土木工程结构试验与检测
Testing and Inspection for Civil Engineering Structure
第9章 桥梁结构试验与检测
Chapter 9 Bridge Structure Testing and Inspection
目录 Contents
9.1 桥梁结构的静载试验（bridge static testing）............................................................. 223
9.1.1 试验方案设计（test schematic design） ........................................................... 223
1．桥梁结构的调查（bridge structure investigation） ......................................... 223 2．加载方案（loading scheme） ...................................................................... 223 3．测点布置（measuring point layout） ............................................................ 227 4．测试仪器的选择（selection of instrumentation for measurement） .................. 229 9.1.2 测试准备（testing preparations）................................................................... 229
1．量测附属设施（measuring annex setup） ..................................................... 229 2．加载位置的确定（test location） ................................................................. 229 3．仪器检查与安装（checking and assembling of instruments）.......................... 229 4．加载物的称重（weighting heavy loads） ...................................................... 230 5．试验人员组织分工（test organization and task distribution）.......................... 230 9.1.3 加载试验（loading test） .............................................................................. 230
1．试验演习（test maneuver） ......................................................................... 230 2．预加载（preload testing） ........................................................................... 230 3．加载试验（loading test） ............................................................................ 230 4．测读与记录（measurements and data acquisition） ........................................ 231 5．加载过程的观察（observe loading process） ................................................ 231 6．裂缝观测（crack detection and measurement）.............................................. 231 7．终止加载控制条件（conditions of terminat loading） .................................... 231 9.1.4 试验资料的整理（testing data interpretation）.................................................. 231
1．测试数据的修正（data correction） ............................................................. 231 2．测点变形计算（calculating of deformation） ................................................ 232 3．校验系数和相对残余变形的计算（calculating check index and relative residual deformation） .................................................................................................. 232 4．力或位移影响线（influence curves of force and displacement）...................... 233 5．荷载横向分布系数（transverse distribution coefficients） .............................. 233 6．偏载系数（bias factor）.............................................................................. 233 7．裂缝发展状况（development of cracks）...................................................... 233 9.1.5 数据整理与结构性能评定（data interpretation and evaluation of structural properties） ............................................................................................................ 234 9.2 桥梁结构的动载试验（bridge dynamic testing） ........................................................ 235
9.2.1 试验方案的设计（test schematic design）........................................................ 235
1．量测内容（measuring scheme） .................................................................. 235
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第9章 桥梁结构的试验与检测
Chapter 9 Bridge Structure Test and Inspection
2．加载方案（loading test scheme）................................................................. 235 3．量测方案（measuring scheme） .................................................................. 235 4．动载试验效率（efficiency of dynamic testing） ............................................ 236 9.2.2 试验准备（test preparations） ......................................................................... 236 9.2.3 加载试验（loading test）................................................................................ 236
1．跑车试验（traffic testing）.......................................................................... 236 2．跳车试验（bumping testing）...................................................................... 236 3．刹车试验（wheel-locked testing） ............................................................... 236 4．环境试验（ambient vibration testing） ......................................................... 237 9.2.3数据整理（data interpretation） ....................................................................... 237
1．动力试验荷载效率（dynamic load efficiency factor）.................................... 237 2．活载冲击系数（dynamic load magnification factor） ..................................... 237 3．强迫振动下的动力反应（dynamic response of forced vibration） ................... 238 4．结构的自振特性（natural vibration properties）............................................ 238 5．结构的阻尼特性（damping properties）....................................................... 239 9.2.4 试验结果的评定（test result evaluation） ........................................................ 240 9.2.5 试验报告（test report） .................................................................................. 240 9.3 桥梁检查与评估（bridge inspection and evaluation） ................................................. 241
9.3.1 桥梁结构检查的分类（classification of bridge structure inspection） .................. 241
1．经常检查（routine examination） ................................................................ 241 2．定期检查（regular examination） ................................................................ 241 9.3.2 桥梁检查的方法（inspection and evaluation for bridge） ................................... 242
1．调查桥梁概况（bridge survey） .................................................................. 242 2．搜集和查阅桥梁的技术档案（collecting related archives）............................ 242 3．对全桥做普遍观测（bridge general survey） ................................................ 242 9.3.3 桥梁承载力的分析与评估（analysis and evaluation of bridge bearing capacity） . 246
1．评估的依据（basis for inspection）.............................................................. 246 2．评估的要点（outline of evaluation） ............................................................ 246 3．评估报告的主要内容（evaluation report） ................................................... 248 本章小结（summary）............................................................................................ 248 思考题（problems） ...................................................................................................... 249
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桥梁结构试验与检测是对桥梁原型结构或桥梁模型结构直接进行的科学试验工作。桥梁原型试验也称之为桥梁检测。根据试验荷载作用的性质，桥梁结构的荷载试验可分为静载试验和动载试验。
一般来说，下列情况下需进行桥梁结构的荷载试验：
（1）新建的大跨度桥梁，尤其采用新结构、新材料和新工艺的桥梁结构。
（2）通过特种车辆的新、旧桥梁。需按实际轮位和轴重进行模拟荷载或等效荷载试验。 （3）修复、改建或加固的旧桥，为判断其是否能承受预计的荷载，应进行荷载试验。
9.1 桥梁结构的静载试验（bridge static testing）
桥梁静载试验是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置，测试结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量的试验项目，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作性能及使用能力。静载试验是桥梁结构试验中最大量、最常见的基本试验，本节主要从试验方案设计、加载及测试设备、加载试验和试验数据整理进行系统的阐述。
9.1.1 试验方案设计（test schematic design）
首先进行桥梁结构的考察、试验方案的设计和准备。根据试验目的和要求，具体考察试验的桥梁结构，研究有关桥梁结构的图纸、文件、资料，进行必要的理论分析和核算。研究试验过程中的荷载计算，补充必要的材料力学性能试验，并在此基础上有针对性地拟订出周密合理的试验方案。
下面主要从桥梁结构的初步调查、加载方案、观测方案及测试仪器选择等几个方面来介绍试验方案的设计。
1．桥梁结构的调查（bridge structure investigation）
桥梁结构的调查主要包括收集设计与施工资料、实桥调查、桥址调查和验算分析。 实桥调查的主要内容是：
① 查明结构物的实际技术状况：包括结构的总体尺寸、杆件截面尺寸、各部分的高程、行车道路面的平整度、墩台顶面标高和平面位置、支座位置和材料的实际物理力学性能等。
② 查明上下部结构物的裂缝、缺陷、损坏和钢筋锈蚀状况，并在试验过程中随时注意观察其变化，检查支座有无锈蚀和损害状况。
③ 在加载试验过程中和试验结束后，也要对受加载影响较大的部位进行详细的检查。 桥址调查的内容包括桥上和两端线路技术情况，线路容许车速、桥下净空、水深和通航情况、线路交通量、供电情况、可能选择的加载方式、有无标准荷载车辆等。
如果经检查发现结构的尺寸超过规定的误差，或材料质量没有达到设计要求，应按照结构的实际状况重新进行静、动力分析。验算在试验荷载作用下检测部位的变形和应力。
2．加载方案（loading scheme） （1）控制截面的确定
在满足鉴定桥梁承载能力的前提下，加载项目安排应抓住重点，不宜过多。一般情况下只做静载试验，必要时增作部分动载试验项目。桥梁的静载试验的控制截面主要有下面的1～5项；有特殊要求时还应包含第6项或其中部分内容：
1）最大正弯矩截面； 2）最大负弯矩截面；
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3）最大偏载作用下结构的受力状态或横向分布系数； 4）最大剪力截面；
5）最大挠度、梁端转角以及支座沉降；
6）梁体裂缝检查、制动力、地基基础的观察等。
静载试验一般有1~2个主要内力控制截面，此外根据桥梁具体情况可设置几个附加内力控制截面。
一些主要桥型的内力控制截面见表9.2.1。
表9.2.1 主要桥型的内力控制截面 桥型 简支梁 连续梁 悬臂梁（包括T型刚构的悬臂部分） 拱桥 主要控制截面 附加控制截面 跨中挠度和截面应力（或应变），支点沉降。 跨径四分点的挠度、支点斜截面应力。 跨中挠度、跨中和支点截面应力（或应变），跨径1/4处的挠度和截面应力（或应变），支点截面转角和支点沉降。 悬臂端的挠度、固端根部或支点截面的应力和转角，墩顶的变形（水平与垂直位移、转角），T型刚构墩身控制截面的应力。 跨中、跨径1/4和3/8截面的挠度和应力，拱脚截面的应力，墩台顶的变形和转角。 跨径1/8截面的挠度和应力，拱上建筑控制截面的变形和应力。 柱脚截面的应力、变形和转角。 支点斜截面应力。 悬臂跨中挠度，牛腿部分局部应力。 刚架桥（包括框架、跨中截面的挠度和应力，结点附近截面的应斜腿刚架和刚架－拱式组合体系） 悬索结构（包括斜拉桥和悬索桥） 加劲梁的最大挠度、偏载扭转变形和控制截面应力、索塔顶部的水平位移和扭转变形，塔柱底截面的应力，钢索（斜拉索、吊杆、主缆）拉力、锚锭的上拔位移。 力、变形和转角，墩台顶的变形和转角。 钢索与梁连结部位的挠度。 表9.2.1给出的各种桥梁体系的主要部位是检验桥梁承载能力试验时必须观察的部位。此外，对桥梁的较薄弱截面、损坏部位，比较薄弱的桥面结构等，是否设置内力控制截面及安排加载项目可根据桥梁调查和检算情况决定。
（2）加载时截面内力的控制 1）控制荷载的确定
为了保证荷载试验的效果，必须先确定试验的控制荷载。桥梁需要鉴定承载能力的荷载有以下三种：汽车和人群（标准荷载）；平板挂车或履带车（标准荷载）；需通行的重型车辆。
分别计算以上几种荷载对控制截面产生的最不利内力，用产生最不利内力较大的荷载作为静载试验的控制荷载。因挂车或履带车不计冲击力，所以动载试验以汽车荷载作为控制荷载。荷载试验尽量采用与控制荷载相同的荷载，但由于客观条件的限制，实际采用的试验荷载与控制荷载会有所不同，为保证试验效果，在选择试验荷载大小和加载位置时采用静载试验效率?q、动载试验效率?d进行控制。按结构计算或检测的控制截面的最不利工作条件布置荷载，使控制截面达到最大试验效率。
2）静载试验效率
静载试验效率定义为试验荷载作用下被检测部位的内力（或变形的计算值）与包括动力扩大效应在内的标准设计荷载作用下同一部位的内力（或变形计算值）的比值。以?q表示
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荷载试验效率，则有：
?q?Sst （9.2.1）
S(1??)式中 Sst－试验荷载作用下，被检测部位的内力或变形的计算值；
S－标准设计荷载作用下，被检测部位的内力或变形的计算值；
?－按规范采用的冲击系数，平板挂车、履带车，重型车辆取用0。
按荷载效率?q，荷载试验分为基本荷载试验（1??q?0.8）、重荷载试验（?q?1.0，其上限按具体结构情况和所通行特型荷载来定）、轻荷载试验（0.8??q?0.5），当?q?0.5时，试验误差较大，不易充分发挥结构的效应和整体性。
一般的静载试验，?q值可采用0.8～1.05。当桥梁的调查、检算工作比较完善而又受加载设备能力所限，?q值可采用低限；当桥梁的调查、检算工作不充分，尤其是缺乏桥梁计算资料时，?q值应采用高限。一般情况下?q值不宜小于0.95。
荷载试验宜选择温度稳定的季节和天气进行。当温度变化对桥梁结构内力影响较大时，应选择温度内力较不利的季节进行荷载试验，否则应考虑用适当增大静载试验效率?q来弥补温度影响对结构控制截面产生的不利内力。
当控制荷载为挂车或履带车而采用汽车荷载加载时，考虑到汽车荷载的横向应力增大系数较小，为了使截面的最大应力与控制荷载作用下截面最大应力相等，可适当增大静载试验效率?q。
（3）加载设备的选择
静载试验加载设备可根据加载要求及具体条件选用，一般有可行式车辆加载和重物直接加载两种加载方式。
1）可行式车辆加载
可选用装载重物的汽车或平板车，也可就近利用施工机械车辆，选择装载的重物时要考虑车箱能否容纳得下，装载是否方便。装载的重物应置放稳妥，以避免车辆行驶时因摇晃而改变重物的位置。当试验所用的车辆规格不符合设计标准车辆荷载图式时，可根据桥梁设计控制截面的内力影响线，换算为等效的试验车辆荷载（包括动力系数和人群荷载的影响）。
2）重物直接加载
一般可按控制荷载的着地轮迹先搭设承载架，再在承载架上堆放重物或设置水箱进行加载，如加载仅为满足控制截面内力要求，也可采取直接在桥面堆放重物或设置水箱的方法加载。承载架的设置和加载物的堆放应安全、合理，能按要求分布加载重力，避免与桥梁结构共同承载。
重物直接加载准备工作量大，加卸载所需周期一般较长，交通中断时间亦较长，且试验温度变化对测点的影响较大，因此宜于安排夜间进行试验，并应严格避免加载系统参与结构的作用。
此外，在测定结构影响线和影响面时，可采用移动方便的轻型集中荷载设备，如果桥下具备设置平衡重或锚杆的条件，可用液压千斤顶加载。
（4）加载轮位的确定
试验荷载的轮位选择，对铁路桥梁而言，分单线加载、双线一侧加载、双线两侧加载三
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