大桥荷载试验方案.docx
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大桥荷载试验方案
大桥荷载试验方案
xx大桥荷载试验方案
一、概述
xx大桥，为一座预应力混凝土连续梁桥，共有6联，桥梁全长538m，桥型布置为（3×25m）+（25m+27.5m+22.5m）+（40m+2×65m+40m）+25+2×（3×25m）。
上部结构出第四联为现浇简支梁外，其余均为现浇连续梁。
其中（40m+2×65m+40m）一联为变高度连续梁，其余均为等高度连续箱梁。
下部结构河中桥墩采用花瓶式独柱墩，岸上桥墩采用双柱式，基础均为钻孔桩基础，桩基础采用摩擦桩。
第1~4联桥面总宽度为25m：
15m（机动车道）+2×3.0m（非机动车道）+2×2.0m（人行道）。
第5~6联桥面总宽度为22m：
15m（机动车道）+2×3.5m（非机动车道）。
二、试验目的
1、检验设计与施工质量，确定工程的可靠性，为竣工验收提供技术依据；
2、验证设计理论、计算方法及设计所采用的各种假设的正确性与合理性，为改进桥梁结构及其设计方法积累科学依据；
3、直接了解桥跨结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价桥跨结构在设计使用荷载下的工作性能，检验其是否符合设计标准或满足使用要求；
4、通过静载试验，建立桥梁“指纹”档案，为以后该桥在运营阶段，特别是老化阶段的检测与评定提供基准数据。
三、试验依据
主要依据为：
1、《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）；
2、《城市桥梁设计准则》（CJJ11-93）；
3、《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）；
4、交通部《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（YC4-4/1982）；
5、交通部《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；
6、交通部《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；
7、交通部《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）；
8、交通部《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；
9、交通部《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）；
10、《工程测量规范》（GB50026-2007）；
11、相关设计、施工资料；
并参考其它同类桥梁的试验方法进行。
四、试验内容
对该桥进行静动载试验，静载试验在主桥大同路侧40m跨和65m跨及大同路侧第二联25m和27.5m引桥上进行；动载试验在主桥大同路侧60m跨和引桥第二联27.5m跨进行。
主要内容包括：
4.1静载试验内容与测点布置
1、主桥静载试验
1）主桥大同路侧边跨最大正弯矩截面（A-A）加载试验；
2）主桥大同路侧墩墩顶附近梁体最大负弯矩截面（B-B）加载试验；
3）主桥大同路侧主跨最大正弯矩截面（C-C）加载试验。
具体的布置图见附图1。
2、引桥（25m+27.5m+22.5m）一联静载试验
1）引桥大同路侧25m边跨最大正弯矩截面（D-D）加载试验；
2）引桥27.5m跨大同路侧墩墩顶附近梁体最大负弯矩截面（E-E）加载试验；
3）引桥27.5M跨最大正弯矩截面（F-F）加载试验。
具体的布置图见附图3。
3、测点布置
1）应力测点
对于主桥，在试验截面A-A、C-C各布置应力测点20个，B-B布置应力测点19个，共计59个，各截面测点布置见附图1，2；对于引桥，在试验截面D-D~F-F各布置应力测点20个，共计60个，各截面测点布置见附图1、2。
2）挠度测点
在试验跨的L/4、L/2、3L/4的上、下游处各布置1个挠度测点，在试验相邻跨L/2的上、下游处各布置1个挠度测点，一联共布置14个挠度测点，具体的测点布置见附图3。
4.2动载试验内容与测点布置
1、动载试验测试内容
1）测定桥跨结构的固有频率及阻尼比；
2）无障碍行车试验，测试截面C-C、F-F在行车（5~60km/h）激振下的动应力及动力增大系数（冲击系数）；
3）有障碍行车试验，测试截面C-C、F-F在跳车（5~30km/h）激振下的动应力及动力增大系数（冲击系数）。
2、动载试验测点布置
动应力测点：
在试验跨跨中梁体下缘布置4个动应力测点。
具体动应力测点布置见附图2、3。
五、静载试验方法
5.1静载试验方法
5.1.1、静载试验荷载
静力试验荷载采用载重汽车（重量待定）充当。
对每一检验项目，所需车辆荷载的数量，根据设计控制荷载产生的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得：
，
式中：
η为静力试验荷载效率；
Sstate为试验荷载作用下检验项目计算效应值；
S为设计控制荷载作用下检验项目的最不利计算效应值；
μ为规范采用的冲击系数。
对于该桥而言，根据设计荷载计算各控制截面的弯矩，并依此进行试验荷载设计。
主桥各试验截面的计算弯矩、试验弯矩及相应的荷载系数见表5.1.1，引桥各试验截面的计算弯矩、试验弯矩及相应的荷载系数见表5..1.2。
荷载效率系数应满足试验方法规定的0.80～1.10的范围。
表5.1.1主桥各试验截面计算弯矩试验弯矩及荷载效率系数弯矩kN-m
试验工况
试验弯矩（kN.m）
计算弯矩（kN.m）
效率系数
加载车辆数
大同路侧边跨最大正弯矩截面
（A-A）
大同路侧65m主跨墩最大负弯矩截面
（B-B）
大同路侧边跨最大正弯矩截面
（C-C）
表5.1.2引桥各试验截面计算弯矩试验弯矩及荷载效率系数弯矩kN-m
试验工况
试验弯矩（kN.m）
计算弯矩（kN.m）
效率系数
加载车辆数
大同路侧25m边跨最大正弯矩截面
（D-D）
大同路侧27.5m主跨墩最大负弯矩截面
（E-E）
27m跨最大正弯矩
截面
（F-F）
5.1.2、加载方式与分级加载
为了获得结构试验荷载与变位关系的连续曲线和防止结构意外损伤，针对不同检验项目，静力试验荷载分别按1~3级加载，2级卸零；加载方式为单次逐级递增到最大荷载，然后卸到零级荷载。
对同一主梁截面试验，先加偏载，而后满载，最后卸零，并对主跨跨中截面加载等主要工况进行重复加载。
同时根据结构对称性，选择主桥的半结构进行加载试验。
静力试验荷载的加载分级，主要依据试验加载车在检验项目（主要为内力）影响面内纵横向位置的不同以及加载车数量多少而分成设计控制荷载产生的该检验项目最不利效应值的50%、80%和100%。
5.1.3、静载加载位置与加载工况
加载位置与加载工况确定主要依据的原则是：
尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率，同时应考虑简化加载工况，缩短试验时间，在满足试验荷载效率的前提下对加载工况进行适当合并，每一加载工况依据某一检验项目为主，兼顾其它检验项目。
具体的试验荷载是根据各个控制截面的设计弯矩，通过等效的试验车辆荷载加载到相应位置来实现的，主桥和引桥静载加载各工况加载布置见附图5和6。
5.1.4、试验加载程序
1、预加载工况A预加载工况B预加载工况C回0；
2、工况A-1工况A-2工况A-3回0；
3、重复工况A-3回0；
其他各工况基本同A工况。
5.1.5、静载试验数据测试方法
1、应力测试，采用在试验截面粘贴混凝土应变片（阻值120）测试混凝土应变/应力，并通过不同位置补偿点实现对环境温度等因素的补偿，应变采用数字应变仪自动采集存储。
2、变形测试，采用百分表测量测试跨4分点挠度测点的竖向变形。
3、温度测量，采用红外温度测试仪测量梁体表面的温度及环境温度。
5.1.6、静载试验数据处理及测试流程
为实现对加载试验的实时控制，保证结构安全，在试验过程中及时地将实测控制数据及应力、挠度等换算处理，并与试验设计计算值进行比较，以判断试验荷载下的结构工件作性能。
按工况并以轮位图加载，测量各类数据、应力、挠度等。
采用首先用40%试验荷载预载，然后按级加载。
应力及挠度测试流程图分别见图5.1.1、图5.1.2。
图5.1.1应力测试流程
图5.1.2挠度测试流程
5.1.7、静载试验规划
1、静力试验应选择在气温变化不大（ΔT<3℃）和结构温度趋于稳定的时间间隔内进行。
试验过程中在量测荷载作用下结构响应的同时应对应地测量结构表面温度。
2、观测脚手架搭设及测点附属设施设置。
3、该桥脚手架的搭设主要为箱梁外表面脚手架搭建，脚手架需牢固可靠，方便布置安装观测仪表，同时要保证不影响仪表和测点的正常工作，且不干扰测点附属设施。
应有足够的强度、刚度和稳定性，以保证测试人员的安全和测试结果精确可靠。
4、正式加载试验前，分别在各个试验截面处进行预加载试验，预加载试验荷载持续时间以不小于15分钟为宜。
预加载的目的在于使结构进入正常工作状态以及检查试验测试系统装置和试验组织是否能处于正常工作状态。
5、加卸载的时间选择与控制。
为了减少温度变化对试验造成的影响，加载试验时间以晚21时至晨6时为宜。
尤其是采用重物直接加载，加卸载周期比较长，宜在夜间进行试验。
6、加卸载稳定时间取决于结构变位达到稳定所需的时间。
要求在前一荷载阶段内结构变位相对稳定后，方可进入下一荷载阶段。
同一级荷载内，结构最大变位测点在最后5分钟内的变位增量小于第一个5分钟变位增量的15％，或小于量测仪器的最小分辨值时，则认为结构变位达到相对稳定。
但当进行主要控制截面最大内力加载程序时，加卸载稳定时间应不少于15分钟。
7、静力试验荷载持续时间，原则上主要取决于结构变位达到相对稳定所需要的时间，只有结构变位达到相对稳定后，才能进入下一荷载阶段。
在进行各试验截面应力检验时，同一级荷载内，结构最大应变测点，在最后5分钟内的应变增量小于前一个5分钟应变增量的15%，或小于所用量测仪器的最小分辨值，即认为结构变位达到相对稳定。
各个试验跨的静力试验荷载持续时间以不小于30分钟为宜。
8、全部测点在正式加载试验前均应进行零级荷载的读数，对各控制截面应力检验时，对应变测点，以后每次加载后应立即读数一次，并在结构变位达到相对稳定后，进入下一级荷载前再读数一次，只有对结构应变较大的测点，宜每隔5分钟观测一次，以观测结构变位是否达到相对稳定，并在加载或卸载完成15分钟后开始量测。
9、若加载过程中，发生下列情况之一时应中途终止加载：
1）控制测点应力值已达到或超过理论计算的控制应力值时；
2）控制测点变位（或挠度）超过规范允许值时；
3）由于加载，使结构裂缝的长度，缝宽急剧增加，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）加载时沿跨长方向的实测挠度曲线分布规律与计算值相差过大或实测挠度超过计算值过多时；
5）发生其它损坏，影响桥梁承载能力或正常使用时。
10、静载试验的加载控制与安全措施
1）试验指挥人员在加载试验过程中应随时掌握各方面情况，对加载进行控制。
既要取得良好的试验效果，又要确保人员、仪表设备及桥梁的安全，避免不应有的损失。
应严格按设计的加载程序进行加载，荷载的大小，截面内力的大小都应由小到大逐渐增加，并随时作好停止加载和卸载的准备。
2）对加载试验的控制点应随时观测，随时计算并将计算结果报告试验指挥人员，如实测值超过计算值较多，则应暂停加载，待查明原因再决定是否继续加载。
试验人员如发现其它测点的测值有较大的反常变化也应查找原因，并及时向试验指挥人员报告。
3）加载过程中应指定人员随时观察结构各部位可能产生的新裂缝，注意观察构件薄弱部位是否有开裂、破损，组合构件的结合面是否有开裂错位，支座附近混凝土是否开裂，横隔板的接头是否拉裂，结构是否产生不正常的响声，加载时墩台是否发生摇晃现象等等。
如发生这些情况应报告试验指挥人员，以便采取相应的措施。
5.2动载试验方法
5.2.1测试系统的选择
1、一般可采用电磁式测试系统、压电式测试系统、电阻应变式测试系统或光电式测试系统。
在选择测试系统时，应注意选择测振仪器的技术指标，使传感器、放大器、记录装置组成的测试系统的灵敏度、动态范围、幅频特性和幅值范围等技术指标满足被测结构动力特性范围的要求，测试仪表精度应不大于预计测量值的10%。
2、试验前，应对测试系统进行灵敏度、幅频特性、相频特性线性度等进行标定。
当采用分部标定法进行测试系统标定时，如分别标定传感器、放大器和记录仪的灵敏度为
、
、
，则测试系统总的灵敏度可按下式计算：
（5.2.1）
5.2.2动载试验方法
1、脉动试验
在桥面无任何交通荷载以及桥梁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幅振动响应。
脉动试验主要测定桥跨结构下列固有模态频率和临界阻尼比。
2、无障碍行车试验
在桥面无任何障碍的情况下，用1辆重载汽车（重量待定）沿桥梁中心线，以5km/h、10km/h……的速度往返通过桥跨结构，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。
动应力测点
图5.2.1行车试验示意图
3、跳车试验
荷载及其作用方法与无障碍行车试验相同。
不同的是，需在桥跨结构试验截面处桥面上设置高7.5cm、底宽30cm（三角形木板制作）的障碍物，模拟桥面铺装局部损伤状态，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应和冲击系数。
动应力测点
图5.2.2跳车试验示意图
4、结构冲击系数：
利用动应力曲线推求测试断面的冲击系数。
5.2.3动载试验数据处理方法
1、拟采用脉动法或重车激振余振法进行自振频率测试，由加速度传感器作拾振器，经电荷放大，然后进行信号处理。
通过对脉动及汽车过桥后的余振波形进行谱分析，得到脉动时桥梁的自振频率及阻尼比。
对过桥时及过桥后的波形进行谱分析，绘制典型的传递函数及相干函数分析曲线以及典型的竖向脉动幅值谱分析曲线。
一般情况下，桥面系对竖向刚度的影响及桥梁顺桥向的约束作用较大。
用余振波形分析得到的频率除顺桥向外，与脉动测试结果十分接近。
2、动应力是根据静载试验结果，在各种车速及工况下进行试验；截面冲击系数采用动应力来换算；内力影响线测试、动态增大效应也采用动应力换算的方法进行。
激振测试流程和数据处理流程分别见图5.2.3、图5.2.4。
图5.2.3激振测试流程
图5.2.4激振试验数据处理流程
3、桥跨结构测点振动加速度，采用伺服加速度传感器，配伺服放大器由计算机记录其输出信号。
通过对拾振器及加速度传感器记录到的位移及加速度时程曲线进行峰—峰值的扫描分析，求出桥梁结构的最大位移及加速度振幅。
通过对各振动信号进行幅值与相位谱、功率谱、相干函数分析，得出桥跨结构的自振频率。
通过对脉动波形及汽车过桥后的余振波形进行传递函数、相干函数及功率谱分析，得出各阶振动频率。
4、用动应变测得的桥梁冲击系数，如与设计值比较接近，则表明桥梁振动冲击效应满足设计要求。
六、试验结果分析方法
6.1静载试验
6.1.1静载试验资料的修正
1）测值修正。
根据各类仪表的标定结果进行测试数据的修正，如机械式仪表的校正系数，电测仪表的率定系数，灵敏系数，电阻应变观测的导线电阻影响等等。
当这类因素对测值的影响小于1%时可不予修正。
2）温度影响修正。
由于温度对测试的影响比较复杂，通常采取缩短加载时间，选择温度稳定性较好的时间进行试验等办法，尽量减小温度对测试精度的影响。
需要时，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测数据，建立温度变化（测点处构件表面温度或空气温度）和测点测值（应变和挠度）变化的线性关系（温飘试验），然后按下式进行温度修正计算：
（6.1.1）
式中，
—温度修正后的测点加载测值变化；
—温度修正前的测点加载测值变化；
—相应于S’观测时间段内的温度变化（℃）。
对应变宜采用构件表面温度，对挠度宜采用气温；
—空载时温度上升l℃时测点测值变化量。
如测值变化与温度变化关系较明显时．可采用多次观测的平均值。
（6.1.2）
式中，
—空载时某一时间区段内测点测值变化量；
—相应于△S同一时间区段内温度变化量。
温飘试验方法：
桥梁结构在空载状态下，对测试断面应力测定进行数据采集，并记录采集时刻的温度，采集时间间隔可为10分钟，通过数据处理，建立温度与时间、温度与测定应变之间的关系。
试验中的应变数据根据温飘试验结果进行温度修正。
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按下式计算：
（6.1.3）
式中，
—测点的支点沉降影响修正量：
—A支点到B支点的距离；
—挠度测点到A支点的距离；
—A支点沉降量；
—B支点沉降量。
6.1.2各测点变位与应变的计算
1）总变位（或总应变）：
（6.1.4）
2）弹性变位（或弹性应变）：
（6.1.5）
3）残余变位（或残余应变）：
（6.1.6）
式中，
—加载前测值；
—加载达到稳定时测值；
—卸载后达到稳定时测值。
6.1.3测点实测应力计算
在单向应力状态下，测点应力可按下式进行计算：
（6.1.7）
式中，
—测点应力；
—构件材料的弹性模量；
—测点实测应变值。
在主应力方向已知的平面应力状态下，测点应力可按下述公式进行计算：
（6.1.8）
（6.1.9）
式中，
—构件材料的弹性模量；
—构件材料的泊松比；
、
—相互垂直方向的主应变；
、
—相互垂直方向的主应力。
6.1.4校验系数及相对残余变形的计算
1）对加载试验的主要测点（即控制测点或加载试验效率最大部位测点）可按下式计算校验系数ξ：
（6.1.10）
式中，
—试验荷载作用下量测的弹性变位（或应变）值；
—试验荷载作用下的理论计算变位（或应变）值。
2）Se与Ss的比较，可用实测的横截面平均值与计算值比较，也可考虑荷载横向不均分布而选用实测最大值与考虑横向增大系数的计算值进行比较。
横向增大系数最好采用实测值，如无实测值也可采用理论计算值。
3）对加载试验的主要测点，应按下式计算其相对残余变位（或应变）：
（6.1.11）
式中，
—相对残余变位（或应变），
、
意义同前。
6.1.5试验曲线的整理
1）列出各加载工况下主要测点实测变位（或应变）与相应的理论计算值的对照表，并绘制出其关系曲线。
2）绘制各加载工况下主要控制点的变位（或应变等）与荷载的关系曲线。
3）绘制各加载工况下控制截面应变（或挠度）分布图、沿纵桥向挠度分布图、截面应变沿高度分布图等。
6.1.6裂缝发展情况
若存在裂缝，应进行观测，在测试截面拉应力较大时也应进行检查。
1）当裂缝数量较少时可根据试验前后观测情况及裂缝观测表对裂缝状况进行描述。
2）当裂缝发展较多时应选择结构有代表性部位描绘裂缝展开图，图上应注明各加载程序裂缝长度和宽度的发展。
6.1.7挠度结果分析
竖向实测位移与理论计算的比较，计算各工况两次加载实测竖向结果的平均值、理论计算值及结构校验系数。
按照《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（YC4-4/1982），实测值与计算值进行对照，如满足规范限值要求，表明本桥的静载试验结果满足桥梁设计及检定规范的要求。
6.1.8应力结果分析
按照《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（YC4-4/1982），实测值与计算值进行对照，如满足规范限值，表明本桥的静载试验结果满足桥梁设计及检定规范的要求。
实测的结构或构件主要控制截面应变沿高度分布图符合平截面假定，实测的控制点变位或应变与荷载的关系曲线接近于直线，说明桥梁结构或构件处于良好的弹性工作状况。
6.2动载试验
1、动载试验资料的整理分析
1）行车试验的动力试验荷载效率可按下式计算：
（6.2.1）
式中，
—动力试验荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值；
—标准汽车荷载作用下控制截面最大内力或变位计算值（不计汽车荷载冲击系数）。
2）实测的活载动力增大系数（1+μ），可根据测记的测点动挠度或动应变时间历程曲线进行整理分析，按下式计算：
（6.2.2）
式中，
—在动力荷载作用下该测点最大挠度（或应变）值；
—相应的静载作用下该测点最大挠度（或应变）。
（6.2.3）
式中，
为与
相对应的最小挠度（或应变）值。
3）实测的活载冲击系数μ可按下式计算：
（6.2.4）
式中，
、
的意义同上。
4）根据不同车速的活载冲击系数或动力增大系数，绘制活载冲击系数或动力增大系数与车速的关系曲线，并求出活载冲击系数的最大值。
5）结构自振频率，可根据桥梁跳车激振试验测记的测点余振响应信号分析而得，也可根据脉动试验测记的测点随机振动响应信号分析而得，还可根据行车试验测记的测点动挠度或动应变余振曲线分析而得。
6）对跳车激振试验，当激振荷载对结构振动具有附加质量影响时，可按下式计算结构自振频率：
（6.2.5）
式中，
—结构的自振频率；
—有附加质量影响的实测自振频率；
—结构在激振处的换算质量；
—附加质量。
7）桥梁结构的阻尼比，可根据跳车激振试验或行车试验测记的测点余振相应信号（振动衰减曲线），按下式进行计算：
（6.2.6）
式中，
—测点阻尼比；
—在振动衰减曲线上量取的波形数；
—在振动衰减曲线上量取的第i个波形的幅值；
—在振动衰减曲线上量取的第i+m个波形的幅值。
8）桥梁结构阻尼比也可根据频谱分析得出的测点自功率谱图，用半功率点带宽按下式计算：
（6.2.7）
式中，
—第i阶自振频率相应的半功率点带宽，即0.707倍功率谱峰值所对应的频率差；
—第i阶自振频率。
2、动载试验结论
1）实测跨中的最大应变冲击系数及挠度冲击系数，与规范值比较。
2）实测桥梁的横向、竖向及纵向自振频率均应接近或高于理论计算频率，则桥梁的动力性能良好。
七、试验设备
试验设备见表7.1：
表7.1试验仪器及设备一缆表
序号
设备名称
数量
用途
1
万能数据采集系统（UCAM-70A）
1
静态应变
2
TC1800全站仪
1
静态位移
3
高精密水准仪
1
静态位移
4
光电挠度计
2
动、静态位移
5
多点激光测振仪
1
动态信号拾取及模态分析
6
加速度计
3
动态信号拾取
7
DH3816静态电阻应变仪
1
静态应变
8
DH5935动态电阻应变仪
1
动态应变
9
INV信号采集分析仪
2
动态信号采集、分析
10
DHF-8电（压）荷放大器
4
动态信号放大
11
温度测量仪
1
温度测试
注：
传感器，位移计，大量程游标卡尺，倾角仪，对讲机等其它小型设备不再列出。
八、试验现场准备以及组织与分工协作
8.1试验现场准备
1、试验前，结合桥梁现场检查应进行的准备工作
为了保证试验顺利进行和试验过程的安全，需由甲方完成以下准备工作：
1）桥面测点照明
桥面试验断面出处的测点处照明，桥面的照明灯布置在防撞护栏附近，每一盏灯可以在二十米左右移动。
2）桥面仪器供电
桥面一侧防撞护栏处每隔30m布设2个220V接电插座；
3）负责全桥桥面清障工作，正式试验中全桥及相关引桥全封闭，无关人员禁止上主桥，桥上人员均不可跑跳。
4）试验中需配给电工1人，民工6～8人。
为了保证试验顺利进行和试验过程的安全，需由乙方
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