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第四章桥梁结构荷载试验 桥梁结构荷载试验 评定桥梁承载能力的主要方法 无论多么高新的结构分析技术都不能取代用于评估公路桥梁性能的现场测试 当桥梁承受工作荷载时 记录下应变测试结果 根据测试结果工程师就能更好的了解桥梁的真实结果响应 静载试验动载试验 1 4 1荷载试验 静载试验 最常见将静止的荷载作用在桥梁的指定位置 然后对桥梁结构的静力位移 静力应变 裂缝等参量进行测试 从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能和使用能力作出评价 动载试验 利用某种激振方法激起桥梁结构的振动 然后测定其固有频率 阻尼比 振型 动力冲击系数 行车响应等参数 从而判断桥梁结构的整体刚度 行车性能 1 测量移动车辆荷载作用下 桥梁指定断面上的动应变或指定点的动挠度2 测量桥梁结构的自振特性和动力响应荷载试验程序 试验准备 加载观测 分析总结 2 4 1荷载试验原则 测试部位应突出受力关键 结构受力的控制部位测试内容反映承载力指标施测载位应以无损结构为限度1 原有裂缝不扩展 不增加新裂缝 不能使混凝土脱落2 最大挠度控制在预计的允许范围3 控制截面应变不能超过预计的允许值 加载工况由低吨位分级向高吨位逐渐增加 3 土木建筑学院 4 1荷载试验原则 4 4 2静载试验 静载试验 将静止的荷载作用在桥梁的指定位置 然后对桥梁结构的静力位移 静力应变 裂缝等参量进行测试 从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能和使用能力作出评价 静载试验内容 试验目的试验准备工作加载方案设计测点设置与测试加载控制与安全措施试验结果分析与承载能力评定试验报告编写 5 4 2 1静载试验 准备工作 选择试验桥孔 桥墩 受力状况不利 缺陷多 病害严重搭设脚手架和测试支架加载位置放样 卸载位置安排试验人员分工其它安全 供电 交通管制等 6 4 2 2静载试验 加载方案 试验荷载工况 反映桥梁最不利受力状况简支梁桥 跨中 最大正弯矩 1 4跨 最大正弯矩 支点 最大剪力 桥墩 最大竖向反力 连续梁桥 主跨跨中 最大正弯矩 主跨支点 负弯矩 主跨支点 最大剪力 主跨桥墩 最大竖向反力 边跨 最大正弯矩 T形刚构桥 墩顶 最大负弯矩 跨中 最大正弯矩 墩顶 最大剪力 刚架拱桥 跨中 最大正弯矩 拱脚 最大负弯矩 拱脚 最大推力 正负挠度绝对值之和最大工况试验荷载等级 确定最大荷载控制桥梁设计的荷载有 汽车荷载 人群荷载 风荷载 等控制桥梁加固设计的荷载 汽车荷载 控制截面最不利内力 变形 试验效率 7 4 2 2静载试验 加载方案 加载分级与控制荷载分级 按照标准荷载的60 80 90 100 划分车辆加载 逐渐增加加载车数量 先轻后重车辆位置 按照内力影响线布置 同 桥规 试验时间 晚上10点至凌晨6点 温度稳定 减少温度应力的干扰 加载设备 汽车 200kN 300kN 8 4 2 3静载试验 测点布置 控制结构的最大应力 应变 挠度 位移 简支梁桥 跨中挠度 支点沉降 跨中截面应变连续梁桥 跨中挠度 支点沉降 跨中和支点截面应变悬臂梁桥 悬臂端部挠度 支点沉降 支点截面应变拱桥 跨中 L 4处挠度 拱顶和拱脚截面应变注意 裂缝对应变的影响横向测点 沿截面高度测点 温度测点试验仪器 测量应变 百分表 千分表 应变片 应变计 电阻平衡箱测量挠度 精密水准仪 水准尺 吊锤测量裂缝 裂缝观测仪 纵向测点 9 4 2 4静载试验程序 加载程序零载 第一级 卸载 零载 第一级 第二级 第一级 卸载 加载稳定时间 5min加载过程注意观测 控制点的位移 应变 薄弱部位破损状况终止加载 控制点的位移 应变超过容许值 裂缝长度 宽度或数量急剧增加 影响结构使用寿命 实测挠度与理论计算值相差过大 墩台变形过大或出现不稳定状况 试验观测温度观察 需要对测试结果进行修订仪器仪表读数裂缝观测 在混凝土表面直接描绘裂缝的变化 10 4 2 4静载试验程序 11 4 2 4静载试验程序 应变计 12 4 2 5静载试验数据分析 挠度计算 支座沉降的修正 消除刚体位移应力计算 Hooks 定律 本构方程 本构关系弹性模量E 按规范取值 或回弹法测量应变计算 总应变 加载读数 初读数 加载读数 卸载读数残余应变 总应变 弹性应变 13 4 2 6静载试验测试结果分析 结构强度分析 最大应力 最大挠度与规范规定的允许应力 挠度相比较 来说明结构的安全程度结构校验系数 1 结构强度不足 理论与实际相符 结构强度足够结构刚度分析 相对挠度与规范比较结构抗裂性分析 对预应力混凝土桥梁 出现第一条裂缝时的荷载为开裂荷载Pr 结构抗裂安全系数 裂缝宽度与容许值比较 14 4 2 7静载试验实例 大桥概况 石角大桥建于1968年 采用少筋无铰平板式肋拱桥的结构型式 大桥全长为149 5米 分为五孔 每孔的净跨为25米 该桥的主要技术标准 每孔净跨 25米 矢跨比1 6 净矢高4 167米 桥面净宽 8米 6米行车道 2 1 0米人行道 设计荷载 汽车 13 挂车 60验算 由于该桥设计荷载等级较低 经过多年的运营使用后 特别是近年来许多超重车辆的通行 该桥已出现一些病害 现该桥已封闭交通 只容许行人和摩托车通行 试验目的 1 测试该桥的受力性能 检测该桥的承载能力 2 为大桥今后的运营和养护提供检测资料 3 为该桥今后的使用 养护维修以及加固决策提供依据 15 4 2 7静载试验实例 试验依据 1 公路桥涵设计规范2 大跨径混凝土桥梁试验方法3 公路旧桥承载力鉴定方法 试行 4 石角大桥施工设计图试验内容 测试桥梁结构在基本试验荷载作用下的工作性能 测试内容包括桥梁结构的挠度 应力 应变 和裂缝开展等情况测试桥跨与测试截面 本次试验选择靠近广州方向的第一跨与另一侧的第五跨 按照拱桥的受力特点 选择拱顶 拱脚和拱的L 4跨截面为主要测试截面 16 4 2 7静载试验实例 加载方式与荷载效率 加载位置为拱顶和L 4跨处 采用结构分析软件计算确定 设计荷载为汽车 13 考虑试验加载与设计弯矩等效 同时要符合 试验方法 中对荷载效率在0 80 1 00之间的要求 试验共使用200kN重车4辆 跨中和拱脚加载过程分为两级 即 0kN 200kN 400kN 满载后持荷至变形稳定 5 10分钟变形稳定后读数 卸载过程分为一级 400kN 0kN 卸载后继续进行量测至变形稳定 为保证测试数据的可靠性 每一加载工况进行2次 试验加载过程中 实时观测结构控制截面的位移 应力 如果在未加到预计的最大试验荷载前 应力或位移提前达到或超过设计标准的容许值 即立即停止继续加载 17 4 2 7静载试验实例 石角大桥往广州方向第一跨第一载位车辆布置平面图 立面图 石角大桥往广州方向第一跨第二载位车辆布置平面图 立面图 18 4 2 7静载试验实例 石角大桥往广州方向第一跨第三载位车辆布置立面图 石角大桥往广州方向第一跨第三载位车辆布置平面图 19 4 2 7静载试验实例 石角大桥往广州方向第一跨桥面挠度测点布置图 石角大桥往广州方向第一跨拱肋测点布置立面图 20 4 2 7静载试验实例 石角大桥往广州方向第一跨拱肋测点布置平面图 石角大桥往广州方向第一跨拱肋测点布置断面图 21 4 2 7静载试验实例 测试项目 结构变形观测 应力观测 裂缝观测结构变形观测挠度 在桥面上沿人行道缘石的多个断面设置挠度测点 采用精密水准仪读数 测试桥梁在各级试验荷载下的挠度 应力观测应变 在各级荷载作用下 测试各拱肋拱顶 拱脚和拱肋L 4截面上的应变变化 采用精度高 抗环境干扰能力强的振弦式应变计 配合配套振弦应变读数仪 测试并记录各测点的应变 裂缝观测试验前和试验过程中仔细检查各观测断面的裂缝状况 并用刻度放大镜观测裂缝宽度变化 在加载过程中 监测主拱肋各测试截面是否出现裂缝 若有裂缝 测试其宽度 22 4 2 7静载试验实例 测试结果 以往广州方向第一跨跨中拱顶截面加载为例挠度 在各级荷载作用下 卸载后变形基本恢复 说明主要承重结构处于弹性工作状态 应变 在各级荷载作用下 两次重复加载结果吻合良好 说明试验结果是可靠的 满载时两次测试的最大压应变基本相同 卸载后只有2 残余应变 说明在中跨加载时拱肋L 4截面处于弹性工作阶段 拱脚截面满载时两次测试的最大压应变基本相同 卸载后应变基本完全恢复 说明在中跨加载时拱脚截面处于弹性工作阶段 裂缝 试验前及试验过程中 拱肋各观测截面及其附近均未发现明显的裂缝 23 4 2 7静载试验实例 分析评定 荷载效率 根据 试验方法 规定 基本荷载的试验荷载效率 应满足0 8 1 0各试验截面得荷载效率为拱脚0 843 拱肋L 4跨0 955 拱肋L 2跨0 881 均满足 试验方法 的要求 试验效率 1 根据 试验方法 规定 量测的弹性变形或力值与试验荷载作用下的理论计算值的比值K应满足 K 本桥为砼拱桥结构 0 7 1 05最大挠度的试验效率K值分别为1 0和0 667 一侧满足要求 而另一侧挠度值不满足 各测试截面最大应变的试验效率K值均大于1 05 不满足要求 24 4 2 7静载试验实例 试验效率 2 量测的残余变形值与量测的总变形值的比值 应满足 本桥为钢筋混凝土拱结构 取 0 20 最大挠度的 值分别为0 307和0 40 不满足要求各测试最大应变测点的 值在0 0 0 159之间 满足要求量测结构的最大变形或力的总值不应超过设计标准的容许值 根据 桥规 规定 钢筋砼拱桥 以汽车荷载 不计冲击力 计算的上部构造最大竖向挠度 不应超过L 800 梁式桥主梁跨中 本次结构的挠度设计允许值为 25 103 800 31 25mm 试验实测最大挠度值 第一跨为1 0mm 第五跨为1 2mm 远小于设计标准的允许值 满足 桥规 的要求 25 4 2 7静载试验实例 结论石角大桥在基本荷载的作用下 其刚度较好 其挠度指标满足 试验方法 的要求 各拱肋观测断面未发现明显的裂缝 结构完整性较好 但是在试验荷载作用下第一跨和第五跨拱肋结构受力不均 多项指标 尤其是拱肋截面应变 不满足 试验方法 的要求 因此 石角大桥不能承受超过汽车 15级的荷载通过 应采取必要的措施限制大型载重车辆通过 并建议对大桥进行加固处理 26 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 一 概述从化市神岗大桥为10孔22m等跨石拱桥 总长约220m 桥面宽度为6m 双向2车道 设计荷载为汽 10级 履 50 其余资料均无 由于路线改造及加宽等原因 需要对该桥的现状进行评估 并希望将荷载等级提高至汽 15级 挂 80 27 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 二 试验对象 目的及依据本次检查及静载试验方案是根据 大跨径混凝土桥梁的试验方法 以下简称 方法 和我国现行的 公路桥梁设计规范 以及有关理论分析计算制定的 主要试验内容有 1 对该桥基础部分的材料 结构及其损坏情况进行详细调查 2 对河道与河床进行调查 3 选择具有代表性的1跨进行两个荷载等级 汽 10级 履 50 汽 15级 挂 80 的静载试验 试验目的是通过上述检查和荷载试验弄清该桥基础的损坏情况 以及考察其现有承载能力和承载能力可能提高的程度 并为今后的维修加固或改建扩建提供理论依据和实验数据 28 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 三 桥梁调查和结构尺寸量测由于本桥无任何设计资料 故需要对其各组成部分的材料 结构及其实际尺寸进行现场调查和测量 并绘制结构尺寸详图 调查拱上和基础建筑构造及材料力学参数等 具体调查和量测内容如下 1 基础根据现有调查资料 该拱桥的基础部分可能是由三部分组成 松木桩 混凝土板 石块砌体 但各组成部分的具体情况 材料 数量 结构 尺寸等 不清楚 而且经过几十年使用后它们的损坏情况如何也不清楚 因此 可采用以下方案进行调查 1 方案一 选择在主河道与副河道之间的河水没有淹没的某一个基础周围进行开挖调查 开挖方法为 在与桥轴向相垂直的基础两侧 即河流的上下游方向 开挖至能观察到松木桩为止 29 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 开挖后 调查量测内容为 松木桩的数量 尺寸及其损坏情况 如有可能还要弄清楚松木桩的长度 混凝土板块的数量 尺寸及其损坏情况 如有可能还要对其材料的力学性能进行抽芯取样调查 石块砌体的数量 尺寸及其损坏情况 如有可能还要对其材料的力学性能进行抽芯取样调查 2 方案二 在主河道中选择一个基础进行围堰开挖调查 除围堰 抽水等工程外 其开挖及调查量测方法基本上与方案一相同 2 河道与河床该部分的调查内容如下 1 河道的变迁及其对桥墩基础的影响 2 河床的变迁 水深 流速 水流对桥墩基础的冲刷情况等 30 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 3 拱圈及上部结构该部分的调查量测内容有 1 主拱圈结构的破损情况 2 上部结构的破损情况 3 拱圈及上部结构实际尺寸的现场量测 4 主拱圈等主要结构材料力学性能的检测 四 单跨静载试验1 试验荷载 根据 方法 的要求 桥梁的静载试验按荷载效率 来确定试验的最大荷载 静力荷载试验效率 的计算公式为 Sstat为试验荷载作用下 检测部位变形或内力的计算值 S为设计荷载作用下 检测部位变形或内力的计算值 为设计取用的动力系数 31 试验时采用6台汽车 2台重200kN 4台100kN 作为试验荷载 试验荷载的载位布置按工况一 偏置加载 和工况二 对称加载 加载载位布置图 2 测点布置和观测方法a 变形观测沿桥面跨中位置设置5个挠度测点 在拱座上下游各设置4个测点 分别用于观测拱座纵横向水平位移和沉降 每跨共17个 采用精密水准仪量测 并采用高精度摄像法 高精度摄像 图像处理法 进行对比观测 挠度各测点布置情况见图示 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 32 b 应力 应变 观测在桥跨跨中上下游的拱圈下缘 1 4点下缘 拱脚处上 下缘布置应变测点 每跨共14个 采用应变片和静态电阻应变仪系统观测结构在每级荷载作用下相应测点位置的应力 应变 变化及分布情况 3 裂缝检查与混凝土强度检测试验前对试验跨进行裂缝检查 在满载试验时也进行裂缝检查 发现裂缝 用刻度放大镜量测裂缝的宽度和长度 为了详细了解基础 拱圈的材料强度 需要对基础 拱圈进行抽芯 直径5cm 共计3个位置 每孔3个 共计9个 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 33 4 试验程序将加载汽车过地磅称重后 排列于边跨引道上 要求距桥台20m以上 正式加载前 非工作人员退场 待一切工作安排就绪后 各试验量测仪表读数调零 进行第1次空载读数 正式实施试验加载 加载采用分级 偏置 再对称程序进行 加载程序依图中序号所示 1 1台重200kN的汽车偏置加载 2 1台重200kN的汽车对称加载 3 1台重100kN的汽车偏置加载 4 1台重100kN的汽车对称加载 5 1台重100kN的汽车偏置加载 6 1台重100kN的汽车对称加载 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 34 每级汽车荷载驶入指定的区域就位后 待前后两级读数相差小于1 或10分钟后记录加载后的读数 卸载时依上述相反顺序 稳定10分钟后记录卸载后的读数 在试验加载过程中 应严格控制每步加载等级 当发现结构读数变化过快 裂缝 挠度 位移 应变过大等异常情况时 应及时中止试验 注意试验过程中的安全 五 协作单位的分工1 搭脚手架 试验跨的跨中 L 4 L 2 3L 4 拱脚处需搭设检测平台 2 围堰 抽水 基础开挖 3 照明及检测临时用电 4 荷载试验用车辆 5 租小船一艘 6 通知公路管理部门 封桥24小时 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 35 六 试验费用概算 总费用约13 7万元 4 2 8桥梁检查与静载试验方案 36 4 3动载试验 利用某种激振方法激起桥梁结构的振动 然后测定其固有频率 阻尼比 振型 动力冲击系数 行车响应等参数 从而判断桥梁结构的整体刚度 行车性能 测量移动车辆荷载作用下 桥梁指定断面上的动应变或指定点的动挠度 实桥测量桥梁结构的自振特性和动力响应 实桥 模型跳车试验 在桥面上设置人工障碍 一定高度的木板 钢板 使行驶车辆产生跳动 形成对桥梁的冲击作用 车辆匀速行驶 在指定位置急刹车 车辆匀速行驶 通过桥面 模拟地震试验 抗风试验 疲劳试验 37 4 3 1动载试验 准备工作 测试项目的确定 桥梁结构动力特性 固有频率 振型 阻尼特性桥梁荷载动力特性 大小 方向 频率桥梁结构动力响应 振幅 动应变 动挠度 冲击系数现场准备工作 跳车试验的位置 刹车位置测试仪器 电磁式 压电式 电阻式传感器速度 加速度传感器 动挠度应变计 动态应变仪 动应变 38 4 3 2动载试验 加载方法 动载试验 施加动载 使桥梁产生振动 通过仪器测试 分析记录的振动信号得到桥梁的动力特性和响应 自振法 突加荷载法 冲击法 跳车突然卸载法共振法 强迫振动设备 激振器 振动台脉动法 对斜拉桥 悬索桥等柔性体系 利用结构的自然振动来确定结构动力特性 39 4 3 3动载试验实例 加速