公路桥梁荷载试验研究.docx

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公路桥梁荷载试验研究

目录

摘要II

1绪论1

1.1公路桥梁荷载研究的重要性1

1.2国内外公路桥梁荷载试验研究的发展1

1.3本文主要工作2

2公路桥梁荷载试验的作用及分类3

2.1公路桥梁荷载试验的作用与目的3

2.2桥梁荷载试验分类3

3荷载试验的方法5

3.1动载试验5

3.2静载试验9

4白马湖朝阳河桥预应力混凝土板梁静载试验15

4.1工程概况及试验目的15

4.2准备工作15

4.3试验方案的确定16

4.4试验过程21

4.5试验成果的整理以及分析22

4.6主要技术结论39

5总结与展望40

5.1总结40

5.2展望40

参考文献42

致谢词43

摘要

近几十年来，中国的桥梁建设突飞猛进，城市中大跨桥梁、立交工程和复杂高架桥梁大量涌现。

检验桥梁结构特性及其工作状态是否符合设计标准和使用要求，以保证桥梁今后的安全运营，需要对已建成桥梁进行荷载试验。

通过荷载试验为桥梁结构设计提供参考依据，是桥梁建设中必不可少的一个重要环节。

荷载试验是鉴定桥梁承载能力的一种最直接、最有效的方法。

其包括静力荷载试验与动力荷载试验两部分。

一般只做静载试验，必要时增做动载试验，提供辅助性评定指标。

本文就对动静荷载试验进行详细的阐述。

关键词：

桥梁，检测，荷载试验，动静载

Abstract

Inrecentdecades,China'sconstructionofthebridgebyleapsandbounds,citiesacrossthebridge,theoverpassprojectandcomplexelevatedbridgearash.Thebridgestructurecharacteristicsandworkinspectionstateisinaccordancewiththedesignstandardanduserequirement,inordertoensurethesafeoperationofthebridgeinthefuture,needtoloadtestbridgehasbeenbuilt.Throughtheloadtestforthebridgestructuredesignprovideareferencebasis,theconstructionofthebridgeisnecessaryinaveryimportantpart.Loadtestappraisalofcarryingcapacityofbridgeisoneofthemostdirect,themosteffectivemethod.Itsincludingstaticloadtestanddynamicloadingtesttwoparts.Oftendostaticloadtestand,whennecessary,dothedynamicloadtests,provideauxiliaryevaluationindex.Thisarticleistoloadtestforthedetailedmovementinthispaper.

Keywords:

Bridges,detection,loadtest,static,dynamicloadandstaticload.

1绪论

1.1公路桥梁荷载研究的重要性

　　公路桥梁工程，相对于其它基础工程,其具有高造价，大投资，巨大的社会效益等特点。

所以竣工验收时对桥梁工程内在质量进行评判最有效直接的方法是怎样去保证桥梁工程的施工质量和勘察设计,同时也为经验积累、施工设计和技术总结,为提高桥梁工程设计总体水平创造条件,为今后桥梁的养护工作提供科学、有效的依据。

桥梁荷载试验是在强化管理、质量监督、施工等相关程序的前提下,对一些形式新颖、隐蔽工程、影响力大的桥梁进行整体的实际荷载试验,桥梁荷载试验是确保桥梁工程质量的一件十分重要的工作。

[1]

1.2国内外公路桥梁荷载试验研究的发展

国外对公路桥梁荷载试验研究的一些新发展在美国，对其承载力的评估已引起世界性关注。

1980年，英国工程师协会发表了《既有桥梁结构的评估》，1981年，经济合作与发展组织召开了三次桥梁管理国际会议，此外，还有不少相关会论文和设计规范的桥梁评估或文件。

每年有大量的桥梁急需维修，为了确保桥梁的维修经费的合理利用，美国公路管理局采用一种贝叶斯预测技术，将以前的检测数据和工程判断组合起来，可清楚的考虑到测量的错误，将建立在工程估价和先前的经验信息上融入到未来的混凝土桥梁的管理系统中的架构中。

[2]美国公路管理局和早已开始对美国国内所有的桥梁建立基本数据建库，并可将以后的检测所获得的数据不断的更新数据库中的内容。

美国AASHTO已建立起“DATAPAVE路面长期管理使用性能数据库管理系统”，相信不久其相应的数据库也将建立起来。

与世界先进化水平相比，我国公路桥梁荷载试验研究方面的工作还存在一定的差距，主要表现设计理论还不够先进，评估体系还不够健全，评估方法还有待于完善。

近年来，我国也积极开展桥梁方面的评估工作，逐步积累资料和经验，公路桥梁已颁布基于技术规范的桥梁承载能力鉴定文件，而且，现在正在编写《城市桥梁抗震设计规范》。

随着我国经济高速发展，公路桥梁在构造形式上不断的更新，在结构上趋于轻型、大跨度化。

这需要我们进一步对公路桥梁的检测水平、检测方法、进行完善和提高。

根据国家规范对公路桥梁荷载的分析，制定公路桥梁荷载试验方案。

[3]

我国公路桥涵车辆荷载标准经历过套用美国标准，参照苏联标准，到第一次拟订反映我国实际情况的车辆荷载标准的历程。

文革后，我国先后颁布了三本规范，分别是：

1975年试行的《公路桥涵设计规范》（适用一75）（简称75规（简称75规范）、1989年执行的《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021一1989）（简称89规范）、2004年实施的《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60一2004）（简称04规范）。

其主要依据仍然是1985年德国柏林国际会议上通过的《大跨径混凝土桥梁的试验方法草案》和交通部1988年颁布的《公路旧桥承载能力鉴定方法》（试行）。

1.3本文主要工作

本文首先通过对公路桥梁荷载试验的总体认识，掌握公路桥梁动静载试验的程序、方法、内容，然后主要研究某预应力混凝土板梁静载方案设计和试验。

简支梁桥是梁式桥中应用最早，使用最广泛的一种桥型。

它受力简单，梁中只有正弯矩，是适用于简单截面梁构造的桥梁形式；体系温变、混凝土收缩徐变、张拉预应力等均不会在梁中产生附加内力，设计计算方便，最易设计成各种标准跨径的装配式结构。

所以研究板梁静载试验有重要意义，为研究其他复杂桥梁也提供了一定的参考。

2公路桥梁荷载试验的作用及分类

2.1公路桥梁荷载试验的作用与目的

影响桥梁工程质量的因素主要是设计理念，建筑材料，施工技术和自然条件等因素,在操作过程中,人们一般采取模型试验、成桥后的动静载试验等来检测桥梁工程的质量。

桥梁荷载试验的作用和目的,是在试验荷载作用下，利用对桥梁结构直接加载后进行有关的分析，测试和记录工作,主要包括试验准备、理论计算、整理等等相关的工作,达到了解

和检测桥梁结构的实际工作状态和实际使用状况。

[4][5][5]其作用可以分为一下三点：

（1）检验桥梁设计与施工的质量

对于一些新建的大、中型桥梁或者具有特殊设计的桥梁，在设计施工过程中必然会遇到许多新问题，为保证桥梁建设质量，施工过程中往往要求做施工监控。

在竣工后一般还要求进行荷载试验，以检验桥梁整体受力性能和承载力是否达到设计文件和规范的要求，并把试验结果作为评定工程质量优劣的主要技术资料和依据。

（2）判断桥梁结构的实际承载力

旧桥由于构件局部发生意外损伤，使用过程中产生明显病害，设计荷载等级偏低等原因，有必要通过荷载试验判定构件损伤程度及承载力、受力性能的下降幅度，确定其运营荷载等级。

同时，旧桥荷载试验也是改建、加固设计的重要依据。

（3）验证桥梁结构设计理论和设计方法

对于桥梁工程中的新结构、新材料和新工艺，应通过荷载试验验证桥梁的计算图式是否正确，材料性能是否与理论相符，施工工艺是否达到预期目的。

　　所以，通过桥梁荷载试验,可以解决对于采用新材料、新方法、新工艺、新构造等条件修建的桥梁,还有很多比如结构的材料性能、反应动力等不能构建与其相对应完善的计算模型,或数学模型和实际构造之间的差距等问题，通过桥梁荷载试验可以直接算得理论分析和计算的有关参数，了解相关桥梁结构在荷载条件下的具体工作受力状况，研究桥梁结构受力的基本规律和相关检验是否符合国家标准的设计要求,为进一步发展桥梁设计的计算理论及施工技术奠定了科学的理论基础。

　　同时桥梁荷载试验也是对新完工的桥梁竣工验收及质量评定的重要方法,特别是大跨度、复杂结构的桥梁。

相对于已有桥梁,尤其是建造时间较长，已无法查到桥梁原始设计、施工和竣工资料,采用桥梁荷载试验也可以估算其荷载能力和使用状况,为已有桥梁的进一步安全使用、养护管理、限载或改建提出了科学的依据。

所以桥梁工程的成功发展,相关试验技术的进步和发展也起着重要的作用。

[7]

2.2桥梁荷载试验分类

桥梁荷载试验主要有动载试验和静载试验。

（1）动载试验主要是通过对结构进行脉动测试、汽车的行车、跳车、刹车激振或共他方式的激振试验测试桥梁结构上各控制部位的动挠度、功应变、模态参数（自振频率、振型、振型阻尼比、应变模态），然后通过模态参数识别结构的损伤。

[8]

（2）静荷载试验是指在静止的荷载影响下，在桥梁的其中一个指定位置检测桥梁结构的静力应变，位移和裂缝等相关参数,进而推测出在静荷载影响下桥梁结构的使用性能和工作能力的试验。

静载试验的加载过程由零开始逐渐增加到预定的荷载为止，一般通过重力或其它类型的加载设备来满足和完成加载。

桥梁荷载试验中最常用、最基本的基础试验就是静载试验，由于当桥梁结构工作时所承受的荷载是静力荷载,其中桥梁结构的自重也是静力荷载,甚至在设计计算时随时间而变的移动车辆荷载通常也作为静力荷载来考虑，即使是在进行桥梁结构动力试验时,一般也要先进行静荷载试验,以测定结构的相关参量，因此静载试验是了解桥梁结构特性的重要方法和途径。

[8]

3荷载试验的方法

3.1动载试验

3.1.1动载试验方法

（1）自振特性测试

选择脉动试验，即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，采用环境随机振动法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振动响应，以分析桥跨结构的自振特性。

（2）无障碍行车试验

采用两辆不同载重汽车，分别以不同的车速通过桥跨结构，测试桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应。

[9]

3.1.2动载试验的内容

一般来说，桥梁动荷载试验项目有如下几项：

（1）桥梁结构动力反应的试验测定，主要是测定桥梁结构在动力荷载作用下的反应，即结构在动载作用下强迫振动的特性，包括动位移、动应力、动力系数等。

试验时，一般利用汽车以不同的速度通过桥跨而引起的振动来测定上述各种数据。

（2）测定桥跨结构的自振特性，如自振频率、振型和阻尼特性等，应在结构相互连接的各部布置测点，如悬臂梁与挂梁、上部结构与下部结构、行车道梁与索塔等的相互连接处。

（3）测定动荷载本身的动力特性，主要测定引起桥梁振动的作用力或振源特性，如动力荷载（包括车辆制动力、振动力、撞击力等）的大小、频率以及作用规律。

动力荷载大小可通过安装在动力设备底架连接部分的荷重传感器直接测量记录，或以测定荷载运行的加速度（或减速度）与质量的乘积来确定。

（4）疲劳性能试验，主要测定结构或构件的疲劳性能。

大多数情况下，动载试验内容偏重于上述

（1）、

（2）两项内容；对于铁路桥梁，第（3）项内容要实测机车在桥上的制动力与旅客舒适度有关的列车过桥联合振动的动位移和动应变的时程曲线；对于第（4）项内容一般只在实验室对桥梁构件进行疲劳试验，在现场只对准备拆除的桥梁进行疲劳度试验，但可对现有的桥梁进行营运车辆荷载下的疲劳度性能进行长期观测。

[10]

3.1.3动载试验的程序

动载试验的程序与静载试验的基本相同，动载检定试验的荷载，一般可采用如下方式。

（1）检验桥梁受迫振动特性的试验荷载，通常采用接近运营条件的汽车、列车或单辆重车以不同车速通过桥梁，要求每次试验时车辆在桥上的行驶速度保持不变，或在桥梁动力效应最大的检测位置进行刹车（或起动）试验。

（2）进行特殊检定项目，如进行模拟船舶撞击桥墩、汽车撞击防护构造和弹药爆炸等冲击荷载试验。

（3）桥梁在风力、流水撞击和地震力等动力荷载作用下的动力性能试验，只宜在专门的长期观测中实现。

（4）测定桥梁自振特性可利用环境激振进行脉动测试。

（5）疲劳试验荷载室内试验可采用液压脉动装置，现场试验可采用起振机。

[10]

3.1.4桥梁结构动载试验的方案设计

动载检定试验前，应编制试验方案，其主要内容为：

（1）试验目的、试验项目、试验工况编号、仪器设备准备等。

（2）根据试验目的和要求，确定测试项目、数量、激振安排，设计测点布置，每一测点均应有编号，测点布置应有总图。

（3）根据实验项目和激振及一起设备绘制测试系统工作方框图，按照系统配置情况将测点号、传感器号、放大器号、记录器号、连接导线号等，一一对应列成表格，便于仪器安装和测试过程中的校对。

（4）制定试验日程，明确人员分工，使检定测试过程做到统一指挥、有序进行。

（5）为保证测试工作顺利和正常进行，应对联络方式、安全措施和有关注意事项等作出规定。

[10]

3.1.5准备工作

动载检定实验前，首先应按照试验方案进行准备工作，其内容包括：

（1）搜集被检桥梁有关的设计资料和图纸，详细研究，慎重选择或确定试验荷载。

（2）现场调查桥上和桥两端线路状态、线路容许速度、车辆和列车实际过桥速度和其他激振措施状态。

（3）了解有关试验部位情况，以确定测试脚手架搭设位置、导线的布设方法及仪器安放位置。

（4）对拟测试的项目和测试断面，应按实际荷载和截面尺寸预先算出应力、位移、结构自振频率等，以便及时与实测值进行比较。

3.1.6测试工作内容

在跑车、跳车、刹车和脉动等动载检定试验中的测试工作内容如下：

（1）跑车

动载检定试验一般安排标准汽车车列（对小跨径桥也可用单排车），以不同车速做跑车试验，跑车速度一般定为5、10、20、30、40、50、60（km/h）。

当车在桥上时为车桥联合振动，当车跨出桥后为自由衰减振动。

对铁路桥跨结构，同样应安排以一定轴重装载的列车，以不同车速过桥，应测量不同行驶速度下控制断面（一般取跨中或中支点处）的动应变和动挠度，以记录时间一般不少于0.5h或者以波形衰减完为止。

测试时需记录轴重、车速，并在时程曲线上标出首车进桥和尾车出桥对应时间。

动载测试一般应测试三组，在临界速度可增跑几趟，全面记录动应变和动位移。

[11]

（2）跳车

在预定激振位置设置一块15cm高直角三角木、斜边朝向汽车。

一辆满载重车以不同速度行驶，后轮越过三角木由直角边落下后，立即停车。

此时桥跨结构的振动是带有一辆满载重车附加质量的衰减振动。

在数据处理时，附加质量的影响应予以修改。

跳车的动力效应与车速和三角木放置的位置有关。

随车速的增加，桥跨结构的动位移、动应力会增加，从而冲击系数会加大，跳车记录时间与跑车相同

（3）刹车

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。

刹车试验是以进行车辆突然停止作为激振源，可以不同车速停在预定位置。

刹车可以顺桥向和横桥向。

一般横桥向由于桥面较窄难以加速到预定车速。

刹车试验数据同样需要进行附加质量影响的修正。

经由刹车的位移时程曲线可读取自振特性和阻尼特性数据。

不过此时是有车的质量参与衰减振动，阻尼也非单纯桥跨结构的阻尼。

刹车记录项目与跑车相同，对记录的信号（包括振幅、应变或挠度等）进行频谱分析，可以得到相应的强迫振动频率等一系列参数。

（4）脉动试验

当桥跨结构无车辆通过时，桥跨结构处于环境激振之下，做振幅微小的震动脉动测试需要记录脉动位移或加速度，将记录的信号在高精度的信号分析仪上进行频谱分析，以便得到频谱图。

将频谱分析的数据再结合跑车、跳车刹车等的测试数据，综合分析便可得到精确而真实的桥跨结构自振特性数据。

脉动测试要求高灵敏度的传感器和放大器，同时要具备质量较高的信号分析设备及其相应软件。

脉动法记录时间不宜小于2h，大跨径桥梁测试断面多，对其可分断面记录，但每次应保证有一定参考点不动。

3.1.7测点布置

根据试验方法，车辆试验的测试截面一般选择在活载作用下结构应变最大的位置，根据桥梁结构的弯矩包络图特点，车辆激励试验观测断面布置在11号和12号墩间跨中附近。

动应变采用美国BDI桥梁诊断测试系统（如图3-1~3-2所示）进行测试，测点如图3-3所示。

图3-1动应力测试传感器

图3-2美国BDI数据采集系统

图3-3动应力测试传感器布置图

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，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测

得结构的自振频率和阻尼比等动力学特征。

加速度传感器在桥面横向布置在桥面两侧，测点布置如图3-4所示。

图3-4脉动试验传感器桥面纵向布置示意图

3.2静载试验

3.2.1试验前的理论分析

在试验前应按照设计图纸对桥梁进行结构分析，以便确定试验方法、荷载大小、测点布置等。

[11]

（1）各梁（板）横向分布系数的计算

首先，应依照设计图纸计算出各主梁（板）的截面几荷特征值如面积、截面抗弯（抗扭）惯矩、主梁每延米抗扭惯矩，中性轴位置等。

（采用毛截面或换算截面均可，依据以往经验，由二者计算出的横向分布系数的差异很小，可不予考虑。

）

然后，根据梁（板）间的组合情况选用横向分布系数的计算方法，如示例中的桥梁可采用G－M法、刚性横梁法或二者同时采用，取用最不利的情况，而如果是空心板桥则应采用铰接板法。

在横向分布系数得出后，综合考虑预制梁的情况（中、边梁的预制宽度，截面几何特征值等），取用最大的横向分布系数，留待下一步分析时采用。

（2）计算二期恒载＋活荷载的各项内力

由于试验时，预制梁已成形且钢束张拉完毕，即一期恒载已加载完成，所以计算的各项内力应是二期恒载＋活载形成的，其中包括主梁（板）间的湿接缝（铰缝）、桥面系、活载、冲击荷载、温度力、混凝土收缩徐变等，且各项荷载间应进行荷载组合，选取最不利组合计算其控制截面的弯矩、剪力等各项内力，但此内力值为全桥建成后主梁（板）全截面承受的二期恒载＋活载内力值，而在某些情况下，预制梁比成桥时的截面尺寸要小（如示例中的主梁间有湿接缝），截面几何特征值也要小一些，因此，应将内力值按照各相关公式中预制梁与成桥后主梁全截面的截面几何特征值的关系进行修正，然后取用修正值做试验的基础数据。

3.2.2试验前的准备工作

（1）试验梁的选择：

首先，应根据前一步计算结果，综合比较中、边梁（板）的内力及换算截面几何特征值，初步确定试验的主梁（板）的类别。

其次，应着眼于成桥后运营的安全，会同业主、设计、监理、施工有关方面，依据施工情况及有关资料，选用施工质量最差，成桥后最不安全的梁（板）做为试验梁（板）。

[12]

（2）试验方案

依据前面理论分析中得出的预制梁（板）的控制内力值，综合考虑试验现场的实际情况及施工单位的实际配合能力，本着安全、经济、高效的原则，选用试验中的加载（卸载）方案、测点布置、试验步骤、试验临时支座设置。

1）加载（卸载）方案：

可采用贝雷梁、横系梁加载，也可直接用龙门架吊装另一片预制梁将其一端通过油压千斤顶架设在试验架上，如荷载仍不足，可往上加载梁堆放重物。

相比较而言，前两者造价较高，准备时间较长，后者经济性好，准备时间较短而常被采用，示例中采用横梁加载，在江西省南昌县武谢大桥单梁静载试验中即采用最后一种方法。

2）加载位置及加载力的大小

一般可采用一个（或两个）大吨位油压千斤顶（可量程）进行加载，千斤顶下一般垫有枕木或砼块。

一但加载的位置确定，即可由控制内力计算加载力的大小，示例中试验采用两个油压千斤顶均距离跨中1.5M处加载。

如附图一：

从安全角度考虑，且为使试验数据与理论值的比较更为科学合理，试验荷载应逐级加载。

另外由于成桥后可能出现超载现象，在试验中应加载超出控制内力得出的荷载20％为宜（示例中即计划如此，因故示实施），分级可按20％、15％、10％的增量逐步设置，卸载时也应逐级减小，但分级可相应减少。

3）各截面在试验荷载下应力、应度、挠度、梁端角位移的计算。

在确定试验的加载方案后，即可按加载步骤计算出各级荷载下各控制截面的各项内力，然后由内力及换算截面几何特征值等计算出各截面的上下缘应力、挠度等，再可由应力应变间的关系推算各点理论应变值（一般近似认为梁（板）的某个截面为均质弹性变形，因此有了截面上、下缘应变值及中性轴位置等可推算出该截面各点应变值）。

如示例中的桥梁在未开裂的预应力混凝土构件中各截面的应力计算可由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第5.2.15条计算，公式如下：

σ=N/A0±M×y/I0（3.1式）

式中：

N、M—计算的纵向力和弯矩

A0、I0—构件换算截面面积和惯性矩

y—应力计算点到中性轴的距离

由于试验中预应力施加的纵向力已加载完毕，试验梁无纵向力，则得：

σ=±M×y/I0（3.2式）

而由下列公式可计算出各点的混凝土应变：

ε=σ/E（3.3式）

式中：

E—混凝土弹性模量

挠度的计算公式主要参考材料力学中的相应公式：

f=ML/12EI0（3.4式）

式中各参数同上。

主拉应力的最不利斜截面（一般在支点附近）可由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第5.1.11条进行计算，在计算出该截面位置及相应的弯矩、剪力等内力后可计算出该截面的理论值。

有了理论挠度值以后，可由几何关系推算梁端角位移。

4）测点位置及临时支座的设置

①应变测点：

一般1/4跨、跨中、3/4跨截面的控制内力为弯矩，而支点附近处为主拉应力，因此，应变测点在以上各截面上的位置和布置方式有所不同，前者应测出竖直截面上各点应变，所以应沿竖直方向在梁（板）两侧均匀布置五个（或五个以上）应变测点，后者则应在沿主拉应力最不利截面垂直于截面布设3~5个应变测点，以检测该斜截面的主拉应力是否在容许范围内。

②挠度测点：

在检测各控制截面的挠度时，可在截面下缘设置1－2个挠度测点，由于试验过程中支点处也会有沉降，因此在支点下缘应同样设置沉降测点。

③梁端角位移可沿梁端面在一定距离上、下布置两个测点。

④试验中临时支座的设置：

临时支座应在支座中心线处、考虑到试验中荷载较大，应采用强度较高的材料制成（如砼块），或直接放置设计支座，且临时支座顶面应水平、清洁。

5）试验器材的选用

试验器材应尽量采用较成熟可靠、采购方便或已有的设备。

①梁（板）各控制截面应变值的检测现多采用应变片贴附在测点处，用应变计读数仪采集数据。

②各截面挠度、梁端角位移的测定可用千分表、位移计等。

③荷载加载力的大小可由有量程的油压千斤顶