基于DASP数据采集分析系统的桥梁动静载测试
资源下载
摘要
本文运用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP数据采集分析系统，对某环城路两跨连续小箱梁公路桥进行了静载荷、动载荷测试，得出了有用的结论，为评价桥梁设计的合理性及桥梁施工质量提供了有用依据。
1．前言
某环城路两跨连续小箱梁公路桥,结构简图如图1所示，单幅桥梁沿横向布置为0.483m（防撞护栏）+12.274m（行车道）+0.483m（防撞护栏）。标准宽度13.24m，桥面由4个箱梁组成，单跨长度25米。按照部分预应力混凝土A类构件设计。设计荷载：公路-Ⅰ级。桥梁在建成通车之前,必须对桥梁结构设计的合理性、桥梁工程施工质量、工程的可靠性进行检测，为交工验收提供技术依据。
图1 桥梁结构简图及实验控制截面（单位：cm）
2．检测内容
依据相关公路桥涵设计通用规范，对该两跨连续梁公路桥主要做以下两方面的检测：
(1) 静载试验；(2) 动载试验；
通过获取静力试验指标评价桥梁结构强度；通过获取动力试验指标评价桥梁整体刚度。亦即动载实验可以直接了解桥跨结构在试验荷载下的实际工作状态，评价其在设计使用荷载下的工作性能；了解桥跨结构的固有振动特性和正常使用阶段的动载性能，为论证其抗震性能提供依据，同时也为建立桥梁维护管理档案提供动力学参数。
3．桥梁静载测试
3.1 静载测试内容
①试验跨结构的最大挠度及纵向挠曲线；
②试验跨结构控制截面最大应力（应变）及沿截面高度的分布图；
③加载跨的支点及墩台变位；
④裂缝的增加和扩展，包括裂缝的数量、宽度、长度、间距、位置、方向和性状以及卸载后的闭合状况。
3.2 静载测点布置
①应力（应变）测点
根据桥梁结构特点及分析计算，在每个试验控制截面布设7个应变测点，如图2所示为控制截面1测点布置及编号。控制截面2、3测点布置方式和截面1相同，编号依次递增。全桥共计布置21个应变测点（不计温度补偿片）。在每个测点按1/4桥布置应变片。静态应变测试仪器连接如图3所示。将应变信号引入静态应变仪，静态应变仪再和DASP软件连接进行测试。
图2 1-1截面测点布置及编号
图3 测试仪器连接简图
②挠度测点布置
根据试验内容要求，试验中既要测量结构在试验荷载作用下的竖向挠度，又要测量试验荷载作用下墩台的沉降，因此，本次试验挠度点分别布置在试验跨的支座、四分点和跨中位置，如图4所示。使用水准仪完成静挠度测量。
图4 桥梁挠度测点布置图（单位：m）
3.3 实验载荷布置
根据所要达到的原设计荷载等级以及控制截面的内力影响线，采用 6辆300 kN的试验加载车进行加载，使其产生的荷载效应等效于设计荷载值作用下试验截面的最大控制效应。本试验分3个工况进行：
工况1：1-1截面跨中正弯矩工况加载；
工况2：2-2截面跨中正弯矩工况加载；
工况3：3-3截面支座负弯矩工况加载；
按照文献[1]中规定，静力试验荷载效率系数应达到0.80～1.05。三种静载试验工况对应的试验车加载方案如图5～图7所示。
图5 工况1加载位置图（单位：cm）
图6 工况2加载位置图（单位：cm）
图7 工况3加载位置图（单位：cm）
3.4测试结果
3.4.1 应变实测结果
各工况下应变的实测值及理论计算值见表1。桥梁静载测试主要关心校验系数[1][5]，校验系数即指某一测点应变或挠度的实测值与理论分析值的比值：η＝S实测/S理论。
表1 三种工况下各测点应变实测值及理论值对比（单位：με）
测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 | 测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 |
1 | -60 | -29 | 0.48 | 12 | 120 | 76 | 0.63 |
2 | 68 | 43 | 0.63 | 13 | 81 | 50 | 0.62 |
3 | 122 | 96 | 0.79 | 14 | 48 | 31 | 0.65 |
4 | 157 | 120 | 0.76 | 15 | 46 | 20 | 0.43 |
5 | 149 | 91 | 0.61 | 16 | -42 | -30 | 0.71 |
6 | 101 | 89 | 0.88 | 17 | -78 | -40 | 0.51 |
7 | 61 | 38 | 0.62 | 18 | -102 | -49 | 0.48 |
8 | -49 | -22 | 0.49 | 19 | -114 | -65 | 0.57 |
9 | 56 | 27 | 0.48 | 20 | -102 | -71 | 0.70 |
10 | 99 | 58 | 0.59 | 21 | -60 | -57 | 0.95 |
11 | 128 | 75 | 0.59 |
3.4.2 挠度实测结果
各工况下挠度的实测值及理论计算值见表2～表4。因为根据实测结果，该两跨连续梁的支点沉降较大，所以计算被测点的挠度变化时，平均支点沉降量不可忽略。计算时，各测点的校验系数η＝（S实测-S平均支点沉降量）/S理论。(平均支点沉降量为每跨两个支点处实测挠度的算术平均值）
表2 工况1 1-1截面跨中正弯矩加载挠度实测值及理论值对比
测点编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验系数 | 测点编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验系数 |
5 | 0.00 | -6.41 | —— | 10 | -9.95 | -5.80 | 0.58 |
6 | -10.45 | -8.78 | 0.32 | 11 | -9.26 | -5.35 | 0.58 |
7 | -12.38 | -10.16 | 0.38 | 12 | -6.43 | -3.85 | 0.60 |
8 | -8.91 | -8.48 | 0.34 | 13 | -4.16 | -2.11 | 0.51 |
9 | 0.00 | -4.45 | —— |
表3 工况2 2-2截面跨中正弯矩挠度实测值及理论值对比
测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 | 测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 |
1 | 0.00 | -5.20 | —— | 14 | -12.38 | -4.75 | 0.38 |
2 | -8.21 | -7.98 | 0.29 | 15 | -11.52 | -4.25 | 0.37 |
3 | -9.95 | -9.05 | 0.36 | 16 | -8.04 | -2.88 | 0.36 |
4 | -8.53 | -8.15 | 0.32 | 17 | -5.25 | -1.38 | 0.26 |
5 | 0.00 | -5.78 | —— |
表4 工况2 3-3截面支座负弯矩挠度实测值及理论值对比
测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 | 测点 编号 | 理论值 （mm） | 实测值 （mm） | 校验 系数 |
1 | 0.00 | -4.40 | —— | 10 | -2.78 | -1.93 | 0.69 |
2 | -3.65 | -5.87 | 0.31 | 11 | -2.66 | -2.22 | 0.83 |
3 | -5.00 | -8.09 | 0.69 | 12 | -2.65 | -2.17 | 0.81 |
4 | -2.70 | -6.01 | 0.58 | 13 | -1.66 | -1.22 | 0.73 |
5 | 0.00 | -5.10 | —— | 14 | -5.00 | -2.76 | 0.56 |
6 | -1.63 | -4.86 | 0.24 | 15 | -4.94 | -2.57 | 0.52 |
7 | -2.78 | -5.83 | 0.49 | 16 | -4.80 | -2.29 | 0.48 |
8 | -1.69 | -4.97 | 0.30 | 17 | -3.36 | -1.38 | 0.41 |
9 | 0.00 | -3.83 |
注明：上面三个表中 “-”表示挠度向下，“+”表示挠度向上，“——”表示无校验系数。
3.4.3 静载试验观测
本次外观检查以目测的方法为主，典型部位检查结果如下：桥面铺装、伸缩缝总体外观状况良好。桥面铺装平整、护栏完好，未发现异常变形或缺陷。在加载之前对箱梁底面进行检查，未发现有裂纹存在。每个工况加载后，对箱梁梁底进行仔细检查，也未发现有裂纹出现。对桥墩进行外观质量状况检查，结果表明桥墩状况良好。梁端支座安装位置无变位及不均匀变形现象。
3.5 静载实验结果评定
由表1可知各工况中的应变校验系数在0.30～0.95 范围内。从表2～表4可以看出，各工况中的挠度校验系数在0.24 ～0.83 范围内。由规范[1][2][3][4]可知，各工况下应变和挠度实测值均在正常范围内。纵向挠曲线及控制截面应变分布曲线可由以上数据绘出，由于篇幅所限，在此省略。
4．桥梁动载测试
4.1 测点布置
试验测点及传感器布置如图8所示，桥梁的冲击系数测试选择静挠度较大的1-1截面所在跨梁底1/2截面处粘贴应变片来进行；垂直振动速度测点12个，用于测桥梁在自然环境激励下的模态测试。本次试验采用了891-2型速度传感器，其工作频率范围在0.5Hz～80Hz。试验过程中，传感器安装在桥面靠近人行道处。
图8 动载实验传感器测点布置示意图
4.2 实验仪器及连接
实验采用北京东方振动和噪声技术研究所的INV3020数据采集分析系统进行，仪器连接如图9所示。
图9 测试仪器连接简图
4.3 冲击系数测试
在汽车分别以30km/h、40km/h及50km/h的速度通过桥梁时，根据采集得到的不同车速下应变变化的时域波形，应用DASP软件的冲击系数分析模块求得各种车速下的冲击系数列于表5中，典型计算波形如图10所示。
表5 桥梁主跨不同工况下桥的冲击系数（用三点法求得）
车速 | 30km/h | 40km/h | 50km/h |
冲击系数 | 1.13 | 1.10 | 1.14 |
图10 车速50km/h工况下桥梁的冲击系数计算
4.4 固有频率及模态测试
冲击系数测试完毕后，按图8所示方式布置测点，试验中共有5个速度传感器，选择1点作为参考点，按移动传感器的方式分三组完成桥梁在自然脉动激励条件下的时域模态测试。
通过DSAP时域模态分析模块求得桥梁的前三阶固有频率、阻尼，及振型。见表6和图13所示。
表6 桥梁垂直方向的主要频率列表
一阶 | 二阶 | 三阶 | |
频率（Hz） | 5.19 | 6.951 | 7.60 |
阻尼（%） | 1.121 | 0.416 | 0.745 |
图13（a）第一阶弯曲振型
图13（b）第二阶弯曲振型
图13（c）第三阶扭转振型
5．综合评定
通过桥梁动静载检测，有如下结论：
1. 静载试验 梁体绝大部分测点实测应变校验系数在规范[1][2][3][4]规定的范围，说明梁体承载能力能满足设计要求；实测挠度值小于理论分析值，校验系数满足要求，说明桥梁刚度满足设计要求及相关规范规定；
2. 动载实验 该桥在动荷载作用下最大实测冲击系数为1.14，小于根据规范计算得到的值1.28.模态试验测得该桥一阶频率为5.15Hz，大于理论值4.52，桥梁的总体刚度较大[2]。
总之，通过静、动载试验，并结合外观检查的结果表明，桥梁在等效设计荷载作用下，主要控制截面处应变校验系数及挠度效验系数满足规范要求，动载试验所测基频大于理论值，表明结构动刚度较大，安全储备较好。
参考文献
[1] 公路旧桥承载能力鉴定方法[S].北京：人民交通出版社，1988.
[2] JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3] JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[4] 大跨径混凝土桥梁的试验方法[S].北京：人民交通出版社，1982.
[5] 张劲泉，李万恒，任红伟，公路旧桥承载能力评定方法及工程实例[M]. 北京：人民交通出版社，2007.