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桥梁动载试验方法
日期:2015-7-4 15:35:12 作者:佚名 来源:本站原创
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桥梁结构是承受恒载、车辆荷载、人群荷载等主要荷载的结构物。当车辆以一定速度在桥上通过时,由于发动机的抖动、桥面的不平顺等原因会导致桥梁结构产生振动。此外,人群荷载、风动力、地震力的作用也会引起桥梁振动。因此,车辆荷载或其它动力荷载对桥梁结构的冲击和振动影响,已成为桥梁结构设计、计算、施工、运营、维修养护过程中的重要问题之一。

桥梁结构的动载试验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、振型、动力冲击系数、动力响应(加速度、动挠度)等参量的试验项目,从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性能。桥梁结构的动载试验与静载试验虽然在试验目的、测试内容等方面有所不同,但对于全面分析掌握桥梁结构的工作性能是同等重要的。就试验步骤而言,基本上与静载试验相同,动载试验也要经过准备、试验和分析总结三个阶段。就试验性质而言,动载试验也可分为生产鉴定性和科学研究性试验,一般情况下,动载试验多在现场实际结构上进行测试,也可根据桥梁结构的特点和实际需要在室内进行结构模型的动载试验,如在风洞内进行大跨度桥梁的风致振动试验、在模拟地震振动台上进行桥梁结构的地震响应试验研究等。

目前桥梁工程中常见的动载试验方法主要有强迫振动法、自由振动法、环境随机振法、局部激励法等。

1)强迫振动法

一般把能够测量输入的动载测试称之为强迫振动法,在结构强迫激励实验中,应用于激励的技术很多包括:激振器、振荡器、振动台、力锤等。在大部分强迫振动实验中,可以很好确定输入力函数,通过测量输入,识别结构模态参数如共振频率、模态阻尼比、振型的系统识别技术方法可以很好地建立,强迫振动试验的一个优点是信噪比强。

2)环境激励

环境激励是桥梁在其正常使用状态下所受到的激励,系统的输入通常无法测量。桥梁将不断受到来自于各种不同的环境激励,由于输入无法测量,因此也不清楚这些振源提供的输人是否在我们所感兴趣的频带上,输人的平稳性如何,以及在某一频带上的均衡性,信噪比弱、分析内容不如强迫激励来得丰富。但对于交通繁忙的桥梁来说,由于它不测量输入,试验成本低,不影响桥梁的正常使用,可以实时监控,这一点是非常吸引入的,但桥梁上行驶的车辆对桥梁结构具有附加质量的影响。

环境激励系统的输入通常无法测量。而强迫激励中激振力通常是可以测量的或可以控制的。是否测量出激励力将造成后续系统识别方法的不同。一些结构参数如模态频率、模态阻尼及振型可以得到识别而不需要精确测量激振力。然而,在这种情况下,应能明确激励的本质如白噪声、脉冲等,尽管不需测量实际的荷载。是否测量激振力主要是由测量激振力的可行性因素确定。比如在实验室中进行一个框架结构的模态实验,利用冲击锤、振动台、激振器产生的激振力可以用标准仪器测量。然而在现场进行桥梁实验时,激振力来自于快速行驶的车辆,那么就无法测量激励力。另外作用在桥梁上风荷载、温度梯度荷载等环境荷载也是很难确定的。总之,在一些情况下测量激振力是可行的也是有用的,在另外一些情况下它是不可行的也是没有用的。

3)自由振动法

自由振动法的特点是使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动,记录到的振动图形则为桥梁的衰减振动曲线。为使桥梁产生自由振动,一般常用突加荷载和突卸荷载两种方法。突加荷载法,是在被测结构上急速地施加一个冲击作用力,由于施加冲击作用的时间短促,因此,施加于结构的作用实际上是一个冲击脉冲作用。它可以激励结构按其低阶固有频率作自由振动。试验中常见的冲击法主要对于中、小型桥梁结构,可用试验车辆在桥面上驶越三角垫木,利用车轮的突然下落对桥梁产生冲击作用,激起桥梁的竖向振动。但此时所测得的结构固有频率包括了试验车辆这一附加质量的影响。近年来,在桥梁的模态实验中,还采用了爆炸和发射小型火箭产生脉冲荷载等办法来激起结构的振动。采用突加荷载法时,应注意冲击荷载的大小及其作用位置。如果要激起结构的整体振动,则必须在桥梁的主要受力构件上施加足够的冲击力,冲击荷载位置可按所需结构的振型来确定,如为了获得简支梁桥的第一振型,则冲击荷载应作用于跨中部位,测第二振型时冲击荷载应加于跨度的四分之一处。突然卸载法,是在结构上预先施加一个荷载作用,使结构产生一个初位移,然后突然卸去荷载,利利用结构的弹性性质使其产生自由振动。为卸落荷载,可通过自动脱钩装置或剪断绳索等方法,有时也专门设计一种断裂器装置,当预施加力达到一定的数值时,在绳索中间的断裂装置便突然断离,因而激发结构的振动。实际上,在桥梁结构进行自由振动响应的测试中,如以试验车辆荷载作为激励,当车辆以一定的速度驶离桥跨很短的一段时间以后,桥梁的振动即为自由衰减振动。

4)局部激振

局部激振是可以测量输入的,是属于强迫激励的一种。对于大、中型桥梁来说,要利用激振设备激励全座桥梁并测得激振力往往是不大现实的,但可以采用局部激振方式来激振结构的某一局部。这种局部激励有利于提取对局部响应比较敏感的模态参数,同时可以减少工作环境的影响,一般认为工作环境的影响更趋向于整体现象。

桥梁动载试验是在桥梁处于振动状态下,利用振动测试仪器对振动系统各种振动量进行测定、记录并加以分析的过程。因此,在进行动载试验时,首先应通过激振方法使桥梁处于一种特定的振动状态中,以便进行相应项目的测试。其次,要合理选取测试仪器仪表组成振动测试系统,振动测试系统一般由拾振部分、放大部分和分析部分组成,这三部分可以由专门仪器配套使用,也可以配换使用。因此,要根据试验的环境条件和试验的要求,选择组配合理的振动测试系统。仪器组配时除应考虑频带范围外,还要注意仪器间的阻抗匹配问题。另外,要根据测试桥梁的特点,制定测试内容、测点布置与测试方法,例如对于混凝土简支梁桥的动载试验,一般的观测项目有:跨中截面的动挠度、跨中截面钢筋或混凝土的动应力等。又例如要测定某一固有频率的振型时,应将传感器设置在振幅较大的各部位,并注意各测点的相位关系。最后,利用相应的专业软件对采集的数据或信号进行分析,即可得出桥梁结构的频率、振型、阻尼比、冲击系数等振动参量。

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