桥梁荷载试验方案.doc

(完整word版)桥梁荷载试验方案
附件一：参考试验方案
吉祥路中桥荷载试验方案

一、桥梁概述
吉祥路中桥为1×25m正交预应力混凝土简支小箱梁桥。桥宽28m，横断面布置：6.75m（人行道）+14.5m（机动车道）+6.75m（人行道），横断面布置如图1所示，全桥共21片小箱梁。设计荷载：城—A级。

图1 桥梁上部横断面布置图（尺寸单位：cm）

二、荷载试验

（一）试验目的及试验依据

1、试验目的
1）检验该桥整体结构的质量和结构的可靠性；
2）判断桥跨结构在试验荷载作用下的实际受力状态和工作状态，评价结构的力学特性和工作性能，检验结构的承载能力是否能满足设计标准：
3）通过动荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性，以及各控制部位在使用荷载下的动力性能；
4）进行梁的强度、刚度及承载能力评估。

2、试验依据：
1）《公路旧桥承载能力鉴定方法》（以下简称《方法》）；
2）《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ 77-98）；
3）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）；
3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）；
4）吉祥路中桥施工图

（二）试验内容

1、试验部位
1）动载试验：试验项目为跑车、刹车和跳车。
2）静载试验：左辐和右幅主梁跨中最大弯矩加载。
2、主要试验设备
1）变形检测设备
精密水准仪（瑞士徕卡）二套，最小读数0.01mm，精度0.4mm/km
2）应变检测设备
JMZX-2001综合测试仪（长沙金码高科）一套，精度为1
3）动载试验设备
INV306动态数据采集处理系统一套（东方振动研究所）

（三）结构理论分析原理及试验加载方案

1、 结构理论分析原理
吉祥路中桥，为1×25m正交预应力混凝土简支空心板桥。桥横断面由21片小箱梁组成，4车道。
动载试验求动力增大系数时，将荷载布设在第2车道，求解第3车道拾振器处的静载理论挠度值f st 。根据实测动挠度幅值，计算动力增大系数：1＋µ＝1＋/f st
设计荷载：用铰接板梁法计算跨中荷载横向分布系数，利用试验断面的弯矩影响线进行纵向加载，求解设计荷载作用下最不利荷载位置，求得设计活荷载效应（控制荷载模式）。
试验荷载：在影响线上布设试验荷载，致使布载结果与设计荷载效应之比接近于所希望的加载效率，并求解试验荷载下的内力。此内力与设计活荷载效应之比为加载效率。
2、试验加载方法
1）动载试验
动载试验是采用一辆重量约为350kN的汽车，按如下4种工况进行动载试验：
① 在桥面上，汽车分别以20km/h、30km/h和40km/h的行驶速度进行跑车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的振动频率和振幅。
② 在桥面上，汽车分别以20km/h和30km/h的行驶速度进行跑车，在简支梁桥跨中紧急刹车使桥梁产生受迫振动，量测桥梁的振动频率和振幅。
③ 试验跨的跨中位置，汽车从约15cm高的垫木上后轮自由下落对桥梁进行的激励振动，量测桥梁的固有振动频率和阻尼。
④ 在桥梁无车辆通行时，桥梁受环境自然激励，量测桥梁的固有振动频率。
动态测试的测点沿桥跨布置3个，即在L/4，L/2，3L/4位置布置测点（见图2），横断面上第2车道跑车，第3车道安装传感器。大桥的振动信号通过加速度传感器予以测量，并由计算机进行数据采集和记录，然后在通过动态信号分析软件进行分析，给出桥梁动态试验结果。

图2 动载试验传感器测点布置图（尺寸单位：cm）

2）静载试验
① 试验荷载
根据《方法》中的规定，静载试验荷载一方面应保证结构的安全性，另一方面又应能充分暴露结构承载能力问题，加载效率系数取为：
，
在设计荷载城－A级和人群荷载作用下，计算获得跨中最大正弯矩，设计最大弯矩为732.5kN.m。
考虑现场组织标准车队困难，采用弯矩等效原则，试验选用4台约330kN加载车辆，按图3所示的试验载位进行加载，则计算在该试验荷载作用下，空心板跨中控制截面的试验弯矩和试验荷载效率如表1所示。
表1 试验弯矩和效率系数
试验
载位
控制截面
设计弯矩(kN.m)
试验荷载
车载
布置
试验弯矩(kN.m)
试验荷载效率
A
跨中
644.5
4台330kN
图3
617
0.957
本次试验加载采用偏置加载。加载分为四级加载。

注：di为加载分级距离，d1＝550，d2＝400，d3＝300，d4＝200
图3 A载位跨中位置车辆布置图（单位：cm）

② 测点布置和观测方法
A. 应力（应变）观测
应变测点布置在1#～21＃梁跨中梁底，弯矩较大的10#梁、11号梁和12#梁在梁底沿纵向布置3个测点（一个测点在跨中截面，另两个测点对称跨中测点布置，净距10cm），其余各梁在梁底布置1个测点，11号梁两侧分别沿梁高布置3个测点，12号梁一侧沿梁高布置3个测点，全桥共30个测点，采用粘贴弓形应变计的方法观测混凝土的应变，用JMZX-2001综合测试仪量测各片梁测试断面的混凝土的应变。应变测点位置见图4。

图4 应变测点布置和测试断面图（单位：cm）
B．变形观测
对于简支梁桥，依据《试验方法》要求，本次试验沿试验桥跨跨中截面每片小箱梁、弯矩最大的三片梁（10#、11#和12#梁）1/4跨、3/4跨和支点的位置布置挠度测点，共计33个测点，具体测点布置见图5。采用精密水准仪测量。

（四）试验步骤
1、动载试验
1）载位及测点布设
选择试验桥跨的第3车道为动载加载车道。在第2车道的L/4、L/2、3L/4处各安装拾振仪一个。
2）跑车试验
选择一辆载重30t的汽车为试验车辆，分别以20km/h，30km/h，40km/h的车速在试验车道上行使。测得引桥的振动频率，最大动挠度。
3）刹车试验
选择一辆载重30t的汽车为试验车辆，分别以20km/h，30km/h的车速在试验车道上行驶试验桥跨，并在引桥的跨中位置紧急制动。分别测得引桥的振动频率，最大动挠度。
4）跳车试验
选择一辆载重30t的汽车为试验车辆，将15cm高跳板放在试验桥跨第3车道跨中，令试验车缓慢驶上跳板，待稳定后，使前轮从跳板上自由滑下，同时测得引桥的振动频率及动挠度。
5）在桥梁无车辆通行时，桥梁受环境自然激励，量测桥梁的固有振动频率。

图5 挠度观测点的测点布置图（尺寸单位：cm）
2、静载试验
（1）将加载汽车过地磅称重后，排列于被测试桥跨外20米以上。
（2）正式加载前，两排四辆加载车辆并排缓慢地来回二次对全桥进行预压，然后非工作人员退场，待一切工作安排就绪，各试验量测仪表读数调零，进行第一次空载读数，同时记录试验的气候温度。
（3）正式实施试验加载，每个试验载位采用偏置进行加载。试验加载分五级进行。每个载位满载后，记录该时间的气候温度。
每级汽车荷载驶入指定的区域就位后，稳定15分钟记录加载后开始试验观测第一次读数，间隔10分钟再记录加载的第二次读数，两次读数差均小于前次读数增量的10％时，认为结构变形已趋稳定。此时所记录的数据为试验实测数据。
（4）该桥试验的载位满载完成后进行一次卸载，稳定20分钟后观测应变数据，待应变数据稳定后，量测挠度。测量完成后，记录该时间的气候温度。

随着公路运输事业的飞速发展，公路建设进入一个前所未有的大发展阶段，我国依靠自己的力量，建成了不同结构形式的大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续刚构桥等等，这些桥梁技术复杂，科技含量高，施工难度大，表明我国桥梁建设技术水平已经迈入世界先进行列。这些大量新建桥梁，尤其是新型结构特大桥，检验其施工质量最有效、最直接的方法就是进行荷载试验。同时随着大量低等级公路市政桥梁被改建或者扩建，这些服役几十年的桥梁能否继续使用已经成为管理决策部门关注的一件大事。
据统计，上世纪70年代以前修建的大量低标准桥梁已达到或者接近设计基准期，在各种不利因素的长期影响下桥梁结构性能可能发生巨大的变化，有些桥梁已出现不同程度的损伤，甚至其承载能力已大大降低而逐渐演变成为危桥，对这类桥梁急需加以综合评定，以便采取相应的技术改造措施或拆除重建等处理方案，而对现役桥梁结构进行承载能力评定最有效最直接的方法也就是桥梁荷载试验。
概念
桥梁荷载试验按荷载性质分为静载和动载试验两个部分：
桥梁静载试验是将静止的荷载作用在桥梁的指定位置上，检测桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝、沉降等静态参量的试验项目，然后根据相关规范和规程的指标，判断桥梁结构的承载能力以及在荷载作用下的工作性能。
桥梁动载试验则是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、动力冲击系数、动力响应（加速度、动挠度）等动态参量的试验项目，从而宏观的判断桥梁结构的整体刚度与运营性能
桥梁荷载试验又可根据测试对象的不同，分为现场桥梁试验和室内桥梁模型（或部件）试验，前者多用于既有桥梁检定，后者多用于重要的或新型桥梁的设计阶段，必要时还可做模型或部件的破坏性试验。
目的
1）检验桥梁设计与施工质量
对于一些新建的大、中型桥梁或者具有特殊设计的桥梁，在设计施工过程中必然会遇到许多新的问题，为保证桥梁建设质量，施工过程中往往要求作施工监控。在竣工后一般还要求进行荷载试验，以检验桥梁整体受力性能和承载能力是否达到设计文件和规范的要求，并把试验结果作为评定工程质量优劣的主要技术资料和依据。
2）判断桥梁结构的实际承载能力
旧桥由于构件局部发生意外损伤，使用过程中产生明显病害，设计荷载等级偏低、原有设计资料遗失以及需要通过特种车辆等原因，都有必要通过荷载试验判定构件损伤程度及其承载力、受力性能的下降幅度，确定其运营荷载等级。同时，荷载试验也是改建、加固设计的重要依据。
3）验证桥梁结构设计理论和设计方法
对于桥梁工程中的新结构、新材料和新工艺，应通过荷载试验验证桥梁的计算图式是否正确，材料性能是否与理论相符，施工工艺是否达到预期目的。对相关理论问题的深入研究，往往也需要大量荷载试验的实测数据。
主要内容
第一阶段 考察和准备阶段
第二阶段 加载试验和观测阶段
第三阶段 分析及总结阶段
第一阶段
1、试验孔（墩）的选择
对于多孔桥梁，一般同一跨径选择一孔（或墩）进行加载试验。选择时应综合考虑以下因素：
（1）该孔（或墩）计算受力最不利；
（2）该孔（或墩）施工质量较差、缺陷较多或病害较为严重；
（3）该孔（或墩）便于搭设脚手架，便于设置测点或便于实施加载。
选择试验孔的工作与制定计划前的调查工作结合进行。
2、加载方案的制定

在选择了加载孔（或墩）后，需进行具体加载方案的分析和计算，这是荷载试验前期准备中最重要，也是最核心的部分。方案的制定主要包含如下的几个方面：
（1）荷载试验工况的确定
a）简支梁桥
跨中正弯矩工况
1/4L最大正弯矩工况
支点最大剪力工况
桥墩最大竖向反力工况

b）连续梁桥
主跨跨中最大正弯矩工况
主跨支点负弯矩工况
主跨桥墩最大竖向反力工况
主跨支点最大剪力工况
边跨最大正弯矩工况

c）悬臂梁桥（T型刚构桥）
支点（墩顶）最大负弯矩工况
锚固孔跨中最大正弯矩工况
支点（墩顶）最大剪力工况
挂孔跨中正弯矩工况

d）无铰拱桥
跨中最大正弯矩工况
拱脚最大负弯矩工况
拱脚最大推力工况
正负挠度绝对值之和最大工况

e）刚架桥（包括斜腿刚架和刚构-
拱式组合体系）
跨中截面最大弯矩工况
柱腿截面最大应力工况
支点附近截面最大应力工况

（2）试验荷载等级的确定
① 控制荷载的确定
为了保证试验的效果，必须先确定试验
的控制荷载，控制桥梁设计的荷载有下列几
种：
a. 汽车和人群（标准设计荷载）
b. 挂车或履带车（标准设计荷载）
c. 需通行的特殊重型车辆
分别计算以上几种荷载对结构控制截面产
生的内力（或变形）的最不利值，进行比
较，取其最不利者对应的荷载为控制荷载。
② 静载试验效率的确定
为了达到理想的试验效果，一般要求加载试验所用荷载根据设计标准荷载的最不利效应值进行等效换算，使试验荷载在主要控制截面产生的计算效应与其相近，其接近程度一般用静载试验效率ηq来表示：

• 交通部《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》要求静载试验效率ηq一般在0.80～1.05范围内，试验效率一般不宜小于0.95。
• 对于病害比较明显的旧桥，为确保荷载试验过程中的安全，需按照相关规范对旧桥的承载能力进行检算，初步确定当前桥梁结构的承载力，保证试验荷载效应不超过结构承载力，进而合理确定荷载试验的静载试验效率系数。
• ③ 静载加载分级与控制
• 为了加载的安全和了解结构应变和变位随荷载增加的变化关系，对桥梁荷载试验的各试验工况的加载应分级进行。一般可按最大控制截面内力荷载工况均分为4～5级，对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，必要可在加载车辆未到达预定加载位置前分次对控制测点进行读数监控，以确保试验的安全。
• 3、搭设脚手架和测试支架
• 脚手架和测试支架应该分开搭设互不影响，脚手架和测试支架应有足够的强度、刚度和稳定性。脚手架应保证工作人员的安全、方便操作。测试支架要满足仪表安装的需要，且保证在试验时不受干扰。桥下净空较高，不易搭设脚手架时可采用轻便活动吊架。如有需要还须设置遮挡阳光的设备，雨季还须采取措施防雨防水。
• 4、静载试验加载位置的放样和卸载位置的安排
• 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。如加载工况较多，可预先放样，且标识工况名称以区分不同加载工况时的荷载位置。
• 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段距离处。对于多孔桥，如有必要可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。
• 5、试验人员组织和分工
• 桥梁的荷载试验是一项技术性较强的工作，应组织专门的桥梁试验队伍来承担，根据各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时间大致相同。在试验前，应对各仪器进行演练和调试，试验中，设试验总指挥1人，其它人员的配备可根据具体情况而定
• 6、其它准备工作
• 加载试验的安全设施、供电照明设施、通讯联络设施、桥面交通管制等工作应根据荷载试验的需要进行准备。
• 第二阶段
• 在完成准备工作后，即可进行试验加载和观测。加载试验应在现场指挥的统一指挥下有秩序进行，现场总指挥应检查不同分工的测试人员是否各司其职，交通管理、加载（或司机）和联络人员是否到位，加载设备、通讯设备和电源（包括备用电源）是否准备妥当，加载位置测点放样和测试仪器安装是否正确。然后利用过往车辆对各测点进行预先演练，观察其规律性，使整个测试系进入正常工作状态。然后记录气候天气情况和试验开始时间，进行正式试验。
第三阶段
通过静载试验得到的原始数据、文字和图像描述材料是荷载试验最重要的资料。虽然它们是可靠的，但这些原始资料数量庞大，不直观，不能直接用于评定承载能力，故进行承载能力评定前必须对它们进行分析处理，得出直接进行承载能力评定的指标，以满足承载力评定的需要。
动载试验
桥梁结构的动力荷载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力荷载与桥梁结构的联合振动特性。这些测试结果是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。主要试验项目包括：
（1）桥梁结构动力反应的测定，包括动位移、动应力和冲击系数等；
（2）测定桥跨结构的自振特性，包括自振频率、振型和阻尼特性等；
（3）测定动荷载本身的动力特性，包括动力荷载的大小、频率及作用规律等；
（4）疲劳性能试验：主要测试结构和构件的疲劳性能。
动力荷载试验一般偏重于1、2两项，对于铁路桥梁，第3项要实测机车在桥上的制动力和与旅客舒适度有关的列车过桥时车桥联合振动的动位移和动应力的时程曲线，第4项一般只在实验室对桥梁构件进行疲劳试验。
• 动力荷载试验一般主要通过跑车、跳车、刹车和脉动试验来进行。
• （1）跑车：试验车辆以不同的时速通过测试桥梁；
• （2）跳车：在预定激振位置放置一块15cm高直角三角木，试验车辆以不同的速度行驶，后轮越过三角木后立即刹车；
• （3）刹车：车辆紧急制动；
• （4）脉动试验：桥梁空载工况下，受风、地面微振等环境因素的影响，桥梁所受的激励是平稳的各态历经宽带随机激励，结构响应的主谐量，是在其固有频率附近的微振动，通过拾振器、放大器放大近万倍，记录桥梁受环境影响下的振动时程曲线，通常称脉动试验。
四、桥梁荷载试验的主要仪器设备
检测仪器与设备

检测项目

东华静态应变测试系统DH3816
长、短标距应变片
应力测试

电测位移计（YHD-100）
光电挠度仪
全站仪

挠度测试

东方所动态测试系统 INV-306U
891-Ⅱ型拾振器
DLF-8型电荷放大器
DH3817动静态应变仪

自振频率测试
冲击系数测试
阻尼比测试

（1）必须全面系统搜集试验桥梁的设计、竣工资料，历年大维修资料，改扩建资料，没有资料时需向桥梁附近群众调查桥梁的建造年代等资料。
（2）对被试验桥梁必须进行仔细的检查，分析病害对承载能力的影响，为制定符合实际的加载方案做准备。
（3）制定符合规范而又安全的加载方案。
（4）加载时必须逐步分级加载，实时跟踪分析各控制测点应变、变形，发现异常应暂行试验直至终止加载试验、确保安全。

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