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荷載試驗時對橋梁承載能力最直接、最有效的評定方法。通過對橋梁進行荷載試驗,可以檢驗橋梁的結構特性,在此基礎上,對橋梁的性能做出評價。武漢新順暢對靜力荷載和動力荷載試驗方法進行探討。
橋梁荷載試驗時對橋梁結構物工作狀態(tài)進行直接測試的一種鑒定手段。由于大橋的跨徑較大,設計、施工技術難度較大,另外,更快國家規(guī)定,大型橋梁竣工后應進行生產鑒定性質的試驗,橋梁荷載試驗力求達到以下目的:
1、通過現(xiàn)場加載試驗以及對試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗想象的綜合分析,檢驗本橋設計與施工質量,確定工程的可靠性,為竣工驗收提供技術依據(jù);
2、直接了解橋跨結構的實際工作狀態(tài),判斷實際承載能力,評價其在設計使用荷載下的工作性能;
3、驗證設計理論、計算方法和設計中的各種假定的正確性和合理性,為今后同類橋梁設計施工提供經(jīng)驗和積累科學資料;
4、通過動載試驗測定橋跨結構的固有振動特性以及其在長期使用荷載階段的動力性能,評估實際結構的動載性能;
5、通過荷載試驗,建立橋梁健康模型,記錄橋梁健康參數(shù)。
橋梁荷載試驗包括靜力荷載試驗與動力荷載試驗。一般情況下只做靜力荷載試驗,必要時增做部分動力荷載試驗,如特大型橋梁、新型橋梁等。
靜力荷載試驗是指將靜止的荷載作用于橋梁上的制定位置,以便能夠測試出結構的靜應變、靜位移以及裂縫等,從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力。
動力荷載試驗是指采用動力荷載,如形式的汽車或者其他動力荷載作用于橋梁結構上,以測出結構的動力特性,如振動變形,從而判斷出橋梁結構的動力荷載下受沖擊和振動影響。橋梁的動力荷載試驗和靜力荷載試驗相比具有其特殊性。首先,引起結構產生的振幅和結構的振動影響是隨時間而變化的,而結構在動荷載作用下的相應與結構本身的動力特性有密切關系,動荷載產生的動力效應一般大于相應的靜力效應。
靜力荷載試驗的目的是:將標準設計荷載或標準設計荷載的等效荷載施加于實橋結構的指定位置,對實橋結構的應變分布、變形進行檢測,以此對實橋結構的性能作出判斷,從而達到檢驗橋梁結構的設計理論和計算方法是否合理,檢驗橋梁結構的設計與施工質量,判斷橋梁結構實際的承載等級。測點應布置分布在結構受力和變形較大的部位,如彎矩最大、撓度最大、主應力最大的截面。依據(jù)橋梁調查、檢驗工作的深度,考慮結構特點和橋梁狀況等,可加設測點。
在加載過程中,為了安全和了解結構應變和變位隨試驗荷載增加的變化關系,對橋梁荷載試驗各主要工況的加載應分級進行,附加工況一般只設置最大內力加載程序。當加載分級較為方便時,可按最大控制截面內力荷載工況均分為4--5級。當使用載重車加載,車輛稱重有困難時也可分成3級加載。當橋梁的調查和驗算工作不充分,或橋況較差,應盡量增多加載分級。在安排加載分級時,應注意加載過程中其他截面內力亦應逐漸增加,且最大內力不應超過控制荷載作用下的最不利內力。車輛荷載加載分級方法采用逐漸增加加載車輛數(shù),先上輕車后上重車,加載車位于內力影響線的不同部位,加載車分次裝載重物。
橋梁動力荷載試驗的目的是測定橋梁結構的動力特性,即橋梁結構的自振頻率、振型、阻尼比等橋梁結構模態(tài)參數(shù);測定橋梁結構在動荷載作用下的強迫振動響應,即橋梁結構的動位移、動應力、沖擊系數(shù)等. 通過其了解橋梁結構在動荷載作用下的工作狀態(tài),判斷和評價橋梁結構的承載能力和使用條件,分析病害的成因、影響及變化規(guī)律。結合靜力荷載試驗,對橋梁質量做出合理評價。
在進行動載試驗時,顧名思義,首先要設法使橋梁產生一定的振動,然后應用測振儀器加以測試和記錄,通過分析得到橋梁的動力特性和響應。結構振動的測試儀器包括:測振傳感器、信號放大器、光線示波器、磁帶記錄儀和數(shù)字信號處理機。近年振動信號分析處理技術發(fā)展很快,已開發(fā)出多種以A/D轉換和微機結合的數(shù)據(jù)采集和分析一體化的智能儀器,可以進行實時數(shù)據(jù)采集分析,并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存,有取代磁帶記錄儀和專用信號處理機的趨勢,但還有待普及。
使橋梁產生振動的方法,大多分為以下三種:
1、自振法(瞬態(tài)激振法)。振法的特點是使橋梁產生有阻尼的自由衰減振動,記錄到的振動圖形是橋梁的衰減振動曲線。為使橋梁產生自由振動,一般常用突加載荷和突卸荷載兩種方法。
2、共振法(強迫振動法)。共振法是利用激振器,對結構施加激振力,使結構產生強迫振動,改變激振力的頻率而使結構產生共振現(xiàn)象并借助共振現(xiàn)象來確定結構的動力特性。
3、脈動法。對于大跨度懸吊結構,如懸索橋、斜拉索橋跨結構、塔墩以及具有分離式拱助的大跨度下承式或中承式拱橋,可利用結構由于外界各種因素所引起的微小而不規(guī)則的振動來確定結構的動力特性。這種微振動通常稱為“脈動”,它是由附近的車輛、機器等振動或附近地殼的微小破裂和遠處的地震傳來的脈動所產生。
橋梁的動載試驗按橋梁受激勵方式的不同可分為以下三類:環(huán)境脈動激勵試驗、車輛沖擊試驗、激振器強迫振動試驗。脈動試驗是當橋面上無汽車行駛和其他的周期性干擾力時,在風、地面微振等環(huán)境因素的作用下,橋梁所受的激勵是平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)寬帶隨機激勵.。結構響應的主諧量,是在其固有頻率附近的振動,從而通過脈動測試可以確定結構的固有頻率。車輛沖擊試驗是為了得到橋梁設計所需的重要參數(shù)之一的沖擊系數(shù)。強迫振動試驗較少在實際橋梁荷載試驗中采用。但激振器強迫振動試驗激起橋梁的大幅振動,其測試的參數(shù)往往比較全面且精度較高,可更全面地把握橋梁的動力特性。
橋梁荷載試驗是竣工驗收和對服役橋梁結構承載能力評定的最有效、最直接的方法。其結果準確、可靠,能夠利用其結果來判斷橋梁的健康狀況,為橋梁的評估提供依據(jù)。目前,利用荷載試驗結果評定橋梁承載力性能的基本架構已經(jīng)建立,但尚有諸多細節(jié)問題沒有得到解決,仍需進一步展開精細化研究以精確判定橋梁的實際承載能力。