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1、桥梁荷载试验,广东省建筑科学研究院路桥所 李 健 2012年5月,内容提要,一、荷载试验试验的必要性 二、荷载试验的局限性 三、荷载试验的基本知识 检测新技术 四、静力荷载试验的操作 五、动力荷载试验的操作,第一节2：303：30 休息20分钟 第二节3:50-4:50 讨论4：505：30,第一章：试验的必要性,性能的衰退,性能的自然衰退 桥梁结构运营使用期长达几十年、甚至上百年；桥梁本身性能会出现退化和衰减；而经济的增长对桥梁的使用需求逐渐提高；性能的自然衰退已经对桥梁的养护维修提出了很高要求,06年12月3日印度铁路桥梁突然倒塌（人死亡）,桥梁必须进行维修维护才能满足使用需求 适时维护费
2、用之和低于被迫维修费用,灾害,不可避免的灾害 桥梁在其长期服役期内不可避免的遭遇环境侵蚀、荷载的长期效应, 甚至地震，台风等自然灾害；及车辆船舶撞击等人为灾害；保持桥梁的最佳技术状态方能最大可能的抵御偶然灾害,2007年6月15日广东佛山九江大桥受船撞击倒塌,汶川地震中倒塌的白花大桥,缺陷,设计缺陷 1）规范缺陷 车辆，船只载重不断提升，设计规范标准无法满足实际使用需要 桥梁高度,跨度,抗侧向冲击能力不能满足防撞的需要 对桥梁耐久性考虑不足 设计规范标准过低 我国规范规定的车辆荷载安全系数(1.4)远低于英美等国(1.7)； 我国规范规定的材料设计强度定得过高; 混凝土保护层设计厚度不足(小于
3、通用国际规范的一半). 2）设计错误 盲目求新，新桥型缺乏全面技术论证 人为设计错误,质量差,施工质量缺乏保障 追求施工进度牺牲桥梁质量； 施工竞争激烈，工程造价过低； 施工单位水平参差不齐； 偷工减料。,2007年8月13日湖南凤凰桥梁倒塌,低劣的施工质量,管养工作不到位 桥梁的设计，竣工，检测和养护资料严重缺乏，资料管理不到位。 桥梁的合理使用未得到正确指引，大部分桥梁缺乏承载力，限高等标识。 城市桥梁养护技术规范规定的经常性检查，定期检测，特殊检测制度未能全部得到实施，许多桥梁的技术现状无法及时得到掌握 对桥梁安全使用缺乏管理，超载，超速，超高现象普遍。 长期监测等保障桥梁使用安全的技术
4、措施未能得到有效实施。 报批、立项、招投标程序较长，即使被评为危桥的桥梁的安全隐患也得不到及时排除，在加固维修前许多桥梁仍超负荷使用。 用于桥梁检测、维修加固的专项资金严重缺乏。,管养不到位,2007年8月1日美国明尼苏达州桥梁倒塌,检测的必要性,外观检测：以目测及无损探伤技术为主，发现、测量桥梁的病害，结合数据及专业知识，分析病害产生原因，预测病害的危害。 静荷载试验：通过施加静荷载，测量结构在静荷载作用下的变形变位等响应，验证或确定结构的承载能力。 动荷载试验：采用刹车，跳车，跑车等技术手段，确定桥梁的动力特性及动荷载对桥梁的冲击作用。,第二章：荷载试验的局限性,荷载试验是什么,通过静动载
5、试验掌握荷载作用下的应力、挠度大小和动力特性，掌握桥跨结构的现有工作状态，判断桥梁的实际工作状况是否符合相关规范要求；其结果可以作为今后定期养护的技术参考。 是实测数据与材料性能的比较 是实测数据与理论模型的比较。 是理论模型与设计模型、设计规范的比较,局限性,竖向测试 侧向冲击 洪水、台风、地震等 上部结构 墩台缺陷 基础沉降 测试精度 大刚度结构 局部部位测试 结构型式变化的结构 出现塑性铰的结构 设计模型 设计缺陷？ 单次测试 耐久性变化？,荷载试验有帮助么？,湖南平江大桥倒塌、质量受质疑,竖向测试 挖沙船撞击 测试精度 砌石结构 上部结构 桥墩 荷载试验能测到没有钢筋么？！,结论,荷载
6、试验对于验证桥梁上部结构承受通行荷载的能力具有实际指导意义。 检测单位应充分认识荷载试验的局限性，正确分析和评估桥梁能力。 管养单位应充分认识荷载试验的局限性，不应将荷载试验等同于桥梁检测。,第三章：荷载试验的基本知识,1）、技术标准： 广东省城市桥梁检测技术标准（DBJ15-87-2011） 城市桥梁检测与评定（预计2013年） 大跨径混凝土桥梁的试验方法（试行）（交通部公路科研所 1982年） 公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）（交通部公路科研所 1988年） 广东省城市桥梁检查和检验评定办法（试行） 市政桥梁工程质量检验评定标准（CJJ2-90） 混凝土结构工程施工质量验收规范（GB502
7、04-2002） 2）、收费标准： 穗价函2004405号关于交通建设工程现场检测和工程材料试（检）验收费问题的复函。,荷载试验的规范依据,桥梁荷载试验就是一种比较直观评定桥梁承载力的方法，而且比较为广大工程技术人员所接受。,荷载试验的分类,是通过对结构进行脉动测试、汽车的行车、跳车、刹车激振或其他方式的激振试验测试桥梁结构上各控制部位的动挠度、动应变、模态参数，然后通过模态参数识别结构的损伤。,是将静力荷载作用在桥梁上的指定位置，测试结构的静应变（应力）、位移（挠度）和裂缝等项目，推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态，评定结构的承载能力和安全性能是否符合设计和使用的要求。,荷载试验,（1）工程
8、检验性质： 1）验收性荷载试验 2）鉴定性荷载试验,（2）最大荷载量： 1）基本荷载试验 2）轻型荷载试验 3）重型荷载试验,分类,主要内容,（1）脉动试验 （2）跑车试验 （3）跳车试验 （4）刹车试验,荷载试验的目的,1）检验桥梁设计施工质量,荷载试验目的,2）判定桥梁结构的实际承载力,3）验证桥梁结构的设计理论和设计方法,1）确定桥梁结构的承载能力及营运条件,2）分析桥梁病害原因及其变化规律,哪些桥要做荷载试验呢？,荷载试验的对象,（1）竣工验收前的新建、改建、扩建和加固的中桥、大桥、 特大桥及特殊结构桥梁,满足下列条件的桥梁须做荷载试验,（2）投入使用后最近五年内未进行荷载试验的桥梁,
9、（3）经定期检测评定等级为D级或不合格级，且采用其它检测方法仍难以确定其整体性能和使用功能的桥梁,（4）验证结构设计理论的实验性桥梁,（5）对于设计中动力问题突出的特大跨度桥梁（如地震区、沿海飓风区、考虑船舶撞击的桥梁），应进行特殊设计的动力荷载试验,（6）其它有需要进行承载能力鉴定的桥梁,试验孔的选择,1）该孔（或墩）计算受力最不利,试验孔的选择应结合桥梁调查与检算工作一并进行。对多孔结构中跨径相同的桥孔（或墩）可选择13个具有代表性的桥孔进行荷载试验。选择时应综合考虑以下条件：,2）该孔（或墩）施工质量较差，缺陷较多或病害较严重,3）该孔（或墩）便于搭设脚手架及设置测点或试验加载实施,4）
10、加载路径的考虑,其它准备工作,根据加载进行的项目和桥址处的交通状况应作好加载试验的安全措施、加载方式的选择、供电照明设施、通讯联络设施、桥面交通管制等方面的准备工作。,检测新技术,检测工作管理系统,联系人：王旭东 电话：15815818969,多达64通道同步采集,自主开发的应变采集系统,同时兼容电阻应变片和振弦传感器,针对桥梁荷载试验开发的智能软件,更加低廉的价格,联系人：王旭东 电话：15815818969,招投标管理系统,招投标信息的存储和统计 人员、设备、资质、业绩的自动检索 自动生成word文档,桥梁信息管理系统,桥梁档案管理 自动化BCI评价 桥梁管养工作报警 桥梁加固方案制定 上
11、下级沟通,影像测量技术,第四章：静力荷载试验的操作,荷载试验的步骤,1）明确荷载试验的目的,2）试验准备工作,3）荷载试验的方案拟定,荷载试验主要内容包括：,4）荷载试验的测点设置与测试仪器、设备组配,5）荷载试验的加载等级控制与试验过程安全控制,6）试验数据分析与结构性能评定,7）试验报告编写,以上荷载试验内容主要包含在三个阶段： 桥梁结构的考察和试验准备（1-2） 加载试验与观测（3-5） 测试结果的分析与评定（6-7）,试验方案,1）试验要求：目的、类型、项目和依据标准。,计划与准备阶段：收集试验桥梁的设计图纸等有关技术资料，考察桥梁的现状和试验环境条件，根据测试项目制定试验计划大纲。,
12、试验计划主要包括：,2）技术资料调查：原有设计、计算与施工的基本资料，结构现状（包括存在的问题和缺陷）及必要的检算数据报告。,3）加载方案：最大荷重、加载设备和加载图式。,4）观测方案：观测内容、测点布置、量测方法。,5）仪器设备：工作状态、测量精度、检定情况和数量。,6）试验程序：加、卸载程序与观测程序，试验终止条件。,7）组织与分工：试验组织框架，明确人员分工职责，具体协调要求。,8）安全措施：制定桥梁交通安全保障方案，报交管部门批准，明确试验期间人员、施工设施、仪器设备等安全的措施。,9）加载试验资料的整理要求。,10）试验成果分析与评定内容。,理论计算,桥梁承载能力鉴定仪器设备,主要仪
13、器设备,加载,挠度测量,静载数据采集,动载数据采集,设备选择：应变,电阻应变片,振弦应变计,光纤光栅应变计,设备选择：应变,加速度传感器,加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量） 力的转化方式：电阻、电容、压电,加速度传感器性能对比,搭设测试支架,试验前应对观测脚手架搭设及测点附属设施设置、静载试验加载位置的放样与卸载位置的安排和试验人员的组织与分工做详细的计划安排。,脚手架的搭设要因地制宜、牢固可靠，方便布置安装观测仪表，同时要保证不影响仪表和测点的正常工作，且不干扰测点附属设施。在不便搭设固定脚手架的情况下，可考虑采用轻便灵活的吊架、挂篮或专用的桥梁
14、检查设备（检查车、检查架等）。,几种支架搭设情况:,试验加载位置的放样与卸载位置的安排,静载试验前应在桥面上对加载位置进行放样，以便于加载试验的顺利进行。如加载程序较少，时间允许，可在每程序加载前临时放样。如加载程序较多，则应预先放样，且用不同颜色的标志区别不同加载程序时的荷载位置。,静载试验荷载卸载的安放位置应预先安排。卸载位置的选择既要考虑加卸载方便，离加载位置近一些，又要使安放的荷载不影响试验孔（或墩）的受力，一般可将荷载安放在桥台后一定距离处。对于多孔桥，如有必要将荷载停放在桥孔上，一般应停放在距试验孔较远处以不影响试验观测为度。,试验人员的组织与分工做详细的计划安排,桥梁试验队伍一般
15、由桥梁结构工程师、专业技术测试人员、仪器仪表工程师、熟练技术的不同专业、不同层次的人员组成。试验时应根据每个试验人员的特长进行分工，每人分管的仪表数目除考虑便于进行观测外，应尽量使每人对分管仪表进行一次观测所需的时间大致相同。所有参加试验的人员应能熟练掌握所分管的仪器设备，否则应在正式开始试验前进行演练。为使试验有条不紊地进行，应设试验总指挥1人，其他人员的配备可根据具体情况考虑。,试验工况的确定,试验控制截面应根据具体的测试项目而定在满足鉴定桥梁承载能力的前提下，加载试验项目应抓住重点，不宜过多。一般应有23个主要内力或位移控制截面。此外，可根据桥梁具体情况可设置几个附加内力控制截面。,对于
16、斜拉桥、悬索桥等特殊桥梁结构，测试的内容主要包括主梁最大挠度、主梁控制截面最大内力、索塔塔顶水平变位、主缆最大拉力、斜拉索最大拉力。其次包括主梁最大纵向漂移；主塔控制截面最大内力；吊索最大索力等。结合结构设计特点制订其他检测内容。,注意取值：提高还是降低、新桥与旧桥,试验控制荷载的确定,荷载试验应以设计荷载等级相应的活载效应控制值或有特殊要求的荷载效应值作为试验控制荷载。,根据桥梁需要鉴定承载能力的荷载：汽车+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，分别计算其对控制截面产生的最不利荷载效应（内力和位移），用产生最不利荷载效应较大的荷载作为试验控制荷载。,为了加载安全和
17、了解结构应变和变位随试验荷载增加的变化关系。,加载分级与控制,1、分级控制的原则,（1）当加载分级较为方便时，可按最大控制截面内力荷载工况均分为45级。,（2）当使用载重车加载，车辆称重有困难时也可分成3级加载。,（3）当桥梁的调查和验算工作不充分，或桥况较差，应尽量增多加载分级。如限于条件，加载分组较少时，应注意每级加载时，车辆荷载应逐辆缓缓驶入预定加载位置，必要时可在加载车辆未到达预定加就位置的分次对控制测点进行读数监控，以确保试验安全。,（4）在安排加载分级时，应注意加载过程中其他截面内力亦应逐渐增加，且最大内力不应超过控制荷载作用下的最不利内力。,（5）根据具体条件决定分级加载的方法最
18、好每级加载后卸载，也可逐级加载，达到最大荷载后逐级卸载。,北京顺义悬索步行桥静载试验中倒塌,加载分级与控制,2、车辆荷载加载分级的方法,（1）逐渐增加加载车辆数。,（2）先上轻车后上重车。,（3）加载车位于内力影响线的不同部位。,（4）加载车分次装载重物。,根据各荷载工况的加载分级，技弹性阶段计算结构各测点在不同荷载等级下的理论计算变位(或应变)，以便对加载试验过程进行分析和控制。计算采用的材料弹性模量如已做材料试验的用实测值，未做材料试验的可按规范规定取值。,以上各法亦可综合采用，以方便加载分级实施。,3、加卸载的时间选择,主要是考虑温度变化对试验引起的影响，一般以晚10时至晨6时为宜。,4
19、、加载分组的计算,加载设备的选择及加载物称量,1、加载设备的选择,可行式车辆、重物直接加载,2、加载重物的称量,称重法、体积法、综合计算法 轴重 无论采用何种方法确定加载重力，均应做到准确可靠，其称量误差最大不得越过5%，最好能采用两种称量方法互相校核。,测点布置,1、主要测点的布设,布没的测点不宜过多，但要保证观测质量。有条件时，同一测点可用不同的测试方法进行校对。一般情况下，对主要测点的布设应能控制结构的最大应(应变)和最大挠度(或位移）。,2、附加测点的布设,根据桥梁调查和检算工作的深度，综合考虑结构持点和桥梁目前状况等可适当加设以下测点：,（1）挠度沿桥长或沿控制裁面桥宽方向分布。,（
20、2）应变沿控制截面桥宽方向分布。,（3）应变沿截面高度分布。,（4）组合构件的结合面上、下缘应变。,（5）墩台的沉降、水平位移与转角，连拱桥多个墩台的水平位移,（6）剪切应变,（7）其他结构薄弱部位的应变,（8）裂缝的监测,试验观测与记录,1、仪表的测读与记录,主要包括应变测试仪表和变形测试仪表的测读和记录,2、温度稳定观测,3、裂缝观测,加载的实施和控制,1、加载程序,重物加载：按荷载分级逐级加载，每级荷载堆放位置准确、整齐稳定。荷载施加完毕后，逐级卸载。,车辆加载：用车辆加载时，先由零载加至第一级荷载、卸载至零载；再由零载加至第二级何载，卸至零载，直至所有荷载施加完毕(有时为了确保试验结果
21、准确无误，每一级荷载重复施加12次)。每一级荷载施加次序为纵向先施加重车，后施加前后标淮车；横向先施加桥中心的车辆，后施加外侧的车辆。,2、加载稳定时间控制,重所有测点读数时间必须基本相等，在加载前均需进行零读数，以后每次加卸载后立即读数一次，并在结构变位稳定后，进入下一级荷载前再读数一次。对于结构变位最大的测点，需每隔5min读数一次，以观测结构变位相对稳定与否。每次测读时，应记录测试环境影响因素如温度、湿度等。,加载的实施和控制,3、终止加载的控制条件,（1）控制测点应力（应变）或挠度（变位）超过计算控制值和规范允许值。,（2）超过规范允许宽度的裂缝大量增多，对桥梁使用寿命造成明显影响。,
22、（3）墩台变位超过允许值且不能稳定。,（4）发生其它损坏，影响桥梁承载能力和正常使用。,（5）达到最大试验荷载。,4、重新进行试验的条件,（1）加载步骤错误。,（2）量测系统出现故障，对采集数据的质量有怀疑时。,（3）试验受外界环境干扰或其他因素影响导致试验失败。,试验数据处理,1、试验资料的修正,（1）测值修正,（2）温度影响修正,（3）支点沉降影响修正,2、各测点变位与应变计算,（1）总变形,（2）弹性变位,（3）残余变位,3、试验数据处理的主要成果曲线,（1）荷载-变形曲线,（2）位置-变形曲线（挠度沿桥梁纵轴线及横向的分布曲线）,（3）应变沿截面高度的分布曲线,试验结果评定,与模型的比
23、较 与规范的比较 与材料能力的比较 与以前的检测数据的比较,试验结果评定（与模型的比较）,1、校验系数（ ）,试验荷载作用下测点的实测弹性值（ Se）与相应的理论计算值（ Sstat ）的比值应满足公式3.9.1要求。（实测值可以是挠度、应变等）。,2、残余比（ ）,卸载后测点的实测残余值（ Sp ）与该测点的总实测值（ Stot ）的比值应满足公式3.9.2要求。,3.9.1,3.9.2, 、1取值如下表所示。,试验结果评定（与设计规范的规定）,3、在试验荷载作用下，主要挠度测点的实测值不应超过下表所列限值,试验结果评定（与设计规范的比较）,4、在试验荷载作用下，裂缝宽度不应超过下表允许值。
24、,第五章：动力荷载试验,测试内容,测定结构的固有频率、阻尼比和振型等参数,测定结构受迫振动频率、加速度、振幅和冲击系数等参数。,试验内容,试验荷载,1、可选择下列形式之一的激振荷载测定桥梁自振特性,（1）环境振动法激振,（2）跳车激振,2、可选择跑车、刹车试验测定桥梁受迫振动特性。,（3）车辆通过桥梁后的余振,（4）撞击或冲击荷载,（5）突然卸载,（6）运转频率可调节的起振机(可测定不同振型的频率),（7）对于频率低、柔性大的桥梁可用有节奏行进的人群荷载,跑车试验时宜采用接近运营条件的车列或单辆重车以不同的车速通过桥梁，试验时车辆宜匀速通过；刹车试验时宜采用单辆重车在桥梁动力效应最大的检测位置
25、紧急刹车进行试验。,应根据试验的目的选择合适的试验荷载。,试验实施,1、脉动试验应测试记录桥梁振动加速度，并根据现场情况，在结构的敏感点布置拾振器。脉动试验应符合下列要求：,（1）针对不同的试验目的和桥型，测定固有频率的阶数可以不同，通常悬索桥、斜拉桥不宜少于10阶，连续梁桥、刚构桥、拱桥和简支梁桥不宜少于3阶,2、跑车和刹车试验应采用不同的车速试验，车速宜为5 km/h、10 km/h、20 km/h、30km/h最大试验速度。最大试验速度以接近最大允许车速为宜，现场条件有限时，应适当降低车速。试验时应全面记录车桥联动和桥梁自由衰减振动的动态响应，记录时间不宜少于30min或以波形衰减完为止
26、。试验车速未到最大试验速度前应对控制测点的响应值进行适时监控以确保试验安全。,（2）脉动试验记录时间不宜少于30min，当大跨径桥梁测试断面较多时，可分批次记录，但应保证有一个共同的参考点。,3、跳车试验宜由载重车后轮越过高5cm15cm障碍物后立即停车的方法激振桥梁结构。跳车试验应全面记录桥梁结构的动态响应，记录时间以振动波形衰减完为止。,试验观测与记录,1、记录桥梁的竖向、水平向和扭转振动位移、应力(应变)、速度或加速度的时程曲线,2、记录对应的动力荷载试验参数(车重、速度、加速度和振动频率等)、车辆进出时间、仪器参数等,试验资料的整理,1、桥梁自振特性试验资料的整理,（1）结构的固有频率
27、,（2）结构的阻尼特性,（3）结构的振型曲线,（4）结构各控制截面的振动速度或加速度的分布图,2、桥梁受迫振动特性试验资料的整理,（1）动力荷载试验效率,（2）冲击系数,（3）结构受迫振动频率、振幅与加速度,（4）冲击系数与车速的关系曲线,（5）冲击系数与受迫振动频率的关系曲线,（6）车速与受迫振动频率的关系曲线,（7）卸载后(车辆出桥后)的结构固有频率,试验结果评定,（1）比较桥梁结构频率的理论值与实测值，判定结构与设计的相符程度。,（2）根据动力冲击系数的实测值来分析评价桥梁结构的行车性能。,在实际测试中，通常通过以下几个方面来评价桥梁结构的动力性能。,（3）与过往动测性能比较判定结构损伤。,谢谢！,