【導讀】拱橋是我國公路上使用很廣泛的一種橋梁體系。拱式結構在豎向荷載作用下，支。將比相同跨徑梁的彎矩小很多，而使整個拱主要承受壓力。這樣便可以充分利用抗壓。橋梁結構與生物的生長衰亡周期一樣，具有其獨特的生命周期。生命周期內(nèi)發(fā)生的結構缺陷和損傷將不可避免地影響橋梁的使用性能。精確有效地評估橋梁的實際承載能力具有重大的社會經(jīng)濟價值：一方面它可以。減少不必要的加固、維修費用；另一方面，也可以確保交通基礎設施的安全性能。橋梁荷載試驗是一項復雜而細致的工作，技術含量高，涉及面廣。理方法，制定切實可行的試驗計劃，保證試驗工作的順利進行。梁調(diào)查和檢算中的不足，使橋梁承載能力鑒定工作進一步深化。通過對試驗橋梁進行荷載試驗，檢測控制截面應力、撓度、裂縫及橋梁動力特性指標，件和規(guī)范的要求，并把試驗結果作為評定工程質(zhì)量優(yōu)劣的主要技術資料和依據(jù)。傷程度及其承載力、受力性能的下降幅度，確定其運營荷載等級。

　　

【正文】 重要課題。 橋梁的動力試驗與靜力試驗相比具有其特殊性。首先，引起結構產(chǎn)生振動的振源(例如車輛、人群、陣風或地震力等 )和結構的振動響應都是隨時間而變化，而且結構在動荷載作用下的響應與結構本身的動力特性有密切關系。動荷載產(chǎn)生的動力效應一般大于相應的靜力效應。 橋梁動力試驗測試內(nèi)容與方法 動力測試主要包括自振特性測試和行車激振試驗。自振特性測試是測試主梁、主塔的自振頻率和振型。行車激振試驗包括有障礙行車試驗和無障礙行車試驗，分別模擬橋面有無損傷時橋面行車對橋跨結構的沖擊作用。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 25 （一）檢驗橋梁受迫振動特性的試驗荷載 自振特性測試方法是測試環(huán)境隨機荷載激振而引起的橋跨結構微幅振動響應，并通過計算機記錄并實施 FFT 信號處理分析出頻域響應結果。 (1) 通常采用接近運營條件的汽車，列車或單輛重車以不同車速通過橋梁，要求每次實驗時車輛在橋上的行駛速度保持不變；或在橋梁動力效應最大的檢測位置行剎車或起動 )試驗。 (2) 進行特殊科學實驗項目的橋梁進行模擬船舶披擊橋墩、汽車撞擊防護構造和彈藥爆炸等沖擊荷載試驗。 (3) 橋梁在風力、流冰幢擊和地震力等動力荷載作用下的動力性能試驗，只宜在專門的長期觀測中實現(xiàn)。 （二）測定橋梁自振特性的激振荷載 行車激振試驗采用車輛以特定速度往返通過橋跨結構，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用于的動力響應。障礙行車 (跳車 )試驗是在測試截面所對應的橋面上設置障礙物來模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，來測定橋跨結構在橋面處于不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的動力響應。由動態(tài)應變儀測試主梁的動態(tài)應變 ，并由橋梁光電撓度儀測試主梁的動撓度。 (1) 在預定激振位置，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) 運轉頻率可調(diào)節(jié)的起振機 (可測定不同振型的頻率 )。 (6) 對于頻率低、柔性大的橋梁可用有節(jié)奏行進的人群作為荷載。 橋梁動荷載的特性 引起橋梁結構產(chǎn)生振動的荷載，主要是經(jīng)常行駛于橋上的各種車輛荷載，此外還有風動荷載和地震荷載等。上述各種荷載產(chǎn)生的動力 荷載大致可分為三種類型：沖擊荷載、振動荷載以及二者聯(lián)合作用的動力荷載。 橋梁結構在運營過程當中，經(jīng)常會受到由車輛自身的振動所引起的動力作用，特別是當車輛行駛在不平整的橋面上時，這種作用尤為明顯。在對橋梁結構進行動力分析和抗震設計時，首先必須了解并確定作用于結構上的一切動力荷載的特性，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行試驗，也不可能完善地進行試驗結果的分析。 車輛荷載行駛在橋上時，由于橋上路面的不平整會激起車輛的振動。此時，車輪與路面之間荷載的波動則是造成橋梁結構發(fā)生振 動的激振力。如果車身連同貨物的慣性力使輪壓發(fā)生周期性的變化，則對結構形成周期性的擾動力。我們知道路面的平整度是隨機變化的，由此所引起的振動也是隨機的。在移動的車輛荷載對橋梁振動的影響當中，不平整的橋面起著控制作用。 橋梁結構在使用期間，除了經(jīng)常受到使用荷載，即各種車輛荷載的動力作用外，有時也要考慮到風荷載和地震荷載的作用。對于大跨度懸吊結構需要考慮風荷載的動力作用，由于結構在風力作用下的受力和振動情況很復雜，在理論上目前還不能很好的解決橋梁的風振問題。對于重要的結構通常是通過結構模型進行風洞試驗，除了驗證 和分析橋梁的風動穩(wěn)定性外，還可合理的選擇具有良好的空氣動力性能的結構斷面形式。對于地震荷載的特性可利用強震觀測所獲得的地面運動過程及結構對它的反映等資料進行分析研究。在地震荷載作用下，橋梁結構的強迫振動一方面取決于地面運動的規(guī)律，另一方面也同結構本身的動力特性有關。因此，可以在地震時觀測地面運動及結構物在地震荷載作用下的振動過程，從而在此基礎上研究分析地震荷載的特性。 (一 ) 橋梁受迫振動特性 (1) 動力試驗荷載效率 ηdyn=Sdyn/S 式 () 式中 : Sdyn— 動力試驗荷載 (按靜力重量考慮 )作用下檢測部位的變形或力的計算數(shù)值； S— 設計標準活荷載作用下，檢測部位變位或力的計算值 (不計動力系數(shù) )； (2) 動力系數(shù) σmax=Smax/Smean 式 () 式中 ： Smax— 動力荷載引起檢測部位的實測最大動力變形或力值 (即最大波峰值 )； Smean 靜力荷載引起同一檢測部位的實測最大靜力變形或力值 Smean =1/2(Smax+Smin) 式 () Smin 與 Smax 為相應的最小值，即同一周期的波谷值。 (3) 結構受迫振動頻率、振幅與加速度。加速度可用儀器直接測出，也可按公式 a=4π2f2A 式 () 求得，式中： f—— 受迫振動頻率， A—— 振幅。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 27 (4) 振型?？蓪⒔Y構分成若干段，在各分界點安放測振儀器，在同一瞬間求出個測點的振幅和相位差，即可給出振型。 (5) 動力系數(shù)與車速的關系曲線。 (6) 動力系數(shù)與受迫振動頻率的關系曲線。 (7) 車速與受迫振動頻率的關系曲線。 (8) 卸載后 (車輛出橋后 )的結構自振頻率。 （二）橋梁自振特性的資料，包括： (l) 結構自振頻率 f0(或周期 T0)。當激振荷載對結構振動具有附加質(zhì)量影響 (如用汽車跳車或落錘激振 )時，應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)量影響的實測周期 ， T=1/f， f 為有附加質(zhì)量影響的實測頻率 ； M0—— 結 構在激振處的換算質(zhì)量 ； M—— 附加質(zhì)量。 結構的換算質(zhì)量可用兩個不同重量的突加荷載依次激振，分別測定自振周期為 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) 結構的阻尼特性 圖 阻尼自由衰減時程曲線 阻尼自由衰減的時程曲線 28 平均衰減系數(shù) ? ： 1 ln nT n mama??? 式 () 式中 :m— 波數(shù)； Tm — m個波所需的時間 ； T— 阻尼振動的周期 ； na 和 nma? — m個波最初和最終的振幅。 平均阻尼比值 ? ： 1 ln2 nnmama?? ????? 式 () 式中 :? — 阻尼振動園頻率； (3) 結構的振動形式 (振動彈性曲線 )。表示沿橋跨各測點的振幅和振動相位的關系。 (4) 結構各部分的振動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屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 29 圖 三階振型圖 圖 四階振型圖 圖 五階振型圖 30 第 4 章 荷載試驗實施方案 試驗依據(jù) 交通部部頒《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》 （ 1988）； 交通部部頒標準《公路圬工橋涵設計規(guī)范》 （ JTG D612021） 交通部部頒標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》 （ JTG D622021）； 交通部行業(yè)標準《公路橋涵設計通用規(guī)范》 （ JTG D602021 ）； 交通部行業(yè)標準《公路橋梁技術狀況評定標準》（ JTGT H212021）； 試驗橋梁相關設計文件； 橋梁荷載試驗合同文件。 試驗目的 按橋梁荷載試驗方法，通過對試驗橋梁進行荷載試驗，檢測控制截面應力、撓度、裂縫及橋梁動力特性等指標，以達到下述目的： 考察橋梁結構的整體變形規(guī)律，評價結構的實際受力狀態(tài)和工作狀況； 檢驗橋梁的動力性能是否滿足正常使用的要求； 檢驗橋梁的承載能力是否滿足設計要求，為橋梁的運營、養(yǎng)護和管理提供依據(jù)。 主要試驗內(nèi)容及檢測方法 主要試驗內(nèi)容 結構外觀檢測 (1) 橋梁外觀檢測（采用目測和高倍望遠鏡觀測橋臺、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。 靜力試驗 (1) 控制截面應力； 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 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。 動力試驗 (1) 結構動力特性，包括固有頻率和阻尼比。 (2) 結構動力響應，包括控制截面動應變、沖擊效應等。 試驗檢測方法 應力 控制截面應力采用工具式應變傳感器和應變儀檢測測點的應變，測試分辨率為177。1 （ 1με），根據(jù)材料的彈性模量換算測點應力。試驗橋梁為預應力混凝土結構，應變測點主要布置在試驗橋跨各片 T 梁下緣混凝土表面，以檢測截面的最大應力和應力橫向分布。對梁端剪力控制截面，在腹板的中性軸附近布置應變花測點，根據(jù)應變分析確定腹板的主拉應力。 變位 控制截面撓度采用精密水準儀進行檢測，測試分辨率為177。 。沿撓度控制截面橫向布置 2 個測點，以檢測撓度橫向分布規(guī)律；并沿縱向截面布置 8 測點，以測試拱的縱向變形規(guī)律。 試驗荷載作用下裂縫觀測 主要采用目測的方法檢測荷載作用下控制截面的開裂情況，如若發(fā)現(xiàn)裂縫，采用裂縫觀測儀測量其寬度，測試分辨率為177。 。 結構動力荷載試驗 通過跑車、剎車、跳車、脈動測試等試驗方法，采用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集結構的應變、加速度等信號，通過對時域信號和頻譜信號進行分析，得到結構的沖擊系數(shù)以及結構固有頻率、阻尼比等結構動力特性指標。 試驗橋跨控制截面及測點布置 試驗測點布置的合理科學與否，是決定試驗效果的關鍵因素。經(jīng)第三章的分析，將拱橋的應力測點及撓度測點布置詳圖如下，此外 還應在控制截面附近區(qū)域觀測主拱圈的開裂情況。在做拱腳最大水平推力試驗時，還應該觀測橋墩處的開裂及水平方向位移情況。 32 靜力試驗測點布置 圖 拱頂截面應變花測點布置 圖 四分之一拱與八分之三拱截面應變花測點布置 圖 注：圖 ，圖 中“ ?” 標記為混凝土表面應變花測點。 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 33 圖 橫截面方向撓度測點布置 圖 拱跨方向撓度測點布置 注：圖 ，圖 中“”標記為靜撓度測點，采用精密水準儀測試。 動力試驗測點布置 加速度測點布置在拱腳截面、四分之一拱截面、拱頂截面，及圖 的 A、 B、 D三個截面，布置位置見圖 34 圖 加速度計布置位置 注：圖 中“ ”代表加速度測點。 試驗荷載及試驗工況 控制荷載 設計荷載：公路 — Ⅱ級，人群荷載 ㎡?？刂苾?nèi)力根據(jù)交通部行業(yè)標準《公路橋涵設計通用規(guī)范》 （ JTG D602021）的規(guī)定按設計荷載計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。 試驗荷載 以設計正常使用荷載作為加載控制，按控制截面內(nèi)力等效原則進行布載，并使控制截面試驗荷載效率滿足檢測規(guī)程的要求。采用 2 臺 30t 三軸載重車和 2 臺 42t 三軸載重車對試驗跨進行等效布載，正式加載試驗之前，須對每臺車輛均進行過磅稱重。 試驗車型及加載車輛的參數(shù)如下： 圖 三軸重車加載車型圖 2021屆理論與應用力學專業(yè)畢業(yè)設計 35 表 加載車輛參數(shù) 車輛型號 車型 1 車型 2 加載車數(shù)量（臺） 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： 配套方提前落實加載車輛并及時將車輛規(guī)格參數(shù)告之檢測方。 加載車輛的軸重分配應與表盡量一致 。 軸重誤差應控制在 1 噸以內(nèi) 4 臺加載車的總重偏差應控制在177。 1%以內(nèi)。 加載車過磅完畢應及時提供車輛過磅單。過磅單中應