【導(dǎo)讀】拱橋是我國(guó)公路上使用很廣泛的一種橋梁體系。拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，支。將比相同跨徑梁的彎矩小很多，而使整個(gè)拱主要承受壓力。這樣便可以充分利用抗壓。橋梁結(jié)構(gòu)與生物的生長(zhǎng)衰亡周期一樣，具有其獨(dú)特的生命周期。生命周期內(nèi)發(fā)生的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷將不可避免地影響橋梁的使用性能。精確有效地評(píng)估橋梁的實(shí)際承載能力具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值：一方面它可以。減少不必要的加固、維修費(fèi)用；另一方面，也可以確保交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全性能。橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，技術(shù)含量高，涉及面廣。理方法，制定切實(shí)可行的試驗(yàn)計(jì)劃，保證試驗(yàn)工作的順利進(jìn)行。梁調(diào)查和檢算中的不足，使橋梁承載能力鑒定工作進(jìn)一步深化。通過對(duì)試驗(yàn)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢測(cè)控制截面應(yīng)力、撓度、裂縫及橋梁動(dòng)力特性指標(biāo)，件和規(guī)范的要求，并把試驗(yàn)結(jié)果作為評(píng)定工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要技術(shù)資料和依據(jù)。傷程度及其承載力、受力性能的下降幅度，確定其運(yùn)營(yíng)荷載等級(jí)。

　　

【正文】 重要課題。 橋梁的動(dòng)力試驗(yàn)與靜力試驗(yàn)相比具有其特殊性。首先，引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的振源(例如車輛、人群、陣風(fēng)或地震力等 )和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)都是隨時(shí)間而變化，而且結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有密切關(guān)系。動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)一般大于相應(yīng)的靜力效應(yīng)。 橋梁動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容與方法 動(dòng)力測(cè)試主要包括自振特性測(cè)試和行車激振試驗(yàn)。自振特性測(cè)試是測(cè)試主梁、主塔的自振頻率和振型。行車激振試驗(yàn)包括有障礙行車試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)，分別模擬橋面有無損傷時(shí)橋面行車對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 （一）檢驗(yàn)橋梁受迫振動(dòng)特性的試驗(yàn)荷載 自振特性測(cè)試方法是測(cè)試環(huán)境隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，并通過計(jì)算機(jī)記錄并實(shí)施 FFT 信號(hào)處理分析出頻域響應(yīng)結(jié)果。 (1) 通常采用接近運(yùn)營(yíng)條件的汽車，列車或單輛重車以不同車速通過橋梁，要求每次實(shí)驗(yàn)時(shí)車輛在橋上的行駛速度保持不變；或在橋梁動(dòng)力效應(yīng)最大的檢測(cè)位置行剎車或起動(dòng) )試驗(yàn)。 (2) 進(jìn)行特殊科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的橋梁進(jìn)行模擬船舶披擊橋墩、汽車撞擊防護(hù)構(gòu)造和彈藥爆炸等沖擊荷載試驗(yàn)。 (3) 橋梁在風(fēng)力、流冰幢擊和地震力等動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力性能試驗(yàn)，只宜在專門的長(zhǎng)期觀測(cè)中實(shí)現(xiàn)。 （二）測(cè)定橋梁自振特性的激振荷載 行車激振試驗(yàn)采用車輛以特定速度往返通過橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用于的動(dòng)力響應(yīng)。障礙行車 (跳車 )試驗(yàn)是在測(cè)試截面所對(duì)應(yīng)的橋面上設(shè)置障礙物來模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，來測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面處于不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試主梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變 ，并由橋梁光電撓度儀測(cè)試主梁的動(dòng)撓度。 (1) 在預(yù)定激振位置，汽車后輪越過一根高 5─ I5 厘米的有坡面的橫木，車輪落下后立即停車。 (2) 車輛通過橋梁后的余振。 (3) 撞擊或沖擊荷載 (如落錘、火箭發(fā)射器等 )。 (4) 突然卸載 (如釋放 )。 (5) 運(yùn)轉(zhuǎn)頻率可調(diào)節(jié)的起振機(jī) (可測(cè)定不同振型的頻率 )。 (6) 對(duì)于頻率低、柔性大的橋梁可用有節(jié)奏行進(jìn)的人群作為荷載。 橋梁動(dòng)荷載的特性 引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的荷載，主要是經(jīng)常行駛于橋上的各種車輛荷載，此外還有風(fēng)動(dòng)荷載和地震荷載等。上述各種荷載產(chǎn)生的動(dòng)力 荷載大致可分為三種類型：沖擊荷載、振動(dòng)荷載以及二者聯(lián)合作用的動(dòng)力荷載。 橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)受到由車輛自身的振動(dòng)所引起的動(dòng)力作用，特別是當(dāng)車輛行駛在不平整的橋面上時(shí)，這種作用尤為明顯。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析和抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須了解并確定作用于結(jié)構(gòu)上的一切動(dòng)力荷載的特性，例如作 26 用力的大小、方向、頻率和作用規(guī)律等，沒有這些資料就無法可靠地進(jìn)行試驗(yàn)，也不可能完善地進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析。 車輛荷載行駛在橋上時(shí)，由于橋上路面的不平整會(huì)激起車輛的振動(dòng)。此時(shí)，車輪與路面之間荷載的波動(dòng)則是造成橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振 動(dòng)的激振力。如果車身連同貨物的慣性力使輪壓發(fā)生周期性的變化，則對(duì)結(jié)構(gòu)形成周期性的擾動(dòng)力。我們知道路面的平整度是隨機(jī)變化的，由此所引起的振動(dòng)也是隨機(jī)的。在移動(dòng)的車輛荷載對(duì)橋梁振動(dòng)的影響當(dāng)中，不平整的橋面起著控制作用。 橋梁結(jié)構(gòu)在使用期間，除了經(jīng)常受到使用荷載，即各種車輛荷載的動(dòng)力作用外，有時(shí)也要考慮到風(fēng)荷載和地震荷載的作用。對(duì)于大跨度懸吊結(jié)構(gòu)需要考慮風(fēng)荷載的動(dòng)力作用，由于結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下的受力和振動(dòng)情況很復(fù)雜，在理論上目前還不能很好的解決橋梁的風(fēng)振問題。對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)通常是通過結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，除了驗(yàn)證 和分析橋梁的風(fēng)動(dòng)穩(wěn)定性外，還可合理的選擇具有良好的空氣動(dòng)力性能的結(jié)構(gòu)斷面形式。對(duì)于地震荷載的特性可利用強(qiáng)震觀測(cè)所獲得的地面運(yùn)動(dòng)過程及結(jié)構(gòu)對(duì)它的反映等資料進(jìn)行分析研究。在地震荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)一方面取決于地面運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，另一方面也同結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性有關(guān)。因此，可以在地震時(shí)觀測(cè)地面運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)物在地震荷載作用下的振動(dòng)過程，從而在此基礎(chǔ)上研究分析地震荷載的特性。 (一 ) 橋梁受迫振動(dòng)特性 (1) 動(dòng)力試驗(yàn)荷載效率 ηdyn=Sdyn/S 式 () 式中 : Sdyn— 動(dòng)力試驗(yàn)荷載 (按靜力重量考慮 )作用下檢測(cè)部位的變形或力的計(jì)算數(shù)值； S— 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載作用下，檢測(cè)部位變位或力的計(jì)算值 (不計(jì)動(dòng)力系數(shù) )； (2) 動(dòng)力系數(shù) σmax=Smax/Smean 式 () 式中 ： Smax— 動(dòng)力荷載引起檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大動(dòng)力變形或力值 (即最大波峰值 )； Smean 靜力荷載引起同一檢測(cè)部位的實(shí)測(cè)最大靜力變形或力值 Smean =1/2(Smax+Smin) 式 () Smin 與 Smax 為相應(yīng)的最小值，即同一周期的波谷值。 (3) 結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)頻率、振幅與加速度。加速度可用儀器直接測(cè)出，也可按公式 a=4π2f2A 式 () 求得，式中： f—— 受迫振動(dòng)頻率， A—— 振幅。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 (4) 振型?？蓪⒔Y(jié)構(gòu)分成若干段，在各分界點(diǎn)安放測(cè)振儀器，在同一瞬間求出個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅和相位差，即可給出振型。 (5) 動(dòng)力系數(shù)與車速的關(guān)系曲線。 (6) 動(dòng)力系數(shù)與受迫振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。 (7) 車速與受迫振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線。 (8) 卸載后 (車輛出橋后 )的結(jié)構(gòu)自振頻率。 （二）橋梁自振特性的資料，包括： (l) 結(jié)構(gòu)自振頻率 f0(或周期 T0)。當(dāng)激振荷載對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有附加質(zhì)量影響 (如用汽車跳車或落錘激振 )時(shí)，應(yīng)采用下列近似公式求得自振周期： 0TT? 00MMM? ? 式 () 式中： To— 自振周期，0 01T f?； T—— 有附加質(zhì)量影響的實(shí)測(cè)周期 ， T=1/f， f 為有附加質(zhì)量影響的實(shí)測(cè)頻率 ； M0—— 結(jié) 構(gòu)在激振處的換算質(zhì)量 ； M—— 附加質(zhì)量。 結(jié)構(gòu)的換算質(zhì)量可用兩個(gè)不同重量的突加荷載依次激振，分別測(cè)定自振周期為 T和 T2其附加質(zhì)量分別為 M1和 .M2，可用 下 列關(guān)系式求得換算質(zhì)量 Mo 。 0 1 0 22212M M M MTT??? 式 () 221 2 2 10 2221T M T MM TT?? ? 式 () (2) 結(jié)構(gòu)的阻尼特性 圖 阻尼自由衰減時(shí)程曲線 阻尼自由衰減的時(shí)程曲線 28 平均衰減系數(shù) ? ： 1 ln nT n mama??? 式 () 式中 :m— 波數(shù)； Tm — m個(gè)波所需的時(shí)間 ； T— 阻尼振動(dòng)的周期 ； na 和 nma? — m個(gè)波最初和最終的振幅。 平均阻尼比值 ? ： 1 ln2 nnmama?? ????? 式 () 式中 :? — 阻尼振動(dòng)園頻率； (3) 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式 (振動(dòng)彈性曲線 )。表示沿橋跨各測(cè)點(diǎn)的振幅和振動(dòng)相位的關(guān)系。 (4) 結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)速度和加速度的分布圖。 橋梁模態(tài)分析的振型圖 圖 一階振型圖 圖 二階振型圖 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 圖 三階振型圖 圖 四階振型圖 圖 五階振型圖 30 第 4 章 荷載試驗(yàn)實(shí)施方案 試驗(yàn)依據(jù) 交通部部頒《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》 （ 1988）； 交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 （ JTG D612021） 交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 （ JTG D622021）； 交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （ JTG D602021 ）； 交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（ JTGT H212021）； 試驗(yàn)橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)文件； 橋梁荷載試驗(yàn)合同文件。 試驗(yàn)?zāi)康? 按橋梁荷載試驗(yàn)方法，通過對(duì)試驗(yàn)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢測(cè)控制截面應(yīng)力、撓度、裂縫及橋梁動(dòng)力特性等指標(biāo)，以達(dá)到下述目的： 考察橋梁結(jié)構(gòu)的整體變形規(guī)律，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況； 檢驗(yàn)橋梁的動(dòng)力性能是否滿足正常使用的要求； 檢驗(yàn)橋梁的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，為橋梁的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)和管理提供依據(jù)。 主要試驗(yàn)內(nèi)容及檢測(cè)方法 主要試驗(yàn)內(nèi)容 結(jié)構(gòu)外觀檢測(cè) (1) 橋梁外觀檢測(cè)（采用目測(cè)和高倍望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)橋臺(tái)、橋墩、空心板梁、橋面鋪裝、伸縮縫、欄桿等外觀狀況）； (2) 空心板梁控制截 面附近區(qū)域開裂情況檢測(cè)。 靜力試驗(yàn) (1) 控制截面應(yīng)力； 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 (2) 控制截面最大撓度及其橫向分布規(guī)律； (3) 控制截面附近區(qū)域裂縫觀測(cè)。 動(dòng)力試驗(yàn) (1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，包括固有頻率和阻尼比。 (2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，包括控制截面動(dòng)應(yīng)變、沖擊效應(yīng)等。 試驗(yàn)檢測(cè)方法 應(yīng)力 控制截面應(yīng)力采用工具式應(yīng)變傳感器和應(yīng)變儀檢測(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，測(cè)試分辨率為177。1 （ 1με），根據(jù)材料的彈性模量換算測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。試驗(yàn)橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)主要布置在試驗(yàn)橋跨各片 T 梁下緣混凝土表面，以檢測(cè)截面的最大應(yīng)力和應(yīng)力橫向分布。對(duì)梁端剪力控制截面，在腹板的中性軸附近布置應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)變分析確定腹板的主拉應(yīng)力。 變位 控制截面撓度采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試分辨率為177。 。沿?fù)隙瓤刂平孛鏅M向布置 2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，以檢測(cè)撓度橫向分布規(guī)律；并沿縱向截面布置 8 測(cè)點(diǎn)，以測(cè)試拱的縱向變形規(guī)律。 試驗(yàn)荷載作用下裂縫觀測(cè) 主要采用目測(cè)的方法檢測(cè)荷載作用下控制截面的開裂情況，如若發(fā)現(xiàn)裂縫，采用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量其寬度，測(cè)試分辨率為177。 。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載試驗(yàn) 通過跑車、剎車、跳車、脈動(dòng)測(cè)試等試驗(yàn)方法，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度等信號(hào)，通過對(duì)時(shí)域信號(hào)和頻譜信號(hào)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)以及結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼比等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性指標(biāo)。 試驗(yàn)橋跨控制截面及測(cè)點(diǎn)布置 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置的合理科學(xué)與否，是決定試驗(yàn)效果的關(guān)鍵因素。經(jīng)第三章的分析，將拱橋的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及撓度測(cè)點(diǎn)布置詳圖如下，此外 還應(yīng)在控制截面附近區(qū)域觀測(cè)主拱圈的開裂情況。在做拱腳最大水平推力試驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)該觀測(cè)橋墩處的開裂及水平方向位移情況。 32 靜力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置 圖 拱頂截面應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)布置 圖 四分之一拱與八分之三拱截面應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)布置 圖 注：圖 ，圖 中“ ?” 標(biāo)記為混凝土表面應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)。 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 圖 橫截面方向撓度測(cè)點(diǎn)布置 圖 拱跨方向撓度測(cè)點(diǎn)布置 注：圖 ，圖 中“”標(biāo)記為靜撓度測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)試。 動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置 加速度測(cè)點(diǎn)布置在拱腳截面、四分之一拱截面、拱頂截面，及圖 的 A、 B、 D三個(gè)截面，布置位置見圖 34 圖 加速度計(jì)布置位置 注：圖 中“ ”代表加速度測(cè)點(diǎn)。 試驗(yàn)荷載及試驗(yàn)工況 控制荷載 設(shè)計(jì)荷載：公路 — Ⅱ級(jí)，人群荷載 ㎡。控制內(nèi)力根據(jù)交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （ JTG D602021）的規(guī)定按設(shè)計(jì)荷載計(jì)算其控制截面的控制彎矩。其中，汽車荷載按規(guī)范考慮沖擊效應(yīng)。 試驗(yàn)荷載 以設(shè)計(jì)正常使用荷載作為加載控制，按控制截面內(nèi)力等效原則進(jìn)行布載，并使控制截面試驗(yàn)荷載效率滿足檢測(cè)規(guī)程的要求。采用 2 臺(tái) 30t 三軸載重車和 2 臺(tái) 42t 三軸載重車對(duì)試驗(yàn)跨進(jìn)行等效布載，正式加載試驗(yàn)之前，須對(duì)每臺(tái)車輛均進(jìn)行過磅稱重。 試驗(yàn)車型及加載車輛的參數(shù)如下： 圖 三軸重車加載車型圖 2021屆理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 表 加載車輛參數(shù) 車輛型號(hào) 車型 1 車型 2 加載車數(shù)量（臺(tái)） 4 4 前 — 中（前－后）軸距（ m） 左右 左右 中 — 后軸距（ m） 左右 左右 后軸 — 車尾距離（ m） ≤ ≤ 前軸重（ t） 中 — 后軸重（ t） 2= 2= 總重（ t） 說明： 配套方提前落實(shí)加載車輛并及時(shí)將車輛規(guī)格參數(shù)告之檢測(cè)方。 加載車輛的軸重分配應(yīng)與表盡量一致 。 軸重誤差應(yīng)控制在 1 噸以內(nèi) 4 臺(tái)加載車的總重偏差應(yīng)控制在177。 1%以內(nèi)。 加載車過磅完畢應(yīng)及時(shí)提供車輛過磅單。過磅單中應(yīng)