道路与桥梁工程试验检测技术第二篇第3章桥梁荷载试验

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1、,*,,,出版社,道路与桥梁工程试验检测技术,单击此处编辑母版文本样,,第,3,章 桥梁荷载试验,3.1荷载试验的目的及主要内容荷载试验的目的进行桥梁荷载试验的目的是检验桥梁整体受力性能和承载力是否到达设计文件和标准的要求，对于新桥型及桥梁中运用新材料、新工艺的，应验证桥梁的计算模式，为完善结构分析理论积累资料。荷载试验的主要内容荷载试验的主要内容为：①荷载试验的目的；②试验的准备工作；③加载方案设计；④测点设置与测试；⑤加载控制与平安措施；,⑥试验结果分析与承载力评定；⑦试验报告编写。荷载试验的准备工作荷载试验正式进行前应做好以下准备工作：1〕试验孔〔或墩〕的选择

2、。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、缺陷较多或病害较严重；③该孔〔或墩〕便于塔设脚手架，便于设置测点或便于实施加载。2〕搭设脚手架和测试支架。3〕静载试验加载位置的放样和加载位置的安排。4〕试验人员组织及分工。5〕其他准备工作。,3.2加载方案和测点布置加载方案与实施〔1〕试验荷载工况确实定1〕简支梁桥：2〕连续梁桥：3〕悬臂梁桥〔T型刚构桥〕：4〕无铰拱桥：〔2〕试验荷载等级确实定1〕控制荷载确实定控制桥梁设计的荷载有以下几种：①汽车和人群〔标准设计荷载〕；②挂车或履带车〔标准设计荷载〕；,③需通行的特殊重

3、型车辆。2〕静载试验效率静载试验效率为 式中：Ss——静载试验荷载作用下控制截面内力计算值； S——控制荷载作用下控制截面最不利内力计算值； μ——按标准采用的冲击系数，平板挂车、重型车辆，取μ=0。ηq——该值可采用0.8~1.05。3〕动载试验效率动载试验效率为,式中：Sd——动载试验荷载作用下控制截面最大计算内力值； S——标准汽车荷载作用下控制截面最大计算内力值 ηd值一般采用1。〔3〕静载加载分级与控制为了加载平安和了解结构应变和变位随试验荷载增加的变化关系，对桥梁荷载试验的各荷载工况的加载应分级进行。1〕分级控制的

4、原那么①当加载分级较为方便时，可按最大控制截面内力荷载工况均分为4~5级。②当使用载重车加载，车辆称重有困难时也可分成3级加载。③当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。④在安排加载分级时，应注意加载过程中其他截面内力亦应逐渐增加，且最大内力不应超过控制荷载作用下的最不利内力。,2〕车辆荷载加载分级的方法①逐渐增加加载车数量；②先上轻车后上重车；③加载车位于内力影响线的不同部位；④加载车分次装载重物；3〕加卸载的时间选择。4〕加载分级的计算。〔4〕加载设备的选择静载试验加载设备可根据加载要求及具体条件选用，一般有以下两种加载方式：1〕可行式车辆。

5、2〕重物直接加载。,〔5〕加载重物的称量可根据不同的加载方法和具体条件选用以下方法，对所加载进行称量。1〕称重法。2〕体积法。3〕综合计算法。测点设置〔1〕测点布设1〕主要测点的布设。几种常用桥梁体系的主要测点布设如下：①简支梁桥：跨中挠度，支点沉降，跨中截面应变；②连续梁桥：跨中挠度，支点沉降，跨中和支点截面应变；③悬臂梁桥：悬臂端部挠度，支点沉降，支点截面应变；④拱桥：跨中，l4处挠度，拱顶l4和拱脚截面应变。,2〕其他测点的布设。根据桥梁调查和检算工作的深度，综合考虑结构特点和桥梁目前状况等可适当加设以下测点：①挠度沿桥长或沿控制截面桥宽方向分布；②应变沿控制

6、截面桥宽方向分布；③应变沿截面高分布；④组合构件的结合面上、下缘应变；⑤墩台的沉降、水平位移与转角，连拱桥多个墩台的水平位移；⑥剪切应变；⑦其他结构薄弱部位的应变；⑧裂缝的监测点。3〕温度测点的布设。,3.3静载试验仪器设备常用的仪器有百分表、千分表、位移计、应变仪、应变计〔应变片〕、精密水准仪、经纬仪、倾角仪、刻度放大镜等。机械式位移计机械式位移计包括百分表、千分表及张线式位移计和挠度计等，其构造和工作原理根本相同，主要区别在于精度和量程不同。〔1〕百分表的根本构造图是百分表的构造图。千分表和百分表相似，只不过增加了一对放大齿轮。〔2〕使用方法使用时，百分表装在表

7、座上〔目前大都采用磁性表座〕，表架安装在临时专门搭设的支架上，支架应具有一定的刚度，并与被测结构物分开。,〔3〕使用时应注意的事项1)使用时，只能拿取外壳，不得任意推动测杆，防止磨损机件，影响放大倍数。注意保护触头，触头上不得有伤痕。2〕安装时，要使测杆与欲测的位移的方向一致，或者与被测物体外表保持垂直。3)百分表架要安设稳妥，表架上各个螺丝要拧紧，但当颈箍夹住百分表的轴颈时，不可夹得过紧，否那么会影响测杆移动。4〕百分表安装好，可用铅笔头在表盘上轻轻敲击，看指针摆动情况。假设指针不动或绕某一固定值在小范围内左右摆动，说明安装正常。5〕百分表使用日久或经过拆洗修理后，必须进行标定，标

8、定可在专门的百分表、千分表校正仪上进行。千分表与百分表的使用方法完全相同。〔4〕用位移计测挠度与变位,,应用位移计量挠度与变位时，应注意以下问题：1〕作为固定位移计的不动点支架必须有足够的刚性。2〕位移计测杆与所量测的位移方向完全一致。3〕位移计使用前后要仔细检查测杆上下活动是否灵活。〔5〕用位移计测应变应变，就是结构上某区段纤维长度的相对变化〔ε=ΔL/L〕。应变仪就是用来测定这个长度变化的仪器。图所示为位移计应变量测装置。固定位移计和顶杆的夹具，可用钢、铜或铝合金等制成，按照选定的标距以粘贴或预埋的方式固定在结构需量测应变的部位上。,手持式应变仪当需要在现场较长期连续地观测

9、结构的应变时，一般的应变仪不适用，手持式应变仪那么比较适用。此仪器的外形见图，构造原理见图。,图,2.3.4,手持式应变仪外形,关于测孔的制作方法建议如下：1〕钢结构要顺杆件上直接钻孔。2〕圬工或木质构件那么可粘贴特制的钢脚标〔用环氧树脂粘接剂粘贴〕，脚标尺寸如下图。无论钢材上所钻的孔眼还是特制脚标上的孔眼均应按图制作。使用此种仪器，尚有一温度影响问题，即在长期量测过程中，初读数和加载数可能不在同一温度条件下读取，因此在量测读数中不仅包含了受载应变ε。而且还包含了温度应变εt，为了从读数中扣除温度局部的影响，就要在量测过程中进行“温度补偿〞。为了到达补偿目的，根据量测的实践，建议采取“横

10、向温度补偿法〞。在布置测应变的测点的同时，在垂直方向布置测点，如下图。,图2.3.6 脚标尺寸〔单位：mm〕 图2.3.7 孔眼尺寸〔单位：mm〕,,图,2.3.8,横向温度补偿测点,测点a-a，b-b，c-c等分别为杆件应变测点，d-d为温度补偿测点，它垂直于应变测点，且在杆件中部。当对测点a-a，b-b，c-c进行读数时，也对测点d-d进行读数。那么 式中：μ——材料泊桑比； εt——温度应变； 联解上述四式得,,水准管式倾角仪,图所示为水准管式倾角仪的构造，其原理是利用高灵敏度的水准管来测定结构节点、截面或支座处转角。,图,2

11、.3.9,水准管式倾角仪,电阻应变仪用电阻式应变仪测试桥梁结构应变时需用应变仪和电阻应变片〔应变计〕配合使用。〔1〕电阻应变片电阻应变片又称电阻应变计，简称应变片或电阻片，有如下的一些优点。①灵敏度高。②电阻片尺寸小且粘贴牢固。③电阻片质量小。④可以在高温〔800~100 ℃〕、低温〔-100~-70 ℃〕、高压〔上万个大气压〕、高速旋转〔几千转/mm~几万转/mm〕、核幅射等特殊条件下成功的使用。①敏感丝栅是应变片的主要元件，一般由康酮、镍铬合金制成。,②基底和覆盖层起定位和保护应变片几何形状的作用，也起到与被测试试件之间电绝缘作用。③引出线是用以连接导线的过渡局部，一般用

12、直径约为0.15~0.30 mm的金属丝。④粘结剂把丝栅基底和覆盖层牢固地粘结成一个整体。2)电阻应变片的分类。根据不同的方法，有如下的分类：①金属丝式应变片。②箔式应变片。,图,2.3.11,金属丝式应变片 图,2.3.12,金属箔式应变片,③应变花。④半导体应变片。,图,2.3.13,应变花,3〕金属应变片的工作原理。金属应变片的工作原理在于导体的“电阻应变效应〞。,图,2.3.15,金属导体的电阻应变效应,如果一根细长的金属导体长度为L，截面积为A，电阻率为ρ，那么它的电阻值R可以用下式示： 当电阻丝受到拉伸或压缩后，ρ，L，A都产生了

13、变化。为了求得三个参数变化对电阻的影响，可对式〔〕进行全微分，经整理后并用相对变化率表示时，那么有：一般电阻丝的横截面呈圆形，式中 ，D为电阻丝的直径，显然 由材料力学中知道，轴向应变与横向应变的关系为：,式中：ν——泊松比。所以有将式〔〕代入式〔〕，整理得：令有,式中K0为常数，其物理意义是每单位应变所造成的相对电阻变化率。常用的公式可改写为： 式中K称为应变片灵敏系数。4〕电阻应变片的选用。选用应变片时，应根据应变片的初始参数及试件的受力状态、应变梯度、应变性质、工作条件、测试精度要求等综合考虑。5〕电阻应变片的粘贴技术①粘结剂。常

14、规桥梁试验粘贴应变片的应变胶一般为快干胶和热固性树脂胶等。②应变片的粘贴技术。粘贴时应掌握以下技术环节:a.选片。b.定位。,c.贴片。d.枯燥固化。e.应变片的防护。,图,2.3.16,应变片防护构造,〔2〕应变仪1〕测量电阻测量电路是应变仪的重要组成局部，其作用是将应变片的电阻变化转换为电压〔或电流〕的变化。桥式电路也称应变电桥，其测量电路能精确地测量极其微小的电阻变化。例如我们假设用阻值R=120 Ω、灵敏系数K=2的应变片测量某一网结构，假设钢材的弹模E=2×105 MPa，当某点应力为100 MPa时，根据电阻应变片的阻值与应变的关系即,图,2.3.17,电桥,为了分

15、析电桥中电阻的变化与输出端E的变化规律，假设电桥的四根桥臂上的电阻R1，R2，R3和R4为四个电阻片，把电桥分为DAC和DBC两局部。从DAC这半个电桥来看，由D经过A到C的电压〔即DC间的电压〕降为u，R2上的电压降为uAC，那么同样DBC这半个桥电压降也是u〔因为R1，R2和R3，R4为并联在电压u上〕，R3上的电压降为uBC，那么整个电桥的输出电就是uAC和uBC之间的差,为了使测量前的输出为零〔即保持电桥平衡〕应满足 根据分析，在符合该关系条件下，输出电压的增量与电阻片阻值变化可由下式计算： 根据电桥平衡的条件，上式可写为,根据电桥的测量电路，对应变电桥的测量方法

16、有以下几种：①单点测量。单点测量时，组成测量电桥的四个电阻中，R1为电阻片电阻，其余三个为精密电阻〔无电阻变化〕，那么 半桥测量。其方法是将半桥接电阻片，另半桥为精密电阻〔ΔR3=ΔR4=0〕那么全桥测量。其方法是组成测量电桥的四个电阻全由电阻片组成，即,2〕电阻应变仪电阻应变仪按使用内容不同，分静态应变仪、动态应变仪和静动态应变仪。①国产YJS—14型静态数字应变仪。YJS—14型静态数字应变仪是一种静态应变自动测量装置，能自动平衡〔或不需平衡〕、自动换点、自动测量、数字显示和自动打印，并可与计算机联机进行数据处理。主要由五个局部组成：a.转换器。b.电阻应变仪。c.运

17、算器。d.控制器。e.输出装置。YJS—14型数字应变测量装置的工作过程就是把应变测点组成惠斯登桥路。,,图,2.3.18 YJS—14,型静态数字应变仪原理框图,②日本产7V08型数据采集仪。该仪器是单板机组成的一个计算机控制系统，可由键盘或面板触摸功能键直接输出数据或程序，主要通过接口来输出模拟信号〔电压、电流、应变、温度等〕，并通过A/D转换来完成存储、记录、转换、运算和输出。〔3〕电阻应变测量的温度补偿用应变片测量应变时，它除了能感受试件受力后的变形外，同样也能感受环境温度变化，并引起电阻应变仪指示局部的示值变动，这称为温度效应。温度变化从两方面使应变片的电阻值发生变化

18、。第一是电阻丝温度改变Δt〔℃〕，其电阻将会随之而改变ΔRβ。式中:β1——电阻丝的电阻温度系数(1/℃)； R——应变片的原始电阻值〔Ω〕。,第二是因为材料与应变片电阻丝的线膨胀系数不相等。但两者又粘合一起。这样温度改变Δt〔℃〕时，应变片中产生了温度应变，引起一附加的电阻的变化ΔRa。 式中：Kt——贴好的应变丝对温度应力的灵敏系数，Kt=K0； αj——试件材料的线膨胀系数〔1/℃〕； α——电阻丝的线膨胀系数〔1/℃〕。因此，总的温度效应是两者之和： 令 β=Kt(αj-α)+β1那么 式中:β——贴好的

19、应变片总的电阻温度系数。,温度效应的应变值为：如下图，在电桥的BC臂上接一个与测量片R1同样阻值的温度补偿变片R2〔简称补偿片〕。测量应变片R1〔简称工作片〕贴在受力构件上，它既受应变作用又受温度作用，故R1是由两局部组成。即： 在实际工作中，为保证补偿效果，对补偿片的设置应考虑如下因素：①补偿片与工作片应该是同批产品，有相同电阻值、灵敏系数和几何尺寸。②贴补偿片的试块材料应与试件的材料一致，并应做到热容量根本相等。③补偿片的贴片、枯燥、防潮等处理工艺必须与工作片完全一致。④连接补偿片的导线应与连接工作片的导线同一规格、同一长度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束。,⑤补偿片与工作

20、片的位置应尽量接近，使两者处于同样温度场条件下，以防不均匀热源的影响。⑥补偿片的数量多少，根据试验材料特性、测点位置、试验条件等决定。电阻应变原理的推广——传感器〔1〕应变式测力传感器,图,2.3.19,应变式测力传感器构造及全桥式接线方法,〔2〕电子式位移传感器1)电阻式位移计。,YHD型位移计的工作原理也是利用应变电桥进行测量的。在仪器内部设置四个无感电阻R1，R2，R3和R4，在R1和R2之间用一根电阻丝串联起来组成应变电桥。如触点向右移动时，AB桥臂的电阻增为R1+ΔR；BC桥臂的电阻那么减为R2-ΔR，那么输出,2〕应变式位移传感器。,3.4静载试验试验观测与记录(1)温

21、度稳定观测仪表安装完毕后，一般在加载试验之前应对各测点进行一段时间的温度稳定观测，中间可每隔10 min读数一次。〔2〕仪表的测读与记录人工读表时，仪表的测读应准确、迅速、并记录在专门的表格上〔表，表〕，以便于资料的整理和计算。〔3〕裂缝观测加载试验中裂缝观测的重点是结构承受拉力较大部位及旧桥原有裂缝较长、较宽的部位。在这些部位应测量裂缝长度、宽度，并在混凝土外表沿裂缝走向进行描绘。,加载实施与控制〔1〕加载程序加载应在指挥人员指挥下严格按方案程序进行。采用重物加载时按荷载分级逐级施加，每级荷载堆放位置准确、整齐稳定。荷载施加完毕后，逐级卸载。〔2〕加载稳定时间控制为控制加

22、卸载稳定时间，应选择一个控制观测点〔如简支梁的跨中挠度或应变测点〕，在每级加载〔或卸载〕后立即测读一次，计算其与加载前〔或卸载前〕测读值之差值Sg，然后每隔2 min测读一次，计算2 min前后读数的差值ΔS，并按下式计算相对读数差值m：,〔3〕加载过程的观察加载试验过程应对结构控制点位移〔或应变〕、结构整体行为和薄弱部位破损实行监控，并将结果随时汇报给指挥人员作为控制加载的依据。(4)终止加载控制条件发生以下情况应中途终止加载：①控制测点应力值已到达或超过用弹性理论按标准平安条件反算的控制应力值时；②控制测点变位〔或挠度〕超过标准允许值时；③由于加载，使结构裂缝的长度、缝宽急剧

23、增加，新裂缝大量出现，缝宽超过允许值的裂缝大量增多，对结构使用寿命造成较大的影响时；④拱桥加载时沿跨长方向的实测挠度曲线分布规律与计算相差过大或实测挠度超过计算值过多时；⑤发生其他损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。,3.5试验数据分析及桥梁承载能力评定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。进行承载力评定之前必须对它进行处理分析，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。试验数据分析〔1〕试验资料的修正1〕测值修正。2)温度影响修正。温度对测试的影响比较复杂。一般可采用综合分析的方法来进行温度影响修正，即利用加载试验前进行的温度稳定观

24、测数据，建立温度变化〔测点处外表温度或空气温度〕和测点测值〔应变和挠度〕变化的线性关系，然后按下式进行温度修正计算：,式中：S——温度修正后的测点加载测值变化； S′——温度修正前的测点加载测值变化； Δt——相应于S′观测时间段内的温度变化〔℃〕； Kt——空载时温度上升1 ℃，测点测值变化量。 式中：ΔS——空载时某一时间区段内测点测值变化量； Δt1——相应于ΔS同一时间区段内温度变化量。3〕支点沉降影响的修正。当支点沉降量较大时，应修正其对挠度值的影响，修正量C可按下式计算：,式中：C——测点的支点沉降影响修正量； l——

25、A支点到B支点的距离； x——挠度测点到A支点的距离； a——A支点沉降量； b——B支点沉降量。〔2〕各测点变化〔挠度、位移、沉降〕与应变的计算根据量测数据作以下计算：总变位〔或总应变〕 St=S1-Si弹性变位〔或弹性应变〕 Se=S1-Su剩余变位〔或剩余应变〕 Sp=St-Se=Su-Si式中：Si——加载前测值；,S1——加载到达稳定时测值； Su——卸载后到达稳定时测值。相对剩余变位〔或应变〕按下式计算： 式中：S′p——相对剩余变位〔或应变〕，Sp，St意义同前。〔3〕应力计算根据测量到的测点应变，当

26、结构处于线弹性工作状态时可以利用应力应变关系计算测点的应力。单向应力状态：,2〕平面应力状态：①当主应力方向时：式中：E——构件材料弹性模量； ν——构件材料泊松比； ε1，ε2——方向相互垂直的主应变； σ1，σ2——方向相互垂直的主应力。②主应力方向未知时需用应变花测量其应变计算主应力。应变花的常见形式为直角形或等边形，如图2.3.23(a)、〔b〕、〔c〕所示，由三个应变片组成；也可以增加校核片布置为扇形和伞形，如图2.3.23(d)、(e)所示。采用图中的五种应变花时测点主应力可以表示为,,,其中参数,A,B,C,由应变花的形式而定,,,上

27、面五种形式应变花的参数见表。,,,图,2.3.23,常用应变花的形式,(4)试验结果与理论分析的比较为了评定结构整体受力性能,需对桥梁荷载试验结果与理论分析值比较,以检验新建桥是否到达设计要求的荷载标准，或判断旧桥的承载能力。为了量化，以及描述试验值与理论分析值比较的结果，此处引入结构校验系数： 式中：Se——试验荷载作用下量测的弹性变位〔或应变〕值； Ss——试验荷载作用下的理论计算变位〔或应变〕值。荷载试验成果分析与承载能力评定一般进行以下分析评定工作：〔1〕结构工作状况1〕校验系数η。校验系数η是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。不同结构形式的桥

28、梁，其η值常不相同，η值常见的范围可,参考表，一般要求,η,值不大于,1,。,2〕实测值与理论值的关系曲线。3〕相对剩余变位〔或应变〕。4)动载性能。〔2〕结构的强度及稳定性当荷载试验工程比较全面时，可采用荷载试验主要挠度测点的校验系数η来评定结构的强度和稳定性。砖石和混凝土桥 钢筋混凝土及预应力混凝土桥,根据η值由表查取Z2的限值范围，再根据以下条件确定Z2值。符合以下条件时，Z2值可取高限；否那么应酌减，直至取低限。1〕加载内力与总内力〔加载内力+恒载内力〕的比值较大，荷载试验效果较好。2〕实测值与理论值线性关系较好，相对剩余变位〔或应变〕较小。表经过荷载试验的桥梁检

29、算系数Z2值表3〕桥梁结构各局部无损伤，风化、锈蚀裂缝等较轻微。η值应取控制截面内力最不利荷载工况时最大挠度测点进行计算。〔3〕地基与根底当试验荷载作用下墩台沉降、水平位移及倾角较小，符合上部结构检算要求，卸载后变位根本回复时，认为地基与根底在检算荷载作用下能正常工作。,〔4〕结构的刚度要求试验荷载作用下，主要测点挠度校验系数η应不大于1。各点的挠度不超过“桥规〞〔JTJ022—85第条和JTG D62—2004第条〕规定的允许值。即〔5〕裂缝对于新建桥试验荷载作用下预应力结构不应出现裂缝，钢筋混凝土结构裂缝不超“桥规〞允许值：,对于旧桥试验荷载作用下大局部裂缝宽度应小于表

30、规定的允许值，荷载试验后所有裂缝应不大于表规定的允许值。静载试验报告编写在全部试验资料整理与分析的根底上，提出桥梁结构静载试验报告，其内容应该包括以下各项：①试验概况。②试验的目的。③试验方案设计。④试验日期及试验的过程。⑤各项试验到达的精度。⑥试验成果与分析。⑦试验记录摘录。,⑧技术结论。⑨经验教训。⑩有关图表、照片。3.6桥梁动载测试范围结构振动问题涉及振源〔输入〕、结构〔系统〕和响应〔输出〕，它们的关系为：桥梁的动载试验可以划分为三类根本问题：①测定桥梁荷载的动力特性〔数值、方向、频率等〕。②测定桥梁结构的动力特性〔自振频率、阻尼、振型等〕。③测定桥

31、梁在动荷载作用下的响应〔动位移、动应力等〕。,3.7动载试验的常用仪器设备结构振动的测试仪器包括：测振传感器、信号放大器、光线示波器、磁带记录仪和数字信号处理机。测振传感器〔拾振器〕〔1〕根本原理振动参数有位移、速度和加速度。通过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动，就可以得到振动体的振动参量〔图〕。设被测振动体的振动规律如下： 式中：x——振动体相对固定参考坐标的位移； X0——振动体振动的振幅； ω——振动体振动的圆频率。,传感器外壳随振动体一起运动。以,y,表示质量块,m,相对于传感器外壳的位移，由图可知，质量块,m,的总位移为,x+y,，它的运动方程

32、为,,或,,上式为一单自由度有阻尼的强迫振动的方程，它的通解为,,其中，,上式中第一项为自由振动解，由于阻尼作用而很快衰减；第二项为强迫振动解，其中式中：ξ——阻尼比，ξ= ωn——传感器质量弹簧系统的固有频率， 由式〔〕可知，传感器动力系统的稳态振动如下：,〔2〕传感器的频率特性将式〔〕与式〔〕相比较，可以看出传感器中的质量块相对外壳的运动规律与振动体的运动规律一致，但两者相差一个相位角φ。质量块的振幅Y0与振动体的振幅X0之比为式〔〕和式〔〕分别为测振传感器的幅频特性和相频特性，相应的曲线称为幅频特性曲线和相频特性曲线〔如图、图所示〕。,,图,2.3.25,幅

33、频特性曲线 图,2.3.26,相频特性曲线,以上讨论是关于测量位移的传感器，如果使传感器的固有频率远远大于所测振动的频率，可以得到关于惯性式加速度传感器的频率特性。当ωn≥ω时，由式〔〕、式〔〕可得：所测振动的加速度为：令am=X0ω2，由式〔〕可知：,上式表示传感器的位移幅值与被测振动的加速度值成正比，这就是惯性式加速度传感器的工作原理。以ωωn为横坐标，以Y0ω2nam为纵坐标，可得加速度传感器的幅频特性曲线〔如下图〕。,图,2.3.27,加速度传感器的幅频特性曲线,〔3〕磁电式速度传感器磁电式速度传感器是根据电磁感应的原理制成的，其特点是

34、灵敏度高，性能稳定，输出阻抗低，频率响应有一定宽度。图为一磁电式速度传感器，其中磁钢和壳体相固连，并通过壳体安装在振动体上，与振动体一起振动。根据电磁感应定律，感应电动势E的大小为 式中：B——线圈所在磁钢间隙的磁感应强度； l——每匝线圈的平均长度； n——线圈匝数； v——线圈相对于磁钢的运动速度，即系统质量相对于传感器壳体  的运动速度。,图为一摆式测振传感器。它的质量弹簧系统设计成转动的形式，因而可以获得更低的仪器固有频率。摆式传感器可以测垂直方向和水平方向的振动；它也是磁电式传感器，输出电压与相对运动速度成正比。磁电式

35、测振传感器的主要技术指标如下：①传感器质量弹簧系统的固有频率。②灵敏度。③频率响应。当④阻尼。,(4),压电式加速度传感器压电式加速度传感器就是利用晶体的压电效应而制成的，其特点是稳定性高、机械强度高，并能在很宽的温度范围内使用，但灵敏度较低。,,压电式加速度传感器的主要技术指标如下：①灵敏度。②安装谐振频率f安。③频率响应。④横向灵敏度比。⑤幅值范围。〔5〕拾振器的选用①灵敏度。②线性度。③稳定性。④精度。⑤工作方式。,此外，结合桥梁结构的特殊性，提出以下要求：①摆式拾振器性能稳定、灵敏度高、使用方便可靠，它的缺乏是下限可测频率有限制〔幅频率特性下落〕，所以

36、不适合测大跨径柔性桥跨结构的振动。②加速度计是振动测试中用得最多的拾振器，从原理上讲利用它频带宽体积小的优势可满足各种振动测试对象的要求。测振放大器测振放大器的种类很多，它们之间的输入和输出特性、频响特性等往往都是根据所配拾振器而定。滤波器滤波器是一种选择装置，可以使信号中有用成分通过，滤去不需要的成分，根据它的选频特点，滤波器有低通〔通带0~fc〕、高通〔通带fc~∞〕、带通〔通带fc1~fc2〕、带阻〔通带0~fc1，fc2~∞〕四种。,滤波器根据处理信号的不同，分成模拟和数字式两类。显示记录仪器〔1〕光线示波器光线示波器是利用细光束〔包括紫外线光束〕在感光胶卷、相纸上记录

37、、显示被测信号的。〔2〕磁带记录仪磁带记录仪是一种常用的较理想的记录器，可以用于振动测量和静力试验的数据记录，它将电信号转换成磁信号并记录在磁带上，得到的是试验变量与时间的变化关系。磁带记录仪由磁带、磁头、磁带传动机构、放大器和调制器等组成。,,(3),信号处理机动态信号数据处理，一般在专用信号处理机或利用数据处理软件在通用计算机上进行。,图,2.3.32,直接记录式磁带记录仪原理图,,图,2.3.33,数字信号处理机的组成,测试系统的选配根据常用的一些测振仪器的性能，一般可构成电磁式测试系统、压电式测试系统和电阻应变式测试系统等三种测试系统。电磁式测试系统在桥梁的动力测试中应用较

38、为普遍，这类系统通过仪器的组合变换可测位移、速度和加速度。压电式测试系统一般用于测量加速度。电荷放大器不受输出电缆分布电容的影响，低频特性也很少受输入电阻的影响，使用频率可到达零，它适用低频或超低频长距离的动力测试。电阻应变式测试系统中传感器的种类较多，记录装置为常用的光线振子示波器或磁带机等。电阻应变式测试系统中各局部仪器具有通用性强、应用方便等特点，在桥梁动载试验中的应用很普遍。,3.8桥梁动载试验在进行桥梁动载试验时，首先要设法使桥梁产生一定的振动，然后应用测振仪器加以测试和记录，通过对记录的振动信号分析得到桥梁的动力特性和响应。自振动〔瞬态激振法〕自振动的特点是使桥梁产生有阻

39、尼的自由衰减振动，记录到的振动图形是桥梁的衰减振动曲线。〔1〕突然加荷载法〔冲击法〕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。近年来，在桥梁的动载试验中，还采用了爆炸和发射小型火箭产生脉冲荷载等方法来进行激振，但还不普及。,图,2.3.34,落锤激振器构造图,图,2.3.35,跳车引起的结构振动图形,〔2〕突然卸载法〔位移激振法〕采用突然卸载法时，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，利用结构的弹性性质使其产生自由振动。共振法〔强迫振谐法〕激振设备有机械式激振器、电磁式激振器和电

40、气液压式振动台。共振法是利用激振器，对结构施加激振力，使结构产生强迫振动，改变激振力的频率而使结构产生共振现象并借助共振现象来确定结构的动力特性。在桥梁的动载试验中，常用载重车队由低到高的不同速度驶过桥梁，使结构产生不同程度的强迫振动。,图,2.3.36,卸载法试验装置,图,2.3.37,频率扫描时结构的振动图,图,2.3.38,车速为,21 km/h,时跨中挠度时历曲线,脉动法对于大跨度悬吊结构，可利用结构由于外界各种因素所引起的微小而不规那么的振动来确定结构动力特性。这种微振动通常称为“脉动〞，它是由附近的车辆、机器等振动或附近地壳的微小破裂和远处的地震传来的脉动所产生。,图,2.3

41、.39,结构脉动曲线,3.9试验数据整理和分析结构的动力特性是结构振动系统的根本特性，是进行结构动力分析所必需的参数。结构固有频率的测定,图,2.3.40,由衰减振动曲线求固有频率,按照前面表达的激振方法，使桥梁产生的自由振动，通过测试系统实测记录结构的衰减振动波形，如下图。在记录振动波形曲线上，可根据时标符号直接计算出结构的固有频率式中：L——两个时标符号间的距离，mm； n——波数； S——n个波长的距离，mm； t1——时标的间隔〔常用1 s，0.1 s,0.01 s这三种标定值〕。当使用激振器时，结构产生连续的周期性强迫振动，在激振器振动

42、频率与结构的固有频率一致时，结构出现共振现象，振幅到达最大值，共振波峰处的频率即为结构的固有频率，如下图。,,图,2.3.41,共振曲线,,结构阻尼的测定,,图,2.3.42,由衰减振动曲线求阻尼特性,桥梁结构的阻尼特性，一般用对数衰减率δ或阻尼比D来表示。实测的振动衰减曲线如下图，由振动理论知，对数衰减率为式中：Ai，Ai+1——相邻两个波的振幅值，可直接从衰减曲线上量取。实践中，常从衰减曲线上量取m个波形，求得平均的衰减率：由振动理论知，对数衰减率δ与阻尼比D的关系为,对于一般材料的阻尼比都很小，因此,,在结构作自由衰减振动这一段记录上，仍可按上述方法求出结构的动力特性，但此

43、时没有载重汽车的附加质量的影响。仍用上述方法求出结构的动力特性：固有频率,f,0,=4.63 Hz,对数衰减率,δ=0.062,阻尼比,D=0.096,在实测的共振曲线上也可推算阻尼比，如图。具体作法是取,Y,max,/2,值作一水平线，同曲线相交于,A,，,B,两点，其对应的横坐标为,ω,1,，,ω,2,，即阻尼系数,,阻尼比式中：ω0——结构的固有频率。振型的测定结构的振型是结构相应于各阶固有频率的振动形式，一个振动系统振型的数目与其自由度数目相等。采用共振法测定振型时，将假设干传感器安装在结构各有关部位，当激振装置激发结构共振时，同时记录结构各部位的振幅和相比，比较各测点

44、的振幅及相位便可绘出振型曲线。传感器的测点布置视结构型式而定，一般要根据理论分析，估计振型的大致形状，然后在变位较大的部位布点，以便能较好地连接出振型曲线。,图,2.3.43,桥梁动载试验实测记录曲线,图,2.3.44,具有分布质量的各种梁的振型,振型的测定一般采用两种方法。一是在结构上同时安装许多传感器；另一种方法只用一个传感器，测试时要不断改变它的位置，以便测出各点的振幅。结构动力响应的测定在动力荷载作用下，桥梁结构某些部位的振动参数如振幅、频率、位移、应力等的测定，可根据试验的具体要求和结构的型式布置测点，采用适当的仪表进行测试。为了测定冲击系数，应使车辆荷载以不同的速度驶过桥梁，并逐次记录跨中挠度的时历曲线，如下图。按冲击系数的定义有：,式中：,Y,dmax,——,最大动挠度值；,Y,smax,——,最大静挠度值。,图,2.3.45,移动荷载作用下结构变形曲线,在图中，可从光线示波器所记录的曲线上直接量取Yd值和Ys值，那么活荷载的冲击系数〔1+μ〕值为：,图,2.3.46,汽车过桥时结构振动图形,,习题,3.19,图示,习题,3.20,图示,习题,3.21,图示,习题,3.22,图示,习题,3.23,图示,习题,3.39,图示,,习题,3.40,图示,