷載試驗正式進(jìn)行前應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：1〕試驗孔〔或墩〕的選擇

2、。選擇時應(yīng)綜合考慮以下因素：①該孔〔或墩〕計算受力最不利；②該孔〔或墩〕施工質(zhì)量較差、缺陷較多或病害較嚴(yán)重；③該孔〔或墩〕便于塔設(shè)腳手架，便于設(shè)置測點或便于實施加載。2〕搭設(shè)腳手架和測試支架。3〕靜載試驗加載位置的放樣和加載位置的安排。4〕試驗人員組織及分工。5〕其他準(zhǔn)備工作。,3.2加載方案和測點布置加載方案與實施〔1〕試驗荷載工況確實定1〕簡支梁橋：2〕連續(xù)梁橋：3〕懸臂梁橋〔T型剛構(gòu)橋〕：4〕無鉸拱橋：〔2〕試驗荷載等級確實定1〕控制荷載確實定控制橋梁設(shè)計的荷載有以下幾種：①汽車和人群〔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載〕；②掛車或履帶車〔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計荷載〕；,③需通行的特殊重

3、型車輛。2〕靜載試驗效率靜載試驗效率為 式中：Ss——靜載試驗荷載作用下控制截面內(nèi)力計算值； S——控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計算值； μ——按標(biāo)準(zhǔn)采用的沖擊系數(shù)，平板掛車、重型車輛，取μ=0。ηq——該值可采用0.8~1.05。3〕動載試驗效率動載試驗效率為,式中：Sd——動載試驗荷載作用下控制截面最大計算內(nèi)力值； S——標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下控制截面最大計算內(nèi)力值 ηd值一般采用1。〔3〕靜載加載分級與控制為了加載平安和了解結(jié)構(gòu)應(yīng)變和變位隨試驗荷載增加的變化關(guān)系，對橋梁荷載試驗的各荷載工況的加載應(yīng)分級進(jìn)行。1〕分級控制的

4、原那么①當(dāng)加載分級較為方便時，可按最大控制截面內(nèi)力荷載工況均分為4~5級。②當(dāng)使用載重車加載，車輛稱重有困難時也可分成3級加載。③當(dāng)橋梁的調(diào)查和驗算工作不充分，或橋況較差，應(yīng)盡量增多加載分級。④在安排加載分級時，應(yīng)注意加載過程中其他截面內(nèi)力亦應(yīng)逐漸增加，且最大內(nèi)力不應(yīng)超過控制荷載作用下的最不利內(nèi)力。,2〕車輛荷載加載分級的方法①逐漸增加加載車數(shù)量；②先上輕車后上重車；③加載車位于內(nèi)力影響線的不同部位；④加載車分次裝載重物；3〕加卸載的時間選擇。4〕加載分級的計算。〔4〕加載設(shè)備的選擇靜載試驗加載設(shè)備可根據(jù)加載要求及具體條件選用，一般有以下兩種加載方式：1〕可行式車輛。

5、2〕重物直接加載。,〔5〕加載重物的稱量可根據(jù)不同的加載方法和具體條件選用以下方法，對所加載進(jìn)行稱量。1〕稱重法。2〕體積法。3〕綜合計算法。測點設(shè)置〔1〕測點布設(shè)1〕主要測點的布設(shè)。幾種常用橋梁體系的主要測點布設(shè)如下：①簡支梁橋：跨中撓度，支點沉降，跨中截面應(yīng)變；②連續(xù)梁橋：跨中撓度，支點沉降，跨中和支點截面應(yīng)變；③懸臂梁橋：懸臂端部撓度，支點沉降，支點截面應(yīng)變；④拱橋：跨中，l4處撓度，拱頂l4和拱腳截面應(yīng)變。,2〕其他測點的布設(shè)。根據(jù)橋梁調(diào)查和檢算工作的深度，綜合考慮結(jié)構(gòu)特點和橋梁目前狀況等可適當(dāng)加設(shè)以下測點：①撓度沿橋長或沿控制截面橋?qū)挿较蚍植迹?②應(yīng)變沿控制

6、截面橋?qū)挿较蚍植迹?③應(yīng)變沿截面高分布；④組合構(gòu)件的結(jié)合面上、下緣應(yīng)變；⑤墩臺的沉降、水平位移與轉(zhuǎn)角，連拱橋多個墩臺的水平位移；⑥剪切應(yīng)變；⑦其他結(jié)構(gòu)薄弱部位的應(yīng)變；⑧裂縫的監(jiān)測點。3〕溫度測點的布設(shè)。,3.3靜載試驗儀器設(shè)備常用的儀器有百分表、千分表、位移計、應(yīng)變儀、應(yīng)變計〔應(yīng)變片〕、精密水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、傾角儀、刻度放大鏡等。機械式位移計機械式位移計包括百分表、千分表及張線式位移計和撓度計等，其構(gòu)造和工作原理根本相同，主要區(qū)別在于精度和量程不同。〔1〕百分表的根本構(gòu)造圖是百分表的構(gòu)造圖。千分表和百分表相似，只不過增加了一對放大齒輪。〔2〕使用方法使用時，百分表裝在表

7、座上〔目前大都采用磁性表座〕，表架安裝在臨時專門搭設(shè)的支架上，支架應(yīng)具有一定的剛度，并與被測結(jié)構(gòu)物分開。,〔3〕使用時應(yīng)注意的事項1)使用時，只能拿取外殼，不得任意推動測桿，防止磨損機件，影響放大倍數(shù)。注意保護觸頭，觸頭上不得有傷痕。2〕安裝時，要使測桿與欲測的位移的方向一致，或者與被測物體外表保持垂直。3)百分表架要安設(shè)穩(wěn)妥，表架上各個螺絲要擰緊，但當(dāng)頸箍夾住百分表的軸頸時，不可夾得過緊，否那么會影響測桿移動。4〕百分表安裝好，可用鉛筆頭在表盤上輕輕敲擊，看指針擺動情況。假設(shè)指針不動或繞某一固定值在小范圍內(nèi)左右擺動，說明安裝正常。5〕百分表使用日久或經(jīng)過拆洗修理后，必須進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)

8、定可在專門的百分表、千分表校正儀上進(jìn)行。千分表與百分表的使用方法完全相同。〔4〕用位移計測撓度與變位,,應(yīng)用位移計量撓度與變位時，應(yīng)注意以下問題：1〕作為固定位移計的不動點支架必須有足夠的剛性。2〕位移計測桿與所量測的位移方向完全一致。3〕位移計使用前后要仔細(xì)檢查測桿上下活動是否靈活。〔5〕用位移計測應(yīng)變應(yīng)變，就是結(jié)構(gòu)上某區(qū)段纖維長度的相對變化〔ε=ΔL/L〕。應(yīng)變儀就是用來測定這個長度變化的儀器。圖所示為位移計應(yīng)變量測裝置。固定位移計和頂桿的夾具，可用鋼、銅或鋁合金等制成，按照選定的標(biāo)距以粘貼或預(yù)埋的方式固定在結(jié)構(gòu)需量測應(yīng)變的部位上。,手持式應(yīng)變儀當(dāng)需要在現(xiàn)場較長期連續(xù)地觀測

9、結(jié)構(gòu)的應(yīng)變時，一般的應(yīng)變儀不適用，手持式應(yīng)變儀那么比較適用。此儀器的外形見圖，構(gòu)造原理見圖。,圖,2.3.4,手持式應(yīng)變儀外形,關(guān)于測孔的制作方法建議如下：1〕鋼結(jié)構(gòu)要順桿件上直接鉆孔。2〕圬工或木質(zhì)構(gòu)件那么可粘貼特制的鋼腳標(biāo)〔用環(huán)氧樹脂粘接劑粘貼〕，腳標(biāo)尺寸如下圖。無論鋼材上所鉆的孔眼還是特制腳標(biāo)上的孔眼均應(yīng)按圖制作。使用此種儀器，尚有一溫度影響問題，即在長期量測過程中，初讀數(shù)和加載數(shù)可能不在同一溫度條件下讀取，因此在量測讀數(shù)中不僅包含了受載應(yīng)變ε。而且還包含了溫度應(yīng)變εt，為了從讀數(shù)中扣除溫度局部的影響，就要在量測過程中進(jìn)行“溫度補償〞。為了到達(dá)補償目的，根據(jù)量測的實踐，建議采取“橫

10、向溫度補償法〞。在布置測應(yīng)變的測點的同時，在垂直方向布置測點，如下圖。,圖2.3.6 腳標(biāo)尺寸〔單位：mm〕 圖2.3.7 孔眼尺寸〔單位：mm〕,,圖,2.3.8,橫向溫度補償測點,測點a-a，b-b，c-c等分別為桿件應(yīng)變測點，d-d為溫度補償測點，它垂直于應(yīng)變測點，且在桿件中部。當(dāng)對測點a-a，b-b，c-c進(jìn)行讀數(shù)時，也對測點d-d進(jìn)行讀數(shù)。那么 式中：μ——材料泊桑比； εt——溫度應(yīng)變； 聯(lián)解上述四式得,,水準(zhǔn)管式傾角儀,圖所示為水準(zhǔn)管式傾角儀的構(gòu)造，其原理是利用高靈敏度的水準(zhǔn)管來測定結(jié)構(gòu)節(jié)點、截面或支座處轉(zhuǎn)角。,圖,2

11、.3.9,水準(zhǔn)管式傾角儀,電阻應(yīng)變儀用電阻式應(yīng)變儀測試橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變時需用應(yīng)變儀和電阻應(yīng)變片〔應(yīng)變計〕配合使用。〔1〕電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片又稱電阻應(yīng)變計，簡稱應(yīng)變片或電阻片，有如下的一些優(yōu)點。①靈敏度高。②電阻片尺寸小且粘貼牢固。③電阻片質(zhì)量小。④可以在高溫〔800~100 ℃〕、低溫〔-100~-70 ℃〕、高壓〔上萬個大氣壓〕、高速旋轉(zhuǎn)〔幾千轉(zhuǎn)/mm~幾萬轉(zhuǎn)/mm〕、核幅射等特殊條件下成功的使用。①敏感絲柵是應(yīng)變片的主要元件，一般由康酮、鎳鉻合金制成。,②基底和覆蓋層起定位和保護應(yīng)變片幾何形狀的作用，也起到與被測試試件之間電絕緣作用。③引出線是用以連接導(dǎo)線的過渡局部，一般用

12、直徑約為0.15~0.30 mm的金屬絲。④粘結(jié)劑把絲柵基底和覆蓋層牢固地粘結(jié)成一個整體。2)電阻應(yīng)變片的分類。根據(jù)不同的方法，有如下的分類：①金屬絲式應(yīng)變片。②箔式應(yīng)變片。,圖,2.3.11,金屬絲式應(yīng)變片 圖,2.3.12,金屬箔式應(yīng)變片,③應(yīng)變花。④半導(dǎo)體應(yīng)變片。,圖,2.3.13,應(yīng)變花,3〕金屬應(yīng)變片的工作原理。金屬應(yīng)變片的工作原理在于導(dǎo)體的“電阻應(yīng)變效應(yīng)〞。,圖,2.3.15,金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng),如果一根細(xì)長的金屬導(dǎo)體長度為L，截面積為A，電阻率為ρ，那么它的電阻值R可以用下式示： 當(dāng)電阻絲受到拉伸或壓縮后，ρ，L，A都產(chǎn)生了

13、變化。為了求得三個參數(shù)變化對電阻的影響，可對式〔〕進(jìn)行全微分，經(jīng)整理后并用相對變化率表示時，那么有：一般電阻絲的橫截面呈圓形，式中 ，D為電阻絲的直徑，顯然 由材料力學(xué)中知道，軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系為：,式中：ν——泊松比。所以有將式〔〕代入式〔〕，整理得：令有,式中K0為常數(shù)，其物理意義是每單位應(yīng)變所造成的相對電阻變化率。常用的公式可改寫為： 式中K稱為應(yīng)變片靈敏系數(shù)。4〕電阻應(yīng)變片的選用。選用應(yīng)變片時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)變片的初始參數(shù)及試件的受力狀態(tài)、應(yīng)變梯度、應(yīng)變性質(zhì)、工作條件、測試精度要求等綜合考慮。5〕電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)①粘結(jié)劑。常

14、規(guī)橋梁試驗粘貼應(yīng)變片的應(yīng)變膠一般為快干膠和熱固性樹脂膠等。②應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。粘貼時應(yīng)掌握以下技術(shù)環(huán)節(jié):a.選片。b.定位。,c.貼片。d.枯燥固化。e.應(yīng)變片的防護。,圖,2.3.16,應(yīng)變片防護構(gòu)造,〔2〕應(yīng)變儀1〕測量電阻測量電路是應(yīng)變儀的重要組成局部，其作用是將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓〔或電流〕的變化。橋式電路也稱應(yīng)變電橋，其測量電路能精確地測量極其微小的電阻變化。例如我們假設(shè)用阻值R=120 Ω、靈敏系數(shù)K=2的應(yīng)變片測量某一網(wǎng)結(jié)構(gòu)，假設(shè)鋼材的彈模E=2×105 MPa，當(dāng)某點應(yīng)力為100 MPa時，根據(jù)電阻應(yīng)變片的阻值與應(yīng)變的關(guān)系即,圖,2.3.17,電橋,為了分

15、析電橋中電阻的變化與輸出端E的變化規(guī)律，假設(shè)電橋的四根橋臂上的電阻R1，R2，R3和R4為四個電阻片，把電橋分為DAC和DBC兩局部。從DAC這半個電橋來看，由D經(jīng)過A到C的電壓〔即DC間的電壓〕降為u，R2上的電壓降為uAC，那么同樣DBC這半個橋電壓降也是u〔因為R1，R2和R3，R4為并聯(lián)在電壓u上〕，R3上的電壓降為uBC，那么整個電橋的輸出電就是uAC和uBC之間的差,為了使測量前的輸出為零〔即保持電橋平衡〕應(yīng)滿足 根據(jù)分析，在符合該關(guān)系條件下，輸出電壓的增量與電阻片阻值變化可由下式計算： 根據(jù)電橋平衡的條件，上式可寫為,根據(jù)電橋的測量電路，對應(yīng)變電橋的測量方法

16、有以下幾種：①單點測量。單點測量時，組成測量電橋的四個電阻中，R1為電阻片電阻，其余三個為精密電阻〔無電阻變化〕，那么 半橋測量。其方法是將半橋接電阻片，另半橋為精密電阻〔ΔR3=ΔR4=0〕那么全橋測量。其方法是組成測量電橋的四個電阻全由電阻片組成，即,2〕電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀按使用內(nèi)容不同，分靜態(tài)應(yīng)變儀、動態(tài)應(yīng)變儀和靜動態(tài)應(yīng)變儀。①國產(chǎn)YJS—14型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀。YJS—14型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀是一種靜態(tài)應(yīng)變自動測量裝置，能自動平衡〔或不需平衡〕、自動換點、自動測量、數(shù)字顯示和自動打印，并可與計算機聯(lián)機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主要由五個局部組成：a.轉(zhuǎn)換器。b.電阻應(yīng)變儀。c.運

17、算器。d.控制器。e.輸出裝置。YJS—14型數(shù)字應(yīng)變測量裝置的工作過程就是把應(yīng)變測點組成惠斯登橋路。,,圖,2.3.18 YJS—14,型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀原理框圖,②日本產(chǎn)7V08型數(shù)據(jù)采集儀。該儀器是單板機組成的一個計算機控制系統(tǒng)，可由鍵盤或面板觸摸功能鍵直接輸出數(shù)據(jù)或程序，主要通過接口來輸出模擬信號〔電壓、電流、應(yīng)變、溫度等〕，并通過A/D轉(zhuǎn)換來完成存儲、記錄、轉(zhuǎn)換、運算和輸出。〔3〕電阻應(yīng)變測量的溫度補償用應(yīng)變片測量應(yīng)變時，它除了能感受試件受力后的變形外，同樣也能感受環(huán)境溫度變化，并引起電阻應(yīng)變儀指示局部的示值變動，這稱為溫度效應(yīng)。溫度變化從兩方面使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化

18、。第一是電阻絲溫度改變Δt〔℃〕，其電阻將會隨之而改變ΔRβ。式中:β1——電阻絲的電阻溫度系數(shù)(1/℃)； R——應(yīng)變片的原始電阻值〔Ω〕。,第二是因為材料與應(yīng)變片電阻絲的線膨脹系數(shù)不相等。但兩者又粘合一起。這樣溫度改變Δt〔℃〕時，應(yīng)變片中產(chǎn)生了溫度應(yīng)變，引起一附加的電阻的變化ΔRa。 式中：Kt——貼好的應(yīng)變絲對溫度應(yīng)力的靈敏系數(shù)，Kt=K0； αj——試件材料的線膨脹系數(shù)〔1/℃〕； α——電阻絲的線膨脹系數(shù)〔1/℃〕。因此，總的溫度效應(yīng)是兩者之和： 令 β=Kt(αj-α)+β1那么 式中:β——貼好的

19、應(yīng)變片總的電阻溫度系數(shù)。,溫度效應(yīng)的應(yīng)變值為：如下圖，在電橋的BC臂上接一個與測量片R1同樣阻值的溫度補償變片R2〔簡稱補償片〕。測量應(yīng)變片R1〔簡稱工作片〕貼在受力構(gòu)件上，它既受應(yīng)變作用又受溫度作用，故R1是由兩局部組成。即： 在實際工作中，為保證補償效果，對補償片的設(shè)置應(yīng)考慮如下因素：①補償片與工作片應(yīng)該是同批產(chǎn)品，有相同電阻值、靈敏系數(shù)和幾何尺寸。②貼補償片的試塊材料應(yīng)與試件的材料一致，并應(yīng)做到熱容量根本相等。③補償片的貼片、枯燥、防潮等處理工藝必須與工作片完全一致。④連接補償片的導(dǎo)線應(yīng)與連接工作片的導(dǎo)線同一規(guī)格、同一長度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束。,⑤補償片與工作

20、片的位置應(yīng)盡量接近，使兩者處于同樣溫度場條件下，以防不均勻熱源的影響。⑥補償片的數(shù)量多少，根據(jù)試驗材料特性、測點位置、試驗條件等決定。電阻應(yīng)變原理的推廣——傳感器〔1〕應(yīng)變式測力傳感器,圖,2.3.19,應(yīng)變式測力傳感器構(gòu)造及全橋式接線方法,〔2〕電子式位移傳感器1)電阻式位移計。,YHD型位移計的工作原理也是利用應(yīng)變電橋進(jìn)行測量的。在儀器內(nèi)部設(shè)置四個無感電阻R1，R2，R3和R4，在R1和R2之間用一根電阻絲串聯(lián)起來組成應(yīng)變電橋。如觸點向右移動時，AB橋臂的電阻增為R1+ΔR；BC橋臂的電阻那么減為R2-ΔR，那么輸出,2〕應(yīng)變式位移傳感器。,3.4靜載試驗試驗觀測與記錄(1)溫

21、度穩(wěn)定觀測儀表安裝完畢后，一般在加載試驗之前應(yīng)對各測點進(jìn)行一段時間的溫度穩(wěn)定觀測，中間可每隔10 min讀數(shù)一次。〔2〕儀表的測讀與記錄人工讀表時，儀表的測讀應(yīng)準(zhǔn)確、迅速、并記錄在專門的表格上〔表，表〕，以便于資料的整理和計算。〔3〕裂縫觀測加載試驗中裂縫觀測的重點是結(jié)構(gòu)承受拉力較大部位及舊橋原有裂縫較長、較寬的部位。在這些部位應(yīng)測量裂縫長度、寬度，并在混凝土外表沿裂縫走向進(jìn)行描繪。,加載實施與控制〔1〕加載程序加載應(yīng)在指揮人員指揮下嚴(yán)格按方案程序進(jìn)行。采用重物加載時按荷載分級逐級施加，每級荷載堆放位置準(zhǔn)確、整齊穩(wěn)定。荷載施加完畢后，逐級卸載。〔2〕加載穩(wěn)定時間控制為控制加

22、卸載穩(wěn)定時間，應(yīng)選擇一個控制觀測點〔如簡支梁的跨中撓度或應(yīng)變測點〕，在每級加載〔或卸載〕后立即測讀一次，計算其與加載前〔或卸載前〕測讀值之差值Sg，然后每隔2 min測讀一次，計算2 min前后讀數(shù)的差值ΔS，并按下式計算相對讀數(shù)差值m：,〔3〕加載過程的觀察加載試驗過程應(yīng)對結(jié)構(gòu)控制點位移〔或應(yīng)變〕、結(jié)構(gòu)整體行為和薄弱部位破損實行監(jiān)控，并將結(jié)果隨時匯報給指揮人員作為控制加載的依據(jù)。(4)終止加載控制條件發(fā)生以下情況應(yīng)中途終止加載：①控制測點應(yīng)力值已到達(dá)或超過用彈性理論按標(biāo)準(zhǔn)平安條件反算的控制應(yīng)力值時；②控制測點變位〔或撓度〕超過標(biāo)準(zhǔn)允許值時；③由于加載，使結(jié)構(gòu)裂縫的長度、縫寬急劇

23、增加，新裂縫大量出現(xiàn)，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對結(jié)構(gòu)使用壽命造成較大的影響時；④拱橋加載時沿跨長方向的實測撓度曲線分布規(guī)律與計算相差過大或?qū)崪y撓度超過計算值過多時；⑤發(fā)生其他損壞，影響橋梁承載能力或正常使用時。,3.5試驗數(shù)據(jù)分析及橋梁承載能力評定通過靜載試驗得到的原始數(shù)據(jù)、文字和圖像描述材料是荷載試驗最重要的資料。進(jìn)行承載力評定之前必須對它進(jìn)行處理分析，得出直接進(jìn)行承載能力評定的指標(biāo)，以滿足承載力評定的需要。試驗數(shù)據(jù)分析〔1〕試驗資料的修正1〕測值修正。2)溫度影響修正。溫度對測試的影響比較復(fù)雜。一般可采用綜合分析的方法來進(jìn)行溫度影響修正，即利用加載試驗前進(jìn)行的溫度穩(wěn)定觀

24、測數(shù)據(jù)，建立溫度變化〔測點處外表溫度或空氣溫度〕和測點測值〔應(yīng)變和撓度〕變化的線性關(guān)系，然后按下式進(jìn)行溫度修正計算：,式中：S——溫度修正后的測點加載測值變化； S′——溫度修正前的測點加載測值變化； Δt——相應(yīng)于S′觀測時間段內(nèi)的溫度變化〔℃〕； Kt——空載時溫度上升1 ℃，測點測值變化量。 式中：ΔS——空載時某一時間區(qū)段內(nèi)測點測值變化量； Δt1——相應(yīng)于ΔS同一時間區(qū)段內(nèi)溫度變化量。3〕支點沉降影響的修正。當(dāng)支點沉降量較大時，應(yīng)修正其對撓度值的影響，修正量C可按下式計算：,式中：C——測點的支點沉降影響修正量； l——

25、A支點到B支點的距離； x——撓度測點到A支點的距離； a——A支點沉降量； b——B支點沉降量。〔2〕各測點變化〔撓度、位移、沉降〕與應(yīng)變的計算根據(jù)量測數(shù)據(jù)作以下計算：總變位〔或總應(yīng)變〕 St=S1-Si彈性變位〔或彈性應(yīng)變〕 Se=S1-Su剩余變位〔或剩余應(yīng)變〕 Sp=St-Se=Su-Si式中：Si——加載前測值；,S1——加載到達(dá)穩(wěn)定時測值； Su——卸載后到達(dá)穩(wěn)定時測值。相對剩余變位〔或應(yīng)變〕按下式計算： 式中：S′p——相對剩余變位〔或應(yīng)變〕，Sp，St意義同前。〔3〕應(yīng)力計算根據(jù)測量到的測點應(yīng)變，當(dāng)

26、結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)時可以利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算測點的應(yīng)力。單向應(yīng)力狀態(tài)：,2〕平面應(yīng)力狀態(tài)：①當(dāng)主應(yīng)力方向時：式中：E——構(gòu)件材料彈性模量； ν——構(gòu)件材料泊松比； ε1，ε2——方向相互垂直的主應(yīng)變； σ1，σ2——方向相互垂直的主應(yīng)力。②主應(yīng)力方向未知時需用應(yīng)變花測量其應(yīng)變計算主應(yīng)力。應(yīng)變花的常見形式為直角形或等邊形，如圖2.3.23(a)、〔b〕、〔c〕所示，由三個應(yīng)變片組成；也可以增加校核片布置為扇形和傘形，如圖2.3.23(d)、(e)所示。采用圖中的五種應(yīng)變花時測點主應(yīng)力可以表示為,,,其中參數(shù),A,B,C,由應(yīng)變花的形式而定,,,上

27、面五種形式應(yīng)變花的參數(shù)見表。,,,圖,2.3.23,常用應(yīng)變花的形式,(4)試驗結(jié)果與理論分析的比較為了評定結(jié)構(gòu)整體受力性能,需對橋梁荷載試驗結(jié)果與理論分析值比較,以檢驗新建橋是否到達(dá)設(shè)計要求的荷載標(biāo)準(zhǔn)，或判斷舊橋的承載能力。為了量化，以及描述試驗值與理論分析值比較的結(jié)果，此處引入結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)： 式中：Se——試驗荷載作用下量測的彈性變位〔或應(yīng)變〕值； Ss——試驗荷載作用下的理論計算變位〔或應(yīng)變〕值。荷載試驗成果分析與承載能力評定一般進(jìn)行以下分析評定工作：〔1〕結(jié)構(gòu)工作狀況1〕校驗系數(shù)η。校驗系數(shù)η是評定結(jié)構(gòu)工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標(biāo)。不同結(jié)構(gòu)形式的橋

28、梁，其η值常不相同，η值常見的范圍可,參考表，一般要求,η,值不大于,1,。,2〕實測值與理論值的關(guān)系曲線。3〕相對剩余變位〔或應(yīng)變〕。4)動載性能。〔2〕結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性當(dāng)荷載試驗工程比較全面時，可采用荷載試驗主要撓度測點的校驗系數(shù)η來評定結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。磚石和混凝土橋 鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋,根據(jù)η值由表查取Z2的限值范圍，再根據(jù)以下條件確定Z2值。符合以下條件時，Z2值可取高限；否那么應(yīng)酌減，直至取低限。1〕加載內(nèi)力與總內(nèi)力〔加載內(nèi)力+恒載內(nèi)力〕的比值較大，荷載試驗效果較好。2〕實測值與理論值線性關(guān)系較好，相對剩余變位〔或應(yīng)變〕較小。表經(jīng)過荷載試驗的橋梁檢

29、算系數(shù)Z2值表3〕橋梁結(jié)構(gòu)各局部無損傷，風(fēng)化、銹蝕裂縫等較輕微。η值應(yīng)取控制截面內(nèi)力最不利荷載工況時最大撓度測點進(jìn)行計算。〔3〕地基與根底當(dāng)試驗荷載作用下墩臺沉降、水平位移及傾角較小，符合上部結(jié)構(gòu)檢算要求，卸載后變位根本回復(fù)時，認(rèn)為地基與根底在檢算荷載作用下能正常工作。,〔4〕結(jié)構(gòu)的剛度要求試驗荷載作用下，主要測點撓度校驗系數(shù)η應(yīng)不大于1。各點的撓度不超過“橋規(guī)〞〔JTJ022—85第條和JTG D62—2004第條〕規(guī)定的允許值。即〔5〕裂縫對于新建橋試驗荷載作用下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)裂縫，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫不超“橋規(guī)〞允許值：,對于舊橋試驗荷載作用下大局部裂縫寬度應(yīng)小于表

30、規(guī)定的允許值，荷載試驗后所有裂縫應(yīng)不大于表規(guī)定的允許值。靜載試驗報告編寫在全部試驗資料整理與分析的根底上，提出橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗報告，其內(nèi)容應(yīng)該包括以下各項：①試驗概況。②試驗的目的。③試驗方案設(shè)計。④試驗日期及試驗的過程。⑤各項試驗到達(dá)的精度。⑥試驗成果與分析。⑦試驗記錄摘錄。,⑧技術(shù)結(jié)論。⑨經(jīng)驗教訓(xùn)。⑩有關(guān)圖表、照片。3.6橋梁動載測試范圍結(jié)構(gòu)振動問題涉及振源〔輸入〕、結(jié)構(gòu)〔系統(tǒng)〕和響應(yīng)〔輸出〕，它們的關(guān)系為：橋梁的動載試驗可以劃分為三類根本問題：①測定橋梁荷載的動力特性〔數(shù)值、方向、頻率等〕。②測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性〔自振頻率、阻尼、振型等〕。③測定橋

31、梁在動荷載作用下的響應(yīng)〔動位移、動應(yīng)力等〕。,3.7動載試驗的常用儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)振動的測試儀器包括：測振傳感器、信號放大器、光線示波器、磁帶記錄儀和數(shù)字信號處理機。測振傳感器〔拾振器〕〔1〕根本原理振動參數(shù)有位移、速度和加速度。通過測量慣性質(zhì)量相對于傳感器外殼的運動，就可以得到振動體的振動參量〔圖〕。設(shè)被測振動體的振動規(guī)律如下： 式中：x——振動體相對固定參考坐標(biāo)的位移； X0——振動體振動的振幅； ω——振動體振動的圓頻率。,傳感器外殼隨振動體一起運動。以,y,表示質(zhì)量塊,m,相對于傳感器外殼的位移，由圖可知，質(zhì)量塊,m,的總位移為,x+y,，它的運動方程

32、為,,或,,上式為一單自由度有阻尼的強迫振動的方程，它的通解為,,其中，,上式中第一項為自由振動解，由于阻尼作用而很快衰減；第二項為強迫振動解，其中式中：ξ——阻尼比，ξ= ωn——傳感器質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率， 由式〔〕可知，傳感器動力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動如下：,〔2〕傳感器的頻率特性將式〔〕與式〔〕相比較，可以看出傳感器中的質(zhì)量塊相對外殼的運動規(guī)律與振動體的運動規(guī)律一致，但兩者相差一個相位角φ。質(zhì)量塊的振幅Y0與振動體的振幅X0之比為式〔〕和式〔〕分別為測振傳感器的幅頻特性和相頻特性，相應(yīng)的曲線稱為幅頻特性曲線和相頻特性曲線〔如圖、圖所示〕。,,圖,2.3.25,幅

33、頻特性曲線 圖,2.3.26,相頻特性曲線,以上討論是關(guān)于測量位移的傳感器，如果使傳感器的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所測振動的頻率，可以得到關(guān)于慣性式加速度傳感器的頻率特性。當(dāng)ωn≥ω時，由式〔〕、式〔〕可得：所測振動的加速度為：令am=X0ω2，由式〔〕可知：,上式表示傳感器的位移幅值與被測振動的加速度值成正比，這就是慣性式加速度傳感器的工作原理。以ωωn為橫坐標(biāo)，以Y0ω2nam為縱坐標(biāo)，可得加速度傳感器的幅頻特性曲線〔如下圖〕。,圖,2.3.27,加速度傳感器的幅頻特性曲線,〔3〕磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理制成的，其特點是

34、靈敏度高，性能穩(wěn)定，輸出阻抗低，頻率響應(yīng)有一定寬度。圖為一磁電式速度傳感器，其中磁鋼和殼體相固連，并通過殼體安裝在振動體上，與振動體一起振動。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢E的大小為 式中：B——線圈所在磁鋼間隙的磁感應(yīng)強度； l——每匝線圈的平均長度； n——線圈匝數(shù)； v——線圈相對于磁鋼的運動速度，即系統(tǒng)質(zhì)量相對于傳感器殼體  的運動速度。,圖為一擺式測振傳感器。它的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)設(shè)計成轉(zhuǎn)動的形式，因而可以獲得更低的儀器固有頻率。擺式傳感器可以測垂直方向和水平方向的振動；它也是磁電式傳感器，輸出電壓與相對運動速度成正比。磁電式

35、測振傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：①傳感器質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的固有頻率。②靈敏度。③頻率響應(yīng)。當(dāng)④阻尼。,(4),壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器就是利用晶體的壓電效應(yīng)而制成的，其特點是穩(wěn)定性高、機械強度高，并能在很寬的溫度范圍內(nèi)使用，但靈敏度較低。,,壓電式加速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：①靈敏度。②安裝諧振頻率f安。③頻率響應(yīng)。④橫向靈敏度比。⑤幅值范圍。〔5〕拾振器的選用①靈敏度。②線性度。③穩(wěn)定性。④精度。⑤工作方式。,此外，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，提出以下要求：①擺式拾振器性能穩(wěn)定、靈敏度高、使用方便可靠，它的缺乏是下限可測頻率有限制〔幅頻率特性下落〕，所以

36、不適合測大跨徑柔性橋跨結(jié)構(gòu)的振動。②加速度計是振動測試中用得最多的拾振器，從原理上講利用它頻帶寬體積小的優(yōu)勢可滿足各種振動測試對象的要求。測振放大器測振放大器的種類很多，它們之間的輸入和輸出特性、頻響特性等往往都是根據(jù)所配拾振器而定。濾波器濾波器是一種選擇裝置，可以使信號中有用成分通過，濾去不需要的成分，根據(jù)它的選頻特點，濾波器有低通〔通帶0~fc〕、高通〔通帶fc~∞〕、帶通〔通帶fc1~fc2〕、帶阻〔通帶0~fc1，fc2~∞〕四種。,濾波器根據(jù)處理信號的不同，分成模擬和數(shù)字式兩類。顯示記錄儀器〔1〕光線示波器光線示波器是利用細(xì)光束〔包括紫外線光束〕在感光膠卷、相紙上記錄

37、、顯示被測信號的。〔2〕磁帶記錄儀磁帶記錄儀是一種常用的較理想的記錄器，可以用于振動測量和靜力試驗的數(shù)據(jù)記錄，它將電信號轉(zhuǎn)換成磁信號并記錄在磁帶上，得到的是試驗變量與時間的變化關(guān)系。磁帶記錄儀由磁帶、磁頭、磁帶傳動機構(gòu)、放大器和調(diào)制器等組成。,,(3),信號處理機動態(tài)信號數(shù)據(jù)處理，一般在專用信號處理機或利用數(shù)據(jù)處理軟件在通用計算機上進(jìn)行。,圖,2.3.32,直接記錄式磁帶記錄儀原理圖,,圖,2.3.33,數(shù)字信號處理機的組成,測試系統(tǒng)的選配根據(jù)常用的一些測振儀器的性能，一般可構(gòu)成電磁式測試系統(tǒng)、壓電式測試系統(tǒng)和電阻應(yīng)變式測試系統(tǒng)等三種測試系統(tǒng)。電磁式測試系統(tǒng)在橋梁的動力測試中應(yīng)用較

38、為普遍，這類系統(tǒng)通過儀器的組合變換可測位移、速度和加速度。壓電式測試系統(tǒng)一般用于測量加速度。電荷放大器不受輸出電纜分布電容的影響，低頻特性也很少受輸入電阻的影響，使用頻率可到達(dá)零，它適用低頻或超低頻長距離的動力測試。電阻應(yīng)變式測試系統(tǒng)中傳感器的種類較多，記錄裝置為常用的光線振子示波器或磁帶機等。電阻應(yīng)變式測試系統(tǒng)中各局部儀器具有通用性強、應(yīng)用方便等特點，在橋梁動載試驗中的應(yīng)用很普遍。,3.8橋梁動載試驗在進(jìn)行橋梁動載試驗時，首先要設(shè)法使橋梁產(chǎn)生一定的振動，然后應(yīng)用測振儀器加以測試和記錄，通過對記錄的振動信號分析得到橋梁的動力特性和響應(yīng)。自振動〔瞬態(tài)激振法〕自振動的特點是使橋梁產(chǎn)生有阻

39、尼的自由衰減振動，記錄到的振動圖形是橋梁的衰減振動曲線。〔1〕突然加荷載法〔沖擊法〕在被測結(jié)構(gòu)上急速地施加一個沖擊作用力,由于施加沖擊作用的時間短促,因此,施加于結(jié)構(gòu)的作用實際上是一個沖擊脈沖作用。近年來，在橋梁的動載試驗中，還采用了爆炸和發(fā)射小型火箭產(chǎn)生脈沖荷載等方法來進(jìn)行激振，但還不普及。,圖,2.3.34,落錘激振器構(gòu)造圖,圖,2.3.35,跳車引起的結(jié)構(gòu)振動圖形,〔2〕突然卸載法〔位移激振法〕采用突然卸載法時，在結(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性性質(zhì)使其產(chǎn)生自由振動。共振法〔強迫振諧法〕激振設(shè)備有機械式激振器、電磁式激振器和電

40、氣液壓式振動臺。共振法是利用激振器，對結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強迫振動，改變激振力的頻率而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振現(xiàn)象并借助共振現(xiàn)象來確定結(jié)構(gòu)的動力特性。在橋梁的動載試驗中，常用載重車隊由低到高的不同速度駛過橋梁，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的強迫振動。,圖,2.3.36,卸載法試驗裝置,圖,2.3.37,頻率掃描時結(jié)構(gòu)的振動圖,圖,2.3.38,車速為,21 km/h,時跨中撓度時歷曲線,脈動法對于大跨度懸吊結(jié)構(gòu)，可利用結(jié)構(gòu)由于外界各種因素所引起的微小而不規(guī)那么的振動來確定結(jié)構(gòu)動力特性。這種微振動通常稱為“脈動〞，它是由附近的車輛、機器等振動或附近地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處的地震傳來的脈動所產(chǎn)生。,圖,2.3

41、.39,結(jié)構(gòu)脈動曲線,3.9試驗數(shù)據(jù)整理和分析結(jié)構(gòu)的動力特性是結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的根本特性，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析所必需的參數(shù)。結(jié)構(gòu)固有頻率的測定,圖,2.3.40,由衰減振動曲線求固有頻率,按照前面表達(dá)的激振方法，使橋梁產(chǎn)生的自由振動，通過測試系統(tǒng)實測記錄結(jié)構(gòu)的衰減振動波形，如下圖。在記錄振動波形曲線上，可根據(jù)時標(biāo)符號直接計算出結(jié)構(gòu)的固有頻率式中：L——兩個時標(biāo)符號間的距離，mm； n——波數(shù)； S——n個波長的距離，mm； t1——時標(biāo)的間隔〔常用1 s，0.1 s,0.01 s這三種標(biāo)定值〕。當(dāng)使用激振器時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)的周期性強迫振動，在激振器振動

42、頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，振幅到達(dá)最大值，共振波峰處的頻率即為結(jié)構(gòu)的固有頻率，如下圖。,,圖,2.3.41,共振曲線,,結(jié)構(gòu)阻尼的測定,,圖,2.3.42,由衰減振動曲線求阻尼特性,橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性，一般用對數(shù)衰減率δ或阻尼比D來表示。實測的振動衰減曲線如下圖，由振動理論知，對數(shù)衰減率為式中：Ai，Ai+1——相鄰兩個波的振幅值，可直接從衰減曲線上量取。實踐中，常從衰減曲線上量取m個波形，求得平均的衰減率：由振動理論知，對數(shù)衰減率δ與阻尼比D的關(guān)系為,對于一般材料的阻尼比都很小，因此,,在結(jié)構(gòu)作自由衰減振動這一段記錄上，仍可按上述方法求出結(jié)構(gòu)的動力特性，但此

43、時沒有載重汽車的附加質(zhì)量的影響。仍用上述方法求出結(jié)構(gòu)的動力特性：固有頻率,f,0,=4.63 Hz,對數(shù)衰減率,δ=0.062,阻尼比,D=0.096,在實測的共振曲線上也可推算阻尼比，如圖。具體作法是取,Y,max,/2,值作一水平線，同曲線相交于,A,，,B,兩點，其對應(yīng)的橫坐標(biāo)為,ω,1,，,ω,2,，即阻尼系數(shù),,阻尼比式中：ω0——結(jié)構(gòu)的固有頻率。振型的測定結(jié)構(gòu)的振型是結(jié)構(gòu)相應(yīng)于各階固有頻率的振動形式，一個振動系統(tǒng)振型的數(shù)目與其自由度數(shù)目相等。采用共振法測定振型時，將假設(shè)干傳感器安裝在結(jié)構(gòu)各有關(guān)部位，當(dāng)激振裝置激發(fā)結(jié)構(gòu)共振時，同時記錄結(jié)構(gòu)各部位的振幅和相比，比較各測點

44、的振幅及相位便可繪出振型曲線。傳感器的測點布置視結(jié)構(gòu)型式而定，一般要根據(jù)理論分析，估計振型的大致形狀，然后在變位較大的部位布點，以便能較好地連接出振型曲線。,圖,2.3.43,橋梁動載試驗實測記錄曲線,圖,2.3.44,具有分布質(zhì)量的各種梁的振型,振型的測定一般采用兩種方法。一是在結(jié)構(gòu)上同時安裝許多傳感器；另一種方法只用一個傳感器，測試時要不斷改變它的位置，以便測出各點的振幅。結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的測定在動力荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)某些部位的振動參數(shù)如振幅、頻率、位移、應(yīng)力等的測定，可根據(jù)試驗的具體要求和結(jié)構(gòu)的型式布置測點，采用適當(dāng)?shù)膬x表進(jìn)行測試。為了測定沖擊系數(shù)，應(yīng)使車輛荷載以不同的速度駛過橋梁，并逐次記錄跨中撓度的時歷曲線，如下圖。按沖擊系數(shù)的定義有：,式中：,Y,dmax,——,最大動撓度值；,Y,smax,——,最大靜撓度值。,圖,2.3.45,移動荷載作用下結(jié)構(gòu)變形曲線,在圖中，可從光線示波器所記錄的曲線上直接量取Yd值和Ys值，那么活荷載的沖擊系數(shù)〔1+μ〕值為：,圖,2.3.46,汽車過橋時結(jié)構(gòu)振動圖形,,習(xí)題,3.19,圖示,習(xí)題,3.20,圖示,習(xí)題,3.21,圖示,習(xí)題,3.22,圖示,習(xí)題,3.23,圖示,習(xí)題,3.39,圖示,,習(xí)題,3.40,圖示,