第9章 桥梁结构的试验与检测
Chapter 9 Bridge Structure Test and Inspection
4．动载试验效率（efficiency of dynamic testing） 动载试验的效率为：
?d?Sd （9.3.1） S式中 Sd－动载试验荷载作用下控制截面最大计算内力值；
S－标准汽车荷载作用下控制截面最大计算内力值（不计入汽车荷载冲击系数）。
?d值一般采用1，动载试验的效率不仅取决于试验车型及车重，而且取决于实际跑车时
的车间距，因此在动载试验跑车时应注意保持试验车辆之间的车间距，并应实际测定跑车时的车间距以作为修正动载试验效率?d的计算依据。
9.2.2 试验准备（test preparations）
动载试验前，首先应按照试验方案进行准备工作，其内容包括：
（1）搜集与试验桥梁有关的设计资料和图纸，详细研究，慎重选择或确定试验荷载。 （2）现场调查桥上和桥两端线路状态、线路容许速度、车辆和列车实际过桥速度和其他激振措施状态。
（3）了解有关试验部位情况，以确定测试脚手架搭设位置、导线的布设方法及仪器安放位置的确定。
（4）对拟测试的项目和测试断面，应按实际荷载和截面尺寸预先算出应力、位移、结构自振频率等，以便及时与实测值进行比较。
在正式测试之前，项目负责人应检查无载状态下应变仪各测点的零状态是否良好。
9.2.3 加载试验（loading test）
1．跑车试验（traffic testing）
动载试验一般安排标准汽车车列（对小跨径桥也可用单排车）在不同车速时的跑车试验，跑车速度一般定为5，10，20，30，40，50，60（km/h）。当车在桥上时为车桥联合振动，当车跨出桥后为自由衰减振动。对铁路桥跨结构，同样应安排以一定轴重装载的车列，以不同车速过桥，应测量不同行驶速度下控制断面（一般取跨中或中支点处）的动应变和动挠度，记录时间一般不少于0.5h或以波形衰减完为止。测试时需记录轴重、车速，并在时程曲线上标出首车进桥和尾车出桥的对应时间。动载测试一般应试验三组，在临界速度可增跑几趟，全面记录动应变和动位移。
2．跳车试验（bumping testing）
在预定激振位置设置一块15cm高直角三角木，斜边朝向汽车。一辆满载重车以不同速度行驶，后轮越过三角木由直角边落下后，立即停车。此时桥跨结构的振动是带有一辆满载重车附加质量的衰减振动。在数据处理时，附加质量的影响应给以修正。跳车的动力效应与车速和三角木放置的位置有关。随车速的增加，桥跨结构的动位移、动应力会增加，从而冲击系数也会加大，跳车记录时间与跑车相同。
3．刹车试验（wheel-locked testing）
刹车试验是测定车辆在桥上紧急制动时所产生的响应，用以测定桥梁承受活载水平力性能。刹车试验是以行进车辆突然停止作为激振源，可以不同车速停在预定位置。刹车可以顺
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土木工程结构试验与检测
Testing and Inspection for Civil Engineering Structure
桥向和横桥向。一般横桥向由于桥面较窄，难以加速到预定车速。刹车试验数据同样需要进行附加质量影响的修正。由刹车的位移时程曲线可读取自振特性和阻尼特性数据。不过此时是有车的质量参与衰减振动，阻尼也非单纯桥跨结构的阻尼。刹车记录项目与跑车相同，对记录的信号（包括振幅、应变或挠度等）进行频谱分析，可以得到相应的强迫振动频率等一系列参数。
4．环境试验（ambient vibration testing）
当桥跨结构无车辆通过时，桥跨结构处于环境激振之下，做振幅微小的振动。环境测试需记录环境位移或加速度，将记录的信号在高精度的信号分析仪上进行频谱分析，便得到频谱图；将频谱分析的数据再结合跑车、跳车、刹车等的测试数据，综合分析便可得到精确而真实的桥跨结构自振特性数据。环境测试要求高灵敏度的传感器和放大器，同时要具备质量较高的信号分析设备及其相应软件。环境法测试记录时间不宜少于2h，大跨径桥梁测试断面多，对其可分断面记录，但每次应保证有一个参考点不动。
为了尽可能测出高阶频率，应当预先估算结构振型，以便在结构的敏感点布置拾振器。为了进行动力分析或风、地震响应分析，对不同桥型，测量自振频率的阶数可以不同：悬索桥、斜拉桥不少于15阶；连续梁、刚构、拱桥和简支梁均不少于9阶。
9.2.4数据整理（data interpretation）
1．动力试验荷载效率（dynamic load efficiency factor）
在公路混凝土桥跨结构动载试验时，宜采用接近设计活载的车列，单车冲击系数较大，动力荷载效率低，误差也较大。
2．活载冲击系数（dynamic load magnification factor）
活载冲击系数（不同速度下）可根据记录的动应变（见图9.3.1）或动挠度曲线（图9.3.2），进行分析整理而得，可按式9.3.2计算：
Smax1??? （9.3.2）
Smeanσjmaxa xjm度）值（即同周期的波谷值）。
图6-7 动应力图形式中 Smax－动载作用下该测点最大应变（或挠度）值，即最大波峰值；
Smean－相应的静载作用下该测点最大应变（或挠度）值（可取本次波形的振幅中心
轨迹线的顶点值），Smean?1/2(Smax?Smin)。其中Smin为与Smean相应的最小应变（或挠
不同部位的冲击系数是不同的。一般情况是：梁桥给出跨中和支点部位的冲击系数；斜拉桥和悬索桥给出吊点和加劲梁节段中点部位的冲击系数。
σdjxm xama图9.3.1 动应力图形 - 237 -
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δδjmxa mxja式中 l－两时间符号间的距离；
图9.3.2 动挠度图形 图6-8 动挠度图形3．强迫振动下的动力反应（dynamic response of forced vibration）
根据各工况的振动曲线，按式9.3.3分析，即可算得桥梁的振动频率，见图9.3.3。
lNf?? （9.3.3）
tSt－时间符号的时间间隔；
N－波形数；
S－N个波的长度。
如果所分析的曲线段是列车或汽车在桥上时的记录，则所得振动频率为桥梁结构强迫振动频率；如果分析的曲线段是列车或汽车出桥后记录的，则所得频率为桥梁自振频率。
在分析每一测点在动荷载通过时的最大振幅值时，一般是先求得最大振幅处的振动频率，再
根据此频率找出系统标定时仪器系统标定灵敏度，即放大倍数，则测点最大振幅值H，可由式9.3.4求出：
图9.3.3 频率计算示意图 N个波长度Sl(t)H?式中 A－实测波形最大峰值；
S－测振系统标定灵敏度。
A （9.3.4） S振动加速度a是桥梁动力特性中一个很重要的指标，它表示列车和车辆运行的安全程度和司机、旅客的舒适度，可用测振仪直接测得，也可根据实测的强迫振动频率和振幅，由式9.3.5计算得出：
a?4?2f2A （9.3.5）
式中 f－强迫振动频率，Hz；
A－振幅，cm。
振动加速度应区分部位，给出最大加速度对应的临界速度。 4．结构的自振特性（natural vibration properties）
结构的自振频率可根据桥梁承受冲击荷载后产生余振的动应力、动挠度或振动曲线分析而得，也可根据桥上无车时的脉动曲线分析而得，两者应能吻合。当激振荷载对结构振动具有附加质量影响（如用汽车跳车或落锤激振）时，应采用式9.3.6求得自振周期：
T0?TM0 （9.3.6）
M0?M
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axax mmjdδδ土木工程结构试验与检测
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式中 T0－修正后的自振周期；
T－实测有附加质量的周期； M－车辆的附加质量；
M0－跳车或刹车处，结构的换算质量。
结构的换算质量，可用装载不同质量M1，M2的重车进行跳车或刹车，分别实测自振周期T1和T2，可按式9.3.7求得M0：
M0?T1M2?T2M1T2?T1mT 2222 （9.3.7）
T yn yn＋1 1tn tn＋1 yn＋m 图6-10 有阻尼自由衰减的振波曲线图9.3.4 有阻尼自由衰减的振动波形曲线
5．结构的阻尼特性（damping properties）
若实测得列车或汽车出桥后，钢桥结构的自由衰减振波见图9.3.4。由波形上量得的振
幅yn、yn?1、?、yn?m和求得的周期T，即可由式9.3.8得出阻尼特性系数：
1ylnn （9.3.8） mTyn?m根据阻尼特性系数，由式9.3.9计算平均阻尼比?。
y?1???lnn （9.3.9）
?2m?yn?m式中 m－振幅yn～yn?m之间波形数；
?＝T－周期，波形振动一周的时间；
yn～yn?m－m个波的初始和终结振幅；
?－衰减振动圆频率。
与不同振型对应的阻尼比是结构的重要参数，应进行认真分析。产生阻尼的原因有：材料的内阻尼，结构构造及支座型式，环境介质等。阻尼的大小难以计算，只能实测。
除上述内容外，还应给出活载冲击系数与车速的关系曲线、动力系数与受迫振动频率的关系曲线、车速与受迫振动频率的关系曲线、卸载后（车辆出桥后）的结构自振频率和振型曲线。结构桥跨各测点的振幅和振动相应的关系、结构各部分的振动速度和加速度的分布图以及桥梁横向振动的资料。
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9.2.5 试验结果的评定（test result evaluation）
试验结果的评定时应完成以下内容：
（1）车辆荷载作用下测定结构的动力系数?max应满足式9.3.10的要求：
(?max?1)?d???1 （9.3.10）
式中
1＋?max； ?ma－动力系数，即x?d－动力试验荷载效率； ?－设计取用的动力系数。
根据动力系数与车速的关系曲线，确定动力系数达到最大值的临界车速。
实际测定中，单车试验的动力系数比汽车车列试验的动力系数大，且单车的荷载效率低，因而量测的误差也大，因此应采用与设计荷载相当的试验荷载所引起的动力系数，作为与理论动力系数比较的数据。
（2）结构控制截面实测最大动应力和动挠度小于标准的容许值；
（3）结构的最低自振频率应大于有关标准限值，结构最大振幅应小于相应标准限值； （4）评定桥梁受迫振动特性还必须掌握试验荷载本身的振动特性、桥面行车条件（伸缩缝）和路面局部不平整等的影响；
（5）根据结构振动图形，分析出结构的冲击现象，共振现象和有无缺陷；
（6）桥梁本身的动力特性的全面资料，可作为评价结构物抗风力和抗地震力性能的计算参数。复杂结构的桥梁动力性能，还需要借助于模型的动力试验或风洞试验进行研究；
（7）定期检验的桥梁，通过前后两次动力结果的比较，可检查结构工作的缺陷，如果结构的刚度降低（单位荷载的振幅增大）及频率显著减小，应查明结构可能产生的损坏；
（8）如果结构动力试验结果不满足上述（1）项条件，应分析动力系数与车速的关系和车速与受迫振动频率的关系，采取适当的措施（如限制车速和改进结构的动力性能等）。
9.2.6 试验报告（test report）
试验报告应包括以下几个方面：
（1）按照试验计划大纲的内容，简要介绍试验实施概况；
（2）试验前后和试验期间对桥梁进行外观检查所得到的结构状况（包括构件尺寸、裂缝和损坏等）；
（3）量测数据的计算结果和各种关系曲线；
（4）对试验成果的分析与评定，包括试验值与理论计算值或标准规定值的比较； （5）关于结构适用性、耐久性和设计合理性的评定和桥梁安全运营条件的建议； （6）试验和报告的日期，主持和参加单位及人员名称，主持者签名；
（7）附录：根据桥梁实际状况和按试验荷载进行校核计算的资料，试验数据的汇总图表，试验现场和结构检查的照片等。
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