第三分册桥梁荷载试验.docx

1、第三分册桥梁荷载试验第三分册 桥梁荷载试验1.目的 为确保本公司桥梁荷载试验按规定的程序进行，确保检测过程安全，准确测试桥梁的荷载能力，特编制本作业指导书。2.适用范围 适用于本公司承担的桥梁静载和动载试验任务。3.依据3.1公路工程技术标准（JTG B01-2003）3.2公路桥涵养护规范（JTG H11-2004）3.3公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）3.4公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）3.5公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T J21-2011)3.6大跨径混凝土桥梁的试验方法（YC4-4/1982）3.7公路桥梁技术状况评定标准（JTG/T H21

2、-2011）4.职责4.1 技术负责人负责审核作业指导书；4.2桥隧检测部部长4.2.1负责组织编制本作业指导书；4.2.2负责监督相关人员按作业指导书认真操作。4.3检测人员负责严格按作业指导书的有关要求认真操作，确保检测结果的准确性和有效性。5.工作程序及内容5.1分析计算荷载试验分析主要有以下几点：1.全桥结构分析模型的建立；2.设计荷载效应计算及试验荷载确定；3.试验荷载效应计算；4.桥梁动力分析；5.测试数据分析；6.校验系数分析；7.动力参数分析；8.结构评价分析。5.2模型计算5.2.1 Midas模型计算步骤5.2.1.1 建立新项目，更改单位5.2.1.2 定义材料、截面、钢

3、材导入截面需先将CAD文件先转化为DXF文件，再将DXF文件在Midas中转化为SEC文件（“工具”“截面特性计算器”），最后导入截面。5.2.1.3 建立节点5.2.1.4 建立单元5.2.1.5 定义边界条件5.2.1.6 添加荷载1.定义自重先选中模型，“荷载”“自重”将Z坐标改成-1-适用。2.车道荷载移动荷载规范改为：China车辆移动方向：向前修改偏心距离、桥梁跨度车辆荷载改为：CH-CD车辆组荷载：添加车道荷载的相对应名称3.预应力荷载添加名称、类型、材料、面积、抗拉强度标准值、钢束形状；根据设计资料填写钢束、张拉情况，张拉开始结束位置。5.2.1.7 频率分析结构类型按集中质量

4、计算5.2.1.8 运算、查询结果查询出相应测试断面的应变、应力、挠度、自振频率等。5.3荷载试验加载车辆的要求根据试验目的，本次荷载试验以汽超-20级、挂-120作为基本的荷载标准，以此为基础布置试验荷载。本桥荷载试验拟采用300kN汽车进行加载，车重可根据结构的现场测试数据进行调整。5.4静载试验5.4.1桥梁静载试验是将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置，测试结构的静应变、静应力以及静位移等，以桥梁结构实际工作状态与设计期望值是否相符，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。5.4.2为了较为直观的反映桥梁结构的使用性能，静载试验采用现场试验方法。在试验之前应进行相关的理论分析，

5、在此基础上制定周密的实施方案。理论计算结果亦可以作为衡量现场试验结果的理论依据。5.4.3静载试验针对主要受力构件、桥面板、桥墩盖梁和桥墩进行，试验工况设计：5.4.3.1工况一：主要受力构件控制断面中载（纵桥向按控制断面弯矩和挠度的最不利位置布载，横桥向为中载 ）； 5.4.3.2工况二：主要受力构件控制断面偏载（纵桥向按控制断面弯矩和挠度的最不利位置布载，横桥向为偏载 ）； 5.4.3.3具体的测试断面布置：应变测试截面为试验跨的支点截面、L/4、跨中截面；挠度测试截面为试验跨的支点截面、L/4、跨中、3L/4截面。静载试验仪器采用江苏东华的DH3816静态测试分析系统，如下图所示。 图4

6、-12 DH3816静态测试分析系统5.4.4静载测试内容与测点布置5.4.4.1应力测点布置主要受力构件的测试断面进行应变布点。5.4.4.2挠度测点布置挠度测点为测试断面的上下游侧。5.4.5 静载试验方法5.4.5.1静力试验荷载采用汽车计算后重量进行加载。所需车载重量，根据设计控制荷载产生的该检验项目(内力和位移等)的最不利效应值，以满足下式所定原则等效换算而得：式中， 为静力试验荷载效率；Sstate为试验荷载作用下某一检验项目最大计算效应值；S为设计控制荷载作用下该检验项目的最不利计算效应值； 为规范采用的冲击系数。5.4.5.2根据设计荷载计算各控制截面的弯矩，并依此进行试验荷载

7、设计。各试验截面的计算弯矩、试验弯矩及相应的荷载系数待定，见表4-2。荷载效率系数应满足试验方法规定的0.951.05的范围。 表4-2 各试验截面计算弯矩、试验弯矩及荷载效率系数 弯矩kN-m试验截面试验弯矩MS计算弯矩MJ效率系数A-AB-BC-CD-D5.4.5.2 试验加载方式与加载分级为了获得结构试验荷载与变位关系的连续曲线和防止结构意外损伤，每一检验项目静力试验荷载分成预加载和2级加载，两级卸零。加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后逐级卸到零级荷载。静力试验荷载的加载分级，主要依据试验加载车在某一检验项目(内力或位移)影响面内纵横向位置的不同以及加载重量多少而分成设计控制荷载产生

8、的该检验项目最不利效应值的60%和100%。对同一加载截面，先分级加载，横向对称加载；每个工况进行重复加载。5.4.5.3 试验加载位置与加载工况加载位置与加载工况确定主要依据的原则是：尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率，同时应考虑简化加载工况，缩短试验时间，在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况依据某一检验项目为主，兼顾其它检验项目。具体的试验荷载是根据各个控制截面的设计弯矩，通过等效的试验车辆荷载加载到相应位置来实现的，静载加载各工况加载布置待定。5.4.5.4试验加载程序1.零载工况PB-1-1PB-1-2B-1-3回02.零载工况PB-2-1 PB-2

9、-2B-2-3回0；3.其他工况基本同步骤12。5.4.5.5 静载试验数据测试方法1.应力测试，采用在试验截面粘贴混凝土应变片(阻值120W)测试混凝土应变/应力，并通过不同位置补偿点实现对环境温度等因素的补偿，应变采用数字应变仪自动采集存储。2.变形测试，采用全站仪测量主要受力构件八分点挠度测点的竖向变形。3.温度测量，采用红外温度测试仪测量主要受力构件表面的温度及环境温度。5.4.5.6静载试验数据处理及测试流程为实现对加载试验的实时控制，保证结构安全，在试验过程中及时地将实测控制数据及应力、挠度等换算处理，并与试验设计计算值进行比较，以判断试验荷载下的结构工件作性能。按工况并以轮位图加

10、载，测量各类数据、应力、挠度等。采用首先用40%试验荷载预载，然后按级加载。应力及挠度测试流程图分别见图4-15、图4-16。图4-15 应力测试流程 图4-16 挠度测试流程5.4.5.7静载试验规划1.静力试验应选择在气温变化不大（T1）和结构温度趋于稳定的时间间隔内进行。试验过程中在量测荷载作用下结构响应的同时应对应地测量结构表面温度。2.观测脚手架搭设及测点附属设施设置脚手架的搭设要因地制宜、牢固可靠，方便布置安装观测仪表，同时要保证不影响仪表和测点的正常工作，且不干扰测点附属设施。在不便搭设固定脚手架的情况下，可考虑采用轻便灵活的吊架、挂篮或专用的桥梁检查设备（检查车、检查架等）。在

11、安装挠度、水平位移等测点的观测仪表时，一般需要设置木桩、支架等测点附属设施。测点附属设施除要满足仪表的安装要求外，还应保证其自身不受被测试结构变形、位移的影响，并能承受试验时可能产生的其它外界干扰，如试验人员行走等。阳光直射的应变测点，应设置遮挡阳光的设施，以减少温度变化造成的观测误差。观测脚手架与测点附属设施应分开搭设、互不影响。观测脚手架及测点附属设施应有足够的强度、刚度和稳定性，以保证测试人员的安全和测试结果精确可靠。3.正式加载试验前，先在各个试验截面处进行预加载试验，预加载试验荷载持续时间以不小于30分钟为宜。预加载的目的在于使结构进入正常工作状态以及检查试验测试系统装置和试验组织是

12、否能处于正常工作状态。4.加卸载的时间选择与控制。为了减少温度变化对试验造成的影响，加载试验时间以晚9时至晨6时为宜。尤其是采用重物直接加载，加卸载周期比较长，只能在夜间进行试验。对于采用车辆等加卸载迅速的试验方式，如夜间试验照明等有困难时，亦可安排在白天进行试验。但在晴天或多云的天气下进行加载试验时，每一加卸载周期所花费的时间不宜超过20分钟。5.加卸载稳定时间取决于结构变位达到稳定所需的时间。要求在前一荷载阶段内结构变位相对稳定后，方可进入下一荷载阶段。同一级荷载内，结构最大变位测点在最后5分钟内的变位增量小于第一个5分钟变位增量的15，或小于量测仪器的最小分辨值时，则认为结构变位达到相对

13、稳定。但当进行主要控制截面最大内力加载程序时，加卸载稳定时间应不少于15分钟。6.静力试验荷载持续时间，原则上主要取决于结构变位达到相对稳定所需要的时间，只有结构变位达到相对稳定后，才能进入下一荷载阶段。在进行各试验截面应力检验时，同一级荷载内，结构最大应变测点，在最后5分钟内的应变增量小于前一个5分钟应变增量的15%，或小于所用量测仪器的最小分辨值，即认为结构变位达到相对稳定。各个试验跨的静力试验荷载持续时间以不小于30分钟为宜。7.全部测点在正式加载试验前均应进行零级荷载的读数，对各控制截面应力检验时，对应变测点，以后每次加载后应立即读数一次，并在结构变位达到相对稳定后，进入下一级荷载前再

14、读数一次，只有对结构应变较大的测点，宜每隔5分钟观测一次，以观测结构变位是否达到相对稳定，并在加载或卸载完成30分钟后开始量测。8.若加载过程中，发生下列情况之一时应中途终止加载：控制测点应力或力值超过计算值，并且达到或超过按规范安全条件要求反算的控制应力或力值时；控制测点变位，如主要受力构件的竖向挠度、主塔的水平位移等，超过设计允许值时；结构构件出现受力损伤或局部发生损坏、开裂，影响桥梁承载能力和正常使用时。9.静载试验的加载控制与安全措施试验指挥人员在加载试验过程中应随时掌握各方面情况，对加载进行控制。既要取得良好的试验效果，又要确保人员、仪表设备及桥梁的安全，避免不应有的损失。应严格按设

15、计的加载程序进行加载，荷载的大小，截面内力的大小都应由小到大逐渐增加，并随时作好停止加载和卸载的准备。对加载试验的控制点应随时观测，随时计算并将计算结果报告试验指挥人员，如实测值超过计算值较多，则应暂停加载，待查明原因再决定是否继续加载。试验人员如发现其它测点的测值有较大的反常变化也应查找原因，并及时向试验指挥人员报告。加载过程中应指定人员随时观察结构各部位可能产生的新裂缝，注意观察构件薄弱部位是否有开裂、破损，组合构件的结合面是否有开裂错位，支座附近混凝土是否开裂，横隔板的接头是否拉裂，结构是否产生不正常的响声，加载时墩台是否发生摇晃现象等等。如发生这些情况应报告试验指挥人员，以便采取相应的

16、措施。试验过程中发生下列情况时应中途终止加载：控制测点应力值已达到或超过理论计算的控制应力值时；控制测点变位（或挠度）超过规范允许值时；5.4.5.8由于加载，使结构裂缝的长度，缝宽急剧增加，新裂缝大量出现，缝宽超过允许值的裂缝大量增多，对结构使用寿命造成较大的影响时；5.4.5.9桥梁加载时沿跨长方向的实测挠度曲线分布规律与计算值相差过大或实测挠度超过计算值过多时；发生其它损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。5.4.6静载试验结果分析5.4.6.1静载试验数据修正1.测值修正。根据各类仪表的标定结果进行测试数据的修正，如机械式仪表的校正系数，电测仪表的率定系数，灵敏系数，电阻应变观测的导线电

17、阻影响等等。当这类因素对测值的影响小于1%时可不予修正。2.温度影响修正。由于温度对测试的影响比较复杂，通常采取缩短加载时间，选择温度稳定性较好的时间进行试验等办法，尽量减小温度对测试精度的影响。需要时，一般可采用综合分析的方法来进行温度影响修正，即利用加载试验前进行的温度稳定观测数据，建立温度变化(测点处构件表面温度或空气温度)和测点测值(应变和挠度)变化的线性关系(温飘试验)，然后按下式进行温度修正计算： 式中，S温度修正后的测点加载测值变化；S温度修正前的测点加载测值变化；t相应于S观测时间段内的温度变化()。对应变宜采用构件表面温度，对挠度宜采用气温；Kt空载时温度上升l时测点测值变化

18、量。如测值变化与温度变化关系较明显时可采用多次观测的平均值。 式中，S空载时某一时间区段内测点测值变化量；t1相应于S同一时间区段内温度变化量。温飘试验方法：桥梁结构在空载状态下，对测试断面应力测定进行数据采集，并记录采集时刻的温度，采集时间间隔可为10分钟。通过数据处理，建立温度与时间、温度与测定应变之间的关系。试验中的应变数据根据温飘试验结果进行温度修正。3.支点沉降影响的修正。当支点沉降量较大时，应修正其对挠度值的影响，修正量C按下式计算： 式中，测点的支点沉降影响修正量：A支点到B支点的距离；挠度测点到A支点的距离；A支点沉降量；B支点沉降量。5.4.6.2各测点变位(挠度、位移和沉降

19、)与应变的计算1.总变位(或总应变)： 2.弹性变位(或弹性应变)： 3.残余变位(或残余应变)： 式中，加载前测值；Si加载达到稳定时测值；卸载后达到稳定时测值。5.4.6.3测点实测应力计算在单向应力状态下，测点应力可按下式进行计算： 式中，测点应力；构件材料的弹性模量；测点实测应变值。在主应力方向已知的平面应力状态下，测点应力可按下述公式进行计算： 式中，构件材料的弹性模量；构件材料的泊松比；、相互垂直的主应变；、相互垂直的主应力。5.4.6.4主要测点的校验系数及相对残余变形的计算1.对加载试验的主要测点(即控制测点或加载试验效率最大部位测点)可按下式计算校验系数： 式中，试验荷载作用

20、下量测的弹性变位(或应变)值；试验荷载作用下的理论计算变位(或应变)值。2.Se与Ss的比较，可用实测的横截面平均值与计算值比较，也可考虑荷载横向不均分布而选用实测最大值与考虑横向增大系数的计算值进行比较。横向增大系数最好采用实测值，如无实测值也可采用理论计算值。3.对加载试验的主要测点，应按下式计算其相对残余变位(或应变)： 式中，相对残余变位(或应变)，、意义同前。5.4.6.5试验曲线的整理1.列出各加载工况下主要测点实测变位(或应变)与相应的理论计算值的对照表，并绘制出其关系曲线。2.绘制各加载工况下主要控制点的变位(或应变等)与荷载的关系曲线。3.绘制各加载工况下控制截面应变(或挠度

21、)分布图、沿纵桥向挠度分布图、截面应变沿高度分布图等。5.4.6.6裂缝发展情况若存在裂缝，应进行观测，在测试截面拉应力较大时也应进行检查。1.当裂缝数量较少时可根据试验前后观测情况及裂缝观测表对裂缝状况进行描述。2.当裂缝发展较多时应选择结构有代表性部位描绘裂缝展开图，图上应注明各加载程序裂缝长度和宽度的发展。5.4.6.7挠度结果分析竖向实测位移与理论计算的比较，计算各工况两次加载实测竖向结果的平均值、理论计算值及结构校验系数。按照大跨径混凝土桥梁的试验方法(YC4-4/1982)，实测值与计算值进行对照，如满足规范限值要求，表明本桥的静载试验结果满足桥梁设计及检定规范的要求。5.4.6.

22、8应力结果分析按照大跨径混凝土桥梁的试验方法(YC4-4/1982)，实测值与计算值进行对照，如满足规范限值，表明本桥的静载试验结果满足桥梁设计及检定规范的要求。实测的结构或构件主要控制截面应变沿高度分布图符合平截面假定，实测的控制点变位或应变与荷载的关系曲线接近于直线，说明桥梁结构或构件处于良好的弹性工作状况。5.5动载试验5.5.1动载测试主要包括自振特性测试和行车激振试验。自振特性测试是测试主要受力构件的自振频率和振型。行车激振试验包括跳车试验和无障碍行车试验，分别模拟桥面有无损伤时桥面行车对桥跨结构的冲击作用。5.5.2自振特性测试方法是测试环境随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应

23、，并通过计算机记录并实施FFT信号处理分析出频域响应结果，并根据实测结果判断结构的动力特性是否满足规范要求，桥梁的实际状况是否达到设计要求。行车试验采用车辆以特定速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用于的动力响应。障碍行车(跳车)试验是在测试截面所对应的桥面上设置障碍物来模拟桥面铺装局部损伤状态，来测定桥跨结构在桥面处于不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应。由动态应变仪测试主要受力构件的动态应变，并由桥梁光电挠度仪测试主要受力构件的动挠度。5.5.3动载试验包括自振特性测试和行车激振试验。5.5.3.1.自振特性试验测定结构固有振动特性，包括桥跨结构频率、阻尼比和冲击系数。5.

24、5.3.2激振试验激振试验包括无障碍行车试验和跳车试验，主要针对主要受力构件结构的L/2截面、L/4截面进行。1.无障碍行车试验，主要测试各截面在行车(1040km/h)激振下的动应力和动挠度及动力增大系数(冲击系数)。2.跳车试验，主要测试各截面在跳车(520km/h)激振下的动应力和动挠度及动力增大系数(冲击系数)。动载试验仪器采用江苏东华的DH5920动态测试分析系统，如图4-13所示。 图4-13 DH5920动态测试分析系统 图4-14 BJQN-5A桥梁挠度仪5.5.4测试内容与测点布置5.5.4.1动载试验测试内容主要受力构件竖向、横向自振频率及振型、阻尼；速度为1060km/h

25、的测试断面的行车冲击系数；速度为540km/h、障碍物高度为7.5cm时，测试断面的跳车冲击系数。5.5.4.2动载试验测点布置动应力测点：在主要受力构件跨中、L/4断面布置动应力测点。动位移测点：在主要受力构件跨中断面布置竖向位移测点和横桥向位移测点。加速度测点：在主要受力构件跨中、L/4断面布置加速度测点，跨中测试断面布置两个测点，一个为横向，一个为纵向；L/4测试断面布置一个纵向测点。5.5.5 动载试验方法5.5.5.1 测试系统选择1.测试系统分为电磁式测试系统、压电式测试系统、电阻应变式测试系统或光电式测试系统。在选择测试系统时，注意测振仪器的技术指标，使传感器、放大器、记录装置组

26、成的测试系统的灵敏度、动态范围、幅频特性和幅值范围等指标满足被测结构动力特性范围的要求，测试仪表精度应不大于预计测量值的10。2.试验前，对测试系统进行灵敏度、幅频特性、相频特性线性度等进行标定。当采用分部标定法进行测试系统标定时，如分别标定传感器、放大器和记录仪的灵敏度为Ks、Kf、Kr，则测试系统总的灵敏度可按下式计算：K=KsKfKr (7.4-1)5.5.5.2 动载试验方法1.脉动试验在桥面无交通荷载、桥梁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、地脉动或水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应。脉动试验主要测定桥跨结构固有模态频率和临界阻尼比。2.无障碍行车试验在

27、桥面无任何障碍的情况下，用1辆重载汽车沿桥梁中心线，以5km/h、10km/h的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。动应力测点图4-17 行车试验示意图3.跳车试验模拟桥面铺装局部损伤状态下，桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。其基本荷载及作用方法与无障碍行车试验相同；而模拟桥面铺装局部损伤的方法，是在桥跨结构桥面适当位置设置横断面为高7.5cm、底宽30cm的三角形木板制作的障碍物，实现对桥面损伤后凹凸起伏的典型化模拟。动应力测点图4-18 跳车试验示意图4.桥梁结构振型测定测定桥梁结构振型可采用下述两种方法中的一种：在所要测定桥梁结构振

28、型的峰、谷点上布设测振传感器(拾振器)，用放大特性相同的多路放大器和记录特性相同的多路记录仪，同时测记各测点的振动响应信号。将结构分成若干段，选择某一分界点作为参考点，在参考点和各分界点分别布设测振传感器(拾振器)，用放大特性相同的多路放大器和记录特性相同的多路记录仪，同时测记各测点的振动响应信号。5.结构冲击系数通过对动应力曲线的分析，计算车辆动力作用过程中，应力或应变响应均值与峰值过程，从而比较推求计算出测点应力的冲击系数。5.5.5.3动载试验数据处理方法1.拟采用脉动法或重车激振余振法进行自振频率测试，由加速度传感器作拾振器，经电荷放大，然后进行信号处理。通过对脉动及汽车过桥后的余振波

29、形进行谱分析，得到脉动时桥梁的自振频率及阻尼比。对过桥时及过桥后的波形进行谱分析，绘制典型的传递函数及相干函数分析曲线以及典型的竖向脉动幅值谱分析曲线。一般情况下，桥面系对竖向刚度的影响及桥梁顺桥向的约束作用较大。用余振波形分析得到的频率除顺桥向外，与脉动测试结果十分接近。2.动应力是根据静载试验结果，在各种车速及工况下进行试验；截面冲击系数采用动应力来换算；内力影响线测试、动态增大效应也采用动应力换算的方法进行。激振测试流程和数据处理流程分别见图2-19、图2-20。图4-19激振测试流程图4-20激振试验数据处理流程3.桥跨结构测点振动加速度，采用伺服加速度传感器，配伺服放大器由计算机记录

30、其输出信号。通过对拾振器及加速度传感器记录到的位移及加速度时程曲线进行峰峰值的扫描分析，求出桥梁结构的最大位移及加速度振幅。通过对各振动信号进行幅值与相位谱、功率谱、相干函数分析，得出桥跨结构的自振频率。通过对脉动波形及汽车过桥后的余振波形进行传递函数、相干函数及功率谱分析，得出各阶振动频率，并通过功率谱密度函数分析得出桥梁结构的振型。4.用动应变测得的桥梁冲击系数，如与设计值比较接近，则表明桥梁振动冲击效应满足设计要求。5.5.6动载试验资料的整理分析5.5.6.1.行车试验的动力试验荷载效率可按下式计算： 式中，动力试验荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值；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)。5.5.6.2实测的活载动力增大系数(1+)，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： 式中，在动力荷载作用下该测点最大挠度(或应变)值；相应的静载作用下该测点最大挠度(或应变)。 式中，Smin为与Smax相对应的最小挠度(或应变)值。5.5.6.3实测的活载冲击系数可按下式计算： 式中，、的意义同上。5.5.6.4根据不同车速的活载冲击系数或动力增大系数，绘制