道路與橋梁工程試驗(yàn)檢測技術(shù)第二篇第3章橋梁荷載試驗(yàn)

第3章橋梁荷載試驗(yàn)

3.1荷載試驗(yàn)的目的及主要內(nèi)容

荷載試驗(yàn)的目的

進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)橋梁整體受力性能和承載力是否到達(dá)設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)的要求，對于新橋型及橋梁中運(yùn)用新材料、新工藝的，應(yīng)驗(yàn)證橋梁的計(jì)算模式，為完善結(jié)構(gòu)分析理論積累資料。

荷載試驗(yàn)的主要內(nèi)容

荷載試驗(yàn)的主要內(nèi)容為：

①荷載試驗(yàn)的目的；

②試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作；

③加載方案設(shè)計(jì)；

④測點(diǎn)設(shè)置與測試；

⑤加載控制與平安措施；

⑥試驗(yàn)結(jié)果分析與承載力評定；

⑦試驗(yàn)報(bào)告編寫。

荷載試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作

荷載試驗(yàn)正式進(jìn)行前應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：

1〕試驗(yàn)孔〔或墩〕的選擇。選擇時應(yīng)綜合考慮以下因素：

①該孔〔或墩〕計(jì)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(diǎn)或便于實(shí)施加載。

2〕搭設(shè)腳手架和測試支架。

3〕靜載試驗(yàn)加載位置的放樣和加載位置的安排。

4〕試驗(yàn)人員組織及分工。

5〕其他準(zhǔn)備工作。

3.2加載方案和測點(diǎn)布置

加載方案與實(shí)施

〔1〕試驗(yàn)荷載工況確實(shí)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(yàn)荷載等級確實(shí)定

1〕控制荷載確實(shí)定

控制橋梁設(shè)計(jì)的荷載有以下幾種：

①汽車和人群〔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載〕；

②掛車或履帶車〔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載〕；

③需通行的特殊重型車輛。

2〕靜載試驗(yàn)效率

靜載試驗(yàn)效率為

式中：Ss——靜載試驗(yàn)荷載作用下控制截面內(nèi)力計(jì)算值；

S——控制荷載作用下控制截面最不利內(nèi)力計(jì)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(yàn)效率

動載試驗(yàn)效率為

式中：Sd——動載試驗(yàn)荷載作用下控制截面最大計(jì)算內(nèi)力值；

S——標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載作用下控制截面最大計(jì)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(yàn)荷載增加的變化關(guān)系，對橋梁荷載試驗(yàn)的各荷載工況的加載應(yīng)分級進(jìn)行。

1〕分級控制的原那么

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(yàn)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(jì)算。

〔4〕加載設(shè)備的選擇

靜載試驗(yàn)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。

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(jì)算法。

測點(diǎn)設(shè)置

〔1〕測點(diǎn)布設(shè)

1〕主要測點(diǎn)的布設(shè)。幾種常用橋梁體系的主要測點(diǎn)布設(shè)如下：

①簡支梁橋：跨中撓度，支點(diǎn)沉降，跨中截面應(yīng)變；

②連續(xù)梁橋：跨中撓度，支點(diǎn)沉降，跨中和支點(diǎn)截面應(yīng)變；

③懸臂梁橋：懸臂端部撓度，支點(diǎn)沉降，支點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和橋梁目前狀況等可適當(dāng)加設(shè)以下測點(diǎn)：

①撓度沿橋長或沿控制截面橋?qū)挿较蚍植迹?/p>

②應(yīng)變沿控制截面橋?qū)挿较蚍植迹?/p>

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(diǎn)。

3〕溫度測點(diǎn)的布設(shè)。

3.3靜載試驗(yàn)儀器設(shè)備

常用的儀器有百分表、千分表、位移計(jì)、應(yīng)變儀、應(yīng)變計(jì)〔應(yīng)變片〕、精密水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、傾角儀、刻度放大鏡等。

機(jī)械式位移計(jì)

機(jī)械式位移計(jì)包括百分表、千分表及張線式位移計(jì)和撓度計(jì)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(xiàng)

1)使用時，只能拿取外殼，不得任意推動測桿，防止磨損機(jī)件，影響放大倍數(shù)。注意保護(hù)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)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(jì)測撓度與變位

應(yīng)用位移計(jì)量撓度與變位時，應(yīng)注意以下問題：

1〕作為固定位移計(jì)的不動點(diǎn)支架必須有足夠的剛性。

2〕位移計(jì)測桿與所量測的位移方向完全一致。

3〕位移計(jì)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(jì)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(jì)應(yīng)變量測裝置。固定位移計(jì)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(bǔ)償〞。為了到達(dá)補(bǔ)償目的，根據(jù)量測的實(shí)踐，建議采取“橫向溫度補(bǔ)償法〞。在布置測應(yīng)變的測點(diǎn)的同時，在垂直方向布置測點(diǎn)，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(bǔ)償測點(diǎn)

測點(diǎn)a-a，b-b，c-c等分別為桿件應(yīng)變測點(diǎn)，d-d為溫度補(bǔ)償測點(diǎn)，它垂直于應(yīng)變測點(diǎn)，且在桿件中部。

當(dāng)對測點(diǎn)a-a，b-b，c-c進(jìn)行讀數(shù)時，也對測點(diǎn)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(diǎn)、截面

或支座處轉(zhuǎn)角。

圖2.3.9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(jì)〕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(jì)，簡稱應(yīng)變片或電阻片，有如下的一些優(yōu)點(diǎn)。

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(hù)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，一般用直徑約為0.15~0.30mm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

c.貼片。

d.枯燥固化。

e.應(yīng)變片的防護(hù)。

圖2.3.16應(yīng)變片防護(hù)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=120Ω、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=2×105MPa，當(dāng)某點(diǎn)應(yīng)力為100MPa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?yàn)镽1，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(jì)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)變電橋的測量方法有以下幾種：

①單點(diǎn)測量。單點(diǎn)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?yàn)榫茈娮琛拨3=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(diǎn)、自動測量、數(shù)字顯示和自動打印，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)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(yùn)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(diǎn)組成惠斯登橋路。

圖2.3.18YJS—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(jī)組成的一個計(jì)算機(jī)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(yùn)算和輸出。

〔3〕電阻應(yīng)變測量的溫度補(bǔ)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。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?yàn)椴牧吓c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(bǔ)償變片R2〔簡稱補(bǔ)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(shí)際工作中，為保證補(bǔ)償效果，對補(bǔ)償片的設(shè)置應(yīng)考慮如下因素：

①補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償片與工作片的位置應(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(bǔ)償片的數(shù)量多少，根據(jù)試驗(yàn)材料特性、測點(diǎn)位置、試驗(yàn)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(jì)。

YHD型位移計(jì)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(diǎn)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(yàn)

試驗(yàn)觀測與記錄

(1)溫度穩(wěn)定觀測

儀表安裝完畢后，一般在加載試驗(yàn)之前應(yīng)對各測點(diǎn)進(jìn)行一段時間的溫度穩(wěn)定觀測，中間可每隔10min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(jì)算。

〔3〕裂縫觀測

加載試驗(yàn)中裂縫觀測的重點(diǎn)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(shí)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

為控制加卸載穩(wěn)定時間，應(yīng)選擇一個控制觀測點(diǎn)〔如簡支梁的跨中撓度或應(yīng)變測點(diǎn)〕，在每級加載〔或卸載〕后立即測讀一次，計(jì)算其與加載前

〔或卸載前〕測讀值之差值Sg，然后每隔2min測讀一次，計(jì)算2min前后讀數(shù)的差值ΔS，并按下式計(jì)算相對讀數(shù)差值m：

〔3〕加載過程的觀察

加載試驗(yàn)過程應(yīng)對結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)位移〔或應(yīng)變〕、結(jié)構(gòu)整體行為和薄弱部位破損實(shí)行監(jiān)控，并將結(jié)果隨時匯報(bào)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)測撓度曲線分布規(guī)律與計(jì)算相差過大或?qū)崪y撓度超過計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)分析及橋梁承載能力評定

通過靜載試驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)、文字和圖像描述材料是荷載試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)分析

〔1〕試驗(yàn)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(yàn)前進(jìn)行的溫度穩(wěn)定觀測數(shù)據(jù)，建立溫度變化〔測點(diǎn)處外表溫度或空氣溫度〕和測點(diǎn)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(jì)算：

式中：S——溫度修正后的測點(diǎn)加載測值變化；

S′——溫度修正前的測點(diǎn)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(diǎn)測值變化量。

式中：ΔS——空載時某一時間區(qū)段內(nèi)測點(diǎn)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(diǎn)沉降影響的修正。當(dāng)支點(diǎn)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(jì)算：

式中：C——測點(diǎn)的支點(diǎn)沉降影響修正量；

l——A支點(diǎn)到B支點(diǎn)的距離；

x——撓度測點(diǎn)到A支點(diǎn)的距離；

a——A支點(diǎn)沉降量；

b——B支點(diǎn)沉降量。

〔2〕各測點(diǎn)變化〔撓度、位移、沉降〕與應(yīng)變的計(jì)算

根據(jù)量測數(shù)據(jù)作以下計(jì)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(jì)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(jì)算

根據(jù)測量到的測點(diǎn)應(yīng)變，當(dāng)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(jì)算測點(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與理論分析值比較,以檢驗(yàn)新建橋是否到達(dá)設(shè)計(jì)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(yàn)值與理論分析值比較的結(jié)果，此處引入結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)：

式中：Se——試驗(yàn)荷載作用下量測的彈性變位〔或應(yīng)變〕值；

Ss——試驗(yàn)荷載作用下的理論計(jì)算變位〔或應(yīng)變〕值。

荷載試驗(yàn)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(yàn)系數(shù)η。校驗(yàn)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(shí)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(qiáng)度及穩(wěn)定性

當(dāng)荷載試驗(yàn)工程比較全面時，可采用荷載試驗(yàn)主要撓度測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)η來評定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(yàn)效果較好。

2〕實(shí)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(yàn)的橋梁檢算系數(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(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

〔3〕地基與根底

當(dāng)試驗(yàn)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(yàn)荷載作用下，主要測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)η應(yīng)不大于1。各點(diǎn)的撓度不超過“橋規(guī)〞〔JTJ022—85第條和JTGD62—2004第條〕規(guī)定的允許值。即

〔5〕裂縫

對于新建橋試驗(yàn)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(yàn)荷載作用下大局部裂縫寬度應(yīng)小于表規(guī)定的允許值，荷載試驗(yàn)后所有裂縫應(yīng)不大于表規(guī)定的允許值。

靜載試驗(yàn)報(bào)告編寫

在全部試驗(yàn)資料整理與分析的根底上，提出橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)報(bào)告，其內(nèi)容應(yīng)該包括以下各項(xiàng)：

①試驗(yàn)概況。

②試驗(yàn)的目的。

③試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

④試驗(yàn)日期及試驗(yàn)的過程。

⑤各項(xiàng)試驗(yàn)到達(dá)的精度。

⑥試驗(yàn)成果與分析。

⑦試驗(yàn)記錄摘錄。

3.7動載試驗(yàn)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(jī)。

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(yùn)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(yùn)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(yùn)動方程為

或

上式為一單自由度有阻尼的強(qiáng)迫振動的方程，它的通解為

其中，

上式中第一項(xiàng)為自由振動解，由于阻尼作用而很快衰減；第二項(xiàng)為強(qiáng)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(yùn)動規(guī)律與振動體的運(yùn)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(diǎn)是靈敏度高，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(qiáng)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(yùn)動速度，即系統(tǒng)質(zhì)量相對于傳感器殼體

的運(yùn)動速度。

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〕，所以不適合測大跨徑柔性橋跨結(jié)構(gòu)的振動。

②加速度計(jì)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(diǎn)，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、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(yàn)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(yàn)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(jī)構(gòu)、放大器和調(diào)制器等組成。

(3)信號處理機(jī)

動態(tài)信號數(shù)據(jù)處理，一般在專用信號處理機(jī)或利用數(shù)據(jù)處理軟件在通用計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)等。電阻應(yīng)變式測試系統(tǒng)中各局部儀器具有通用性強(qiáng)、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，在橋梁動載試驗(yàn)中的應(yīng)用很普遍。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(qiáng)迫振諧法〕

激振設(shè)備有機(jī)械式激振器、電磁式激振器和電氣液壓式振動臺。

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(qiáng)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(yàn)中，常用載重車隊(duì)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(qiáng)迫振動。

圖2.3.36卸載法試驗(yàn)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21km/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(jī)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2.3.39結(jié)構(gòu)脈動曲線

3.9試驗(yàn)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(shí)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(jì)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1s，0.1s,0.01s這三種標(biāo)定值〕。

當(dāng)使用激振器時，結(jié)