动载试验方法

桥梁检测动载试验是动力测定评价方法的基本测试项目，是为了满足工程应用的需要，应用理论分析与试验测试结合的科学方法解决桥梁振动问题的必要手段，是桥梁检测工作中的重要环节，能够对桥梁使用状况和承载力的评价提供重要的数据参数。桥梁检测中动载试验的内容主要是结构动力特性和动载响应的试验与分析，量测的主要部位是结构动力效应最大构件的动应力及动变形的控制截面。其试验项目主要包括脉动试验、行车试验、跳车激振试验。

脉动试验是指在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。

行车试验的试验荷载，一般使用接近于检算荷载（标准荷载）重车的单辆载重汽车。试验时，让单辆载重汽车分偏载和中载两种情形，以不同车速匀速通过桥跨结构，测定桥跨结构主要控制截面测点的动应力和动挠度时间历程响应曲线。

跳车激振的试验荷载，一般使用近于检算荷载（标准荷载）重车的单辆载重汽车，试验时，让单辆载重汽车的后轮在指定位置从高度为15cm的三角形垫木上突然下落，对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的振动。跳车激振的试验荷载是通过车辆下落所产生的脉冲能量引起的结构振动，在其他指定位置拾取结构的振动响应，对结构的模态模态特征参数进行识别。因为频响函数矩阵中的任一列包含了全部的模态参数，因此可以通过在固定点激振，在各点拾振（可同时多点拾振，也可分组拾振，或单点拾振）的方法获取结构的模态参数。

（一）测试仪器及动载激振方法

动载试验的测试仪器主要包括测试传感器、信号放大器、光线示波器、磁带记录仪和数字信号处理机。根据仪器的性能和使用传感器的特性，可以选配不同的测试系统。

桥梁动载试验的激振方法应根据桥梁的结构形式和刚度，选择效果好、易实施的方法。常用的方法有自振法、共振法和脉动法三种。

动载试验常用仪器及技术参数见表2－5。

（一）动载试验数据分析及评定

桥梁结构的动力特性是与结构的组成形式刚度、质量分布和材料性质等结构本身的固有性质有关而与荷载等其他条件无关的性质。桥梁的模态参数是整个结构振动系统的基本特性，它是进行结构动力分析所必需的参数，其结果不仅可以用来分析结构动载作用下的受力情况，而且能够为桥梁承载力状况评定提供重要指标。

1．固有频率的测定

损伤将导致结构特征频率的变化。特征频率的变化有以下特点：第一，特征频率的改变和结构整体特性有关，是一种典型的加权型累加值，而不是局域量；第二，特征频率的改变是由结构损伤程度和损伤位置共同决定的，不是由单一因素决定的；第三，在损伤位置一定时，损伤程度越大，则频率改变量也就越大；第四，在损伤程度一定时，损伤位置对频率改变的影响相当复杂，即一些位置的损伤对某些低频成分的影响大些，另一些位置的损伤则对某些高频成分的影响大些，还有一些位置的损伤及其组合，对结构的某些特定的频率的改变不大，甚至没有影响。鉴于以上特征频率改变与损伤的程度之间的特点，在引入特征频率作为动态测试中桥梁结构或构件刚度变化标识量时，要做一些处理。为消除损伤或截面损失位置等其他一些因素的影响，只取一些控制截面的特征频率来作为损伤标识量，并规定取特定阶数的特征频率。在跨中位置，振动的能量主要集中在低阶频率上，在桥墩附近，振动的能量分布比较平均，所取的特征频率的阶数要多一些。

对于比较简单的结构，只需结构的一阶频率，对于较复杂的结构动力分析，还应考虑第二、第三及更高阶的频率。桥梁固有频率可以直接通过测试系统实测记录的功率谱图上的峰值、时域历程曲线或其自相关图上确定。由基频还可以推算承重结构的动刚度。

根据实测的桥梁结构各部件自振频率fmi与设计理论计算值fdi的比值，可对桥梁结构各部件的整体性能和技术状况作出评定，其评定标准见表2－6。

表2－6　桥梁结构各部件自振频率与理论计算值之比

2．阻尼

结构部件出现缺损，一般会造成振型的变异，变异区段即为缺损所在区段。阻尼比的大小，可以反映混凝土结构有无裂缝的存在以及钢结构工作状况是否正常，阻尼是对于混凝土或混凝土的累积损伤的内部微裂缝状态水平的宏观指示值，阻尼和材料中的微裂缝的数量是相对应的，阻尼和微裂缝的变化通常可以直接监视材料的力学性能和结构状态。因此，有些学者提出，用模态阻尼比的变化作为损伤标识量。早在20世纪五六十年代，在金属结构的动力试验中人们已发现，损伤将导致结构模态阻尼比的显著变化。之所以基于模态阻尼比变化的损伤识别方法没有流行，是因为模态阻尼比的测试信噪比并不太高。用阻尼比值评定桥梁技术状况的评判标准如表2－7所示。

表2－7　用阻尼比值评定桥梁技术状况的评判标准

桥梁结构的阻尼特性一般由对数衰减率δ或阻尼比D来表示，可由时域信号中的振动衰减曲线求得。另外，也可以从功率谱图中，用半功率带宽法来计算阻尼，一般测试系统软件均可完成此类分析。

3．振型

振型的测定一般采用两种方法：一种是使用多个传感器测定，另一种是使用一个传感器变换位置测量。第二情况下需要一个作用参考点，测试时比较烦琐，在条件限制时使用，一般应采取第一种方法测试。测点应布置在桥梁结构各部件模态振型的峰、谷点，并进行多点多方向的测量。信号记录时应保证足够的记录长度，并检查记录信号的有效性。记录结构振动信号同时应记录地面随机振动信号。信号处理分析时有关参数的确定应遵循对随机信号分析处理的要求。

4．冲击系数

桥规中定义冲击系数μ为冲击力与汽车荷载之比。对于线弹性状态下的结构来说，动荷载产生的荷载效应与静荷载产生的荷载效应之比即为1＋μ。因此，冲击系数的测试通常采用测定结构动应变或动挠度的方法。测试前，在梁的跨中（或最大变位、应变处）布置电阻应变片式的位移计或应变计，并通过动态应变仪与电脑相接。试验时，由加载车辆以某一速度从测点驶过，记录其输出应变随时间变化的实时信号。一般情况下，应测试记录多种车速下的输出应变结果，以作分析比较。一般来讲，桥梁在跨径L＝30～70m时，车辆与桥梁的自振频率较接近，易产生共振，在单台车作用下的冲击系数特别大。冲击系数随阻尼比的减小而增大，阻尼比越小，冲击系数受桥梁的影响越明显，预应力混凝土梁桥的冲击系数大于同等跨径的钢筋混凝土梁桥，这些在测试中需注意，以便更好地分析冲击系数的测试结果。

事实上，实测汽车冲击系数除了与结构本身有关，还与试验车辆的性质、路面平整度、车速有一定关系。车辆荷载本身是一个带有质量的振动系统，当它在桥上行驶时，与桥产生车、桥耦合振动。由于车辆动力特性的复杂性，以及桥梁阻尼的离散性和桥面不平整的随机性，对同一座桥梁进行多次不同的试验，测得的冲击系数也不尽相同。