道路與橋梁工程試驗檢測技術第二篇第3章橋梁荷載試驗

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1、,*,,,出版社,道路與橋梁工程試驗檢測技術,單擊此處編輯母版文本樣,,第,3,章 橋梁荷載試驗,3.1荷載試驗的目的及主要內容荷載試驗的目的進行橋梁荷載試驗的目的是檢驗橋梁整體受力性能和承載力是否到達設計文件和標準的要求，對于新橋型及橋梁中運用新材料、新工藝的，應驗證橋梁的計算模式，為完善結構分析理論積累資料。荷載試驗的主要內容荷載試驗的主要內容為：①荷載試驗的目的；②試驗的準備工作；③加載方案設計；④測點設置與測試；⑤加載控制與平安措施；,⑥試驗結果分析與承載力評定；⑦試驗報告編寫。荷載試驗的準備工作荷載試驗正式進行前應做好以下準備工作：1〕試驗孔〔或墩〕的選擇

2、。選擇時應綜合考慮以下因素：①該孔〔或墩〕計算受力最不利；②該孔〔或墩〕施工質量較差、缺陷較多或病害較嚴重；③該孔〔或墩〕便于塔設腳手架，便于設置測點或便于實施加載。2〕搭設腳手架和測試支架。3〕靜載試驗加載位置的放樣和加載位置的安排。4〕試驗人員組織及分工。5〕其他準備工作。,3.2加載方案和測點布置加載方案與實施〔1〕試驗荷載工況確實定1〕簡支梁橋：2〕連續梁橋：3〕懸臂梁橋〔T型剛構橋〕：4〕無鉸拱橋：〔2〕試驗荷載等級確實定1〕控制荷載確實定控制橋梁設計的荷載有以下幾種：①汽車和人群〔標準設計荷載〕；②掛車或履帶車〔標準設計荷載〕；,③需通行的特殊重

3、型車輛。2〕靜載試驗效率靜載試驗效率為 式中：Ss——靜載試驗荷載作用下控制截面內力計算值； S——控制荷載作用下控制截面最不利內力計算值； μ——按標準采用的沖擊系數，平板掛車、重型車輛，取μ=0。ηq——該值可采用0.8~1.05。3〕動載試驗效率動載試驗效率為,式中：Sd——動載試驗荷載作用下控制截面最大計算內力值； S——標準汽車荷載作用下控制截面最大計算內力值 ηd值一般采用1。〔3〕靜載加載分級與控制為了加載平安和了解結構應變和變位隨試驗荷載增加的變化關系，對橋梁荷載試驗的各荷載工況的加載應分級進行。1〕分級控制的

4、原那么①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。②當使用載重車加載，車輛稱重有困難時也可分成3級加載。③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。④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。,2〕車輛荷載加載分級的方法①逐漸增加加載車數量；②先上輕車后上重車；③加載車位于內力影響線的不同部位；④加載車分次裝載重物；3〕加卸載的時間選擇。4〕加載分級的計算。〔4〕加載設備的選擇靜載試驗加載設備可根據加載要求及具體條件選用，一般有以下兩種加載方式：1〕可行式車輛。

5、2〕重物直接加載。,〔5〕加載重物的稱量可根據不同的加載方法和具體條件選用以下方法，對所加載進行稱量。1〕稱重法。2〕體積法。3〕綜合計算法。測點設置〔1〕測點布設1〕主要測點的布設。幾種常用橋梁體系的主要測點布設如下：①簡支梁橋：跨中撓度，支點沉降，跨中截面應變；②連續梁橋：跨中撓度，支點沉降，跨中和支點截面應變；③懸臂梁橋：懸臂端部撓度，支點沉降，支點截面應變；④拱橋：跨中，l4處撓度，拱頂l4和拱腳截面應變。,2〕其他測點的布設。根據橋梁調查和檢算工作的深度，綜合考慮結構特點和橋梁目前狀況等可適當加設以下測點：①撓度沿橋長或沿控制截面橋寬方向分布；②應變沿控制

6、截面橋寬方向分布；③應變沿截面高分布；④組合構件的結合面上、下緣應變；⑤墩臺的沉降、水平位移與轉角，連拱橋多個墩臺的水平位移；⑥剪切應變；⑦其他結構薄弱部位的應變；⑧裂縫的監測點。3〕溫度測點的布設。,3.3靜載試驗儀器設備常用的儀器有百分表、千分表、位移計、應變儀、應變計〔應變片〕、精密水準儀、經緯儀、傾角儀、刻度放大鏡等。機械式位移計機械式位移計包括百分表、千分表及張線式位移計和撓度計等，其構造和工作原理根本相同，主要區別在于精度和量程不同。〔1〕百分表的根本構造圖是百分表的構造圖。千分表和百分表相似，只不過增加了一對放大齒輪。〔2〕使用方法使用時，百分表裝在表

7、座上〔目前大都采用磁性表座〕，表架安裝在臨時專門搭設的支架上，支架應具有一定的剛度，并與被測結構物分開。,〔3〕使用時應注意的事項1)使用時，只能拿取外殼，不得任意推動測桿，防止磨損機件，影響放大倍數。注意保護觸頭，觸頭上不得有傷痕。2〕安裝時，要使測桿與欲測的位移的方向一致，或者與被測物體外表保持垂直。3)百分表架要安設穩妥，表架上各個螺絲要擰緊，但當頸箍夾住百分表的軸頸時，不可夾得過緊，否那么會影響測桿移動。4〕百分表安裝好，可用鉛筆頭在表盤上輕輕敲擊，看指針擺動情況。假設指針不動或繞某一固定值在小范圍內左右擺動，說明安裝正常。5〕百分表使用日久或經過拆洗修理后，必須進行標定，標

8、定可在專門的百分表、千分表校正儀上進行。千分表與百分表的使用方法完全相同。〔4〕用位移計測撓度與變位,,應用位移計量撓度與變位時，應注意以下問題：1〕作為固定位移計的不動點支架必須有足夠的剛性。2〕位移計測桿與所量測的位移方向完全一致。3〕位移計使用前后要仔細檢查測桿上下活動是否靈活。〔5〕用位移計測應變應變，就是結構上某區段纖維長度的相對變化〔ε=ΔL/L〕。應變儀就是用來測定這個長度變化的儀器。圖所示為位移計應變量測裝置。固定位移計和頂桿的夾具，可用鋼、銅或鋁合金等制成，按照選定的標距以粘貼或預埋的方式固定在結構需量測應變的部位上。,手持式應變儀當需要在現場較長期連續地觀測

9、結構的應變時，一般的應變儀不適用，手持式應變儀那么比較適用。此儀器的外形見圖，構造原理見圖。,圖,2.3.4,手持式應變儀外形,關于測孔的制作方法建議如下：1〕鋼結構要順桿件上直接鉆孔。2〕圬工或木質構件那么可粘貼特制的鋼腳標〔用環氧樹脂粘接劑粘貼〕，腳標尺寸如下圖。無論鋼材上所鉆的孔眼還是特制腳標上的孔眼均應按圖制作。使用此種儀器，尚有一溫度影響問題，即在長期量測過程中，初讀數和加載數可能不在同一溫度條件下讀取，因此在量測讀數中不僅包含了受載應變ε。而且還包含了溫度應變εt，為了從讀數中扣除溫度局部的影響，就要在量測過程中進行“溫度補償〞。為了到達補償目的，根據量測的實踐，建議采取“橫

10、向溫度補償法〞。在布置測應變的測點的同時，在垂直方向布置測點，如下圖。,圖2.3.6 腳標尺寸〔單位：mm〕 圖2.3.7 孔眼尺寸〔單位：mm〕,,圖,2.3.8,橫向溫度補償測點,測點a-a，b-b，c-c等分別為桿件應變測點，d-d為溫度補償測點，它垂直于應變測點，且在桿件中部。當對測點a-a，b-b，c-c進行讀數時，也對測點d-d進行讀數。那么 式中：μ——材料泊桑比； εt——溫度應變； 聯解上述四式得,,水準管式傾角儀,圖所示為水準管式傾角儀的構造，其原理是利用高靈敏度的水準管來測定結構節點、截面或支座處轉角。,圖,2

11、.3.9,水準管式傾角儀,電阻應變儀用電阻式應變儀測試橋梁結構應變時需用應變儀和電阻應變片〔應變計〕配合使用。〔1〕電阻應變片電阻應變片又稱電阻應變計，簡稱應變片或電阻片，有如下的一些優點。①靈敏度高。②電阻片尺寸小且粘貼牢固。③電阻片質量小。④可以在高溫〔800~100 ℃〕、低溫〔-100~-70 ℃〕、高壓〔上萬個大氣壓〕、高速旋轉〔幾千轉/mm~幾萬轉/mm〕、核幅射等特殊條件下成功的使用。①敏感絲柵是應變片的主要元件，一般由康酮、鎳鉻合金制成。,②基底和覆蓋層起定位和保護應變片幾何形狀的作用，也起到與被測試試件之間電絕緣作用。③引出線是用以連接導線的過渡局部，一般用

12、直徑約為0.15~0.30 mm的金屬絲。④粘結劑把絲柵基底和覆蓋層牢固地粘結成一個整體。2)電阻應變片的分類。根據不同的方法，有如下的分類：①金屬絲式應變片。②箔式應變片。,圖,2.3.11,金屬絲式應變片 圖,2.3.12,金屬箔式應變片,③應變花。④半導體應變片。,圖,2.3.13,應變花,3〕金屬應變片的工作原理。金屬應變片的工作原理在于導體的“電阻應變效應〞。,圖,2.3.15,金屬導體的電阻應變效應,如果一根細長的金屬導體長度為L，截面積為A，電阻率為ρ，那么它的電阻值R可以用下式示： 當電阻絲受到拉伸或壓縮后，ρ，L，A都產生了

13、變化。為了求得三個參數變化對電阻的影響，可對式〔〕進行全微分，經整理后并用相對變化率表示時，那么有：一般電阻絲的橫截面呈圓形，式中 ，D為電阻絲的直徑，顯然 由材料力學中知道，軸向應變與橫向應變的關系為：,式中：ν——泊松比。所以有將式〔〕代入式〔〕，整理得：令有,式中K0為常數，其物理意義是每單位應變所造成的相對電阻變化率。常用的公式可改寫為： 式中K稱為應變片靈敏系數。4〕電阻應變片的選用。選用應變片時，應根據應變片的初始參數及試件的受力狀態、應變梯度、應變性質、工作條件、測試精度要求等綜合考慮。5〕電阻應變片的粘貼技術①粘結劑。常

14、規橋梁試驗粘貼應變片的應變膠一般為快干膠和熱固性樹脂膠等。②應變片的粘貼技術。粘貼時應掌握以下技術環節:a.選片。b.定位。,c.貼片。d.枯燥固化。e.應變片的防護。,圖,2.3.16,應變片防護構造,〔2〕應變儀1〕測量電阻測量電路是應變儀的重要組成局部，其作用是將應變片的電阻變化轉換為電壓〔或電流〕的變化。橋式電路也稱應變電橋，其測量電路能精確地測量極其微小的電阻變化。例如我們假設用阻值R=120 Ω、靈敏系數K=2的應變片測量某一網結構，假設鋼材的彈模E=2×105 MPa，當某點應力為100 MPa時，根據電阻應變片的阻值與應變的關系即,圖,2.3.17,電橋,為了分

15、析電橋中電阻的變化與輸出端E的變化規律，假設電橋的四根橋臂上的電阻R1，R2，R3和R4為四個電阻片，把電橋分為DAC和DBC兩局部。從DAC這半個電橋來看，由D經過A到C的電壓〔即DC間的電壓〕降為u，R2上的電壓降為uAC，那么同樣DBC這半個橋電壓降也是u〔因為R1，R2和R3，R4為并聯在電壓u上〕，R3上的電壓降為uBC，那么整個電橋的輸出電就是uAC和uBC之間的差,為了使測量前的輸出為零〔即保持電橋平衡〕應滿足 根據分析，在符合該關系條件下，輸出電壓的增量與電阻片阻值變化可由下式計算： 根據電橋平衡的條件，上式可寫為,根據電橋的測量電路，對應變電橋的測量方法

16、有以下幾種：①單點測量。單點測量時，組成測量電橋的四個電阻中，R1為電阻片電阻，其余三個為精密電阻〔無電阻變化〕，那么 半橋測量。其方法是將半橋接電阻片，另半橋為精密電阻〔ΔR3=ΔR4=0〕那么全橋測量。其方法是組成測量電橋的四個電阻全由電阻片組成，即,2〕電阻應變儀電阻應變儀按使用內容不同，分靜態應變儀、動態應變儀和靜動態應變儀。①國產YJS—14型靜態數字應變儀。YJS—14型靜態數字應變儀是一種靜態應變自動測量裝置，能自動平衡〔或不需平衡〕、自動換點、自動測量、數字顯示和自動打印，并可與計算機聯機進行數據處理。主要由五個局部組成：a.轉換器。b.電阻應變儀。c.運

17、算器。d.控制器。e.輸出裝置。YJS—14型數字應變測量裝置的工作過程就是把應變測點組成惠斯登橋路。,,圖,2.3.18 YJS—14,型靜態數字應變儀原理框圖,②日本產7V08型數據采集儀。該儀器是單板機組成的一個計算機控制系統，可由鍵盤或面板觸摸功能鍵直接輸出數據或程序，主要通過接口來輸出模擬信號〔電壓、電流、應變、溫度等〕，并通過A/D轉換來完成存儲、記錄、轉換、運算和輸出。〔3〕電阻應變測量的溫度補償用應變片測量應變時，它除了能感受試件受力后的變形外，同樣也能感受環境溫度變化，并引起電阻應變儀指示局部的示值變動，這稱為溫度效應。溫度變化從兩方面使應變片的電阻值發生變化

18、。第一是電阻絲溫度改變Δt〔℃〕，其電阻將會隨之而改變ΔRβ。式中:β1——電阻絲的電阻溫度系數(1/℃)； R——應變片的原始電阻值〔Ω〕。,第二是因為材料與應變片電阻絲的線膨脹系數不相等。但兩者又粘合一起。這樣溫度改變Δt〔℃〕時，應變片中產生了溫度應變，引起一附加的電阻的變化ΔRa。 式中：Kt——貼好的應變絲對溫度應力的靈敏系數，Kt=K0； αj——試件材料的線膨脹系數〔1/℃〕； α——電阻絲的線膨脹系數〔1/℃〕。因此，總的溫度效應是兩者之和： 令 β=Kt(αj-α)+β1那么 式中:β——貼好的

19、應變片總的電阻溫度系數。,溫度效應的應變值為：如下圖，在電橋的BC臂上接一個與測量片R1同樣阻值的溫度補償變片R2〔簡稱補償片〕。測量應變片R1〔簡稱工作片〕貼在受力構件上，它既受應變作用又受溫度作用，故R1是由兩局部組成。即： 在實際工作中，為保證補償效果，對補償片的設置應考慮如下因素：①補償片與工作片應該是同批產品，有相同電阻值、靈敏系數和幾何尺寸。②貼補償片的試塊材料應與試件的材料一致，并應做到熱容量根本相等。③補償片的貼片、枯燥、防潮等處理工藝必須與工作片完全一致。④連接補償片的導線應與連接工作片的導線同一規格、同一長度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束。,⑤補償片與工作

20、片的位置應盡量接近，使兩者處于同樣溫度場條件下，以防不均勻熱源的影響。⑥補償片的數量多少，根據試驗材料特性、測點位置、試驗條件等決定。電阻應變原理的推廣——傳感器〔1〕應變式測力傳感器,圖,2.3.19,應變式測力傳感器構造及全橋式接線方法,〔2〕電子式位移傳感器1)電阻式位移計。,YHD型位移計的工作原理也是利用應變電橋進行測量的。在儀器內部設置四個無感電阻R1，R2，R3和R4，在R1和R2之間用一根電阻絲串聯起來組成應變電橋。如觸點向右移動時，AB橋臂的電阻增為R1+ΔR；BC橋臂的電阻那么減為R2-ΔR，那么輸出,2〕應變式位移傳感器。,3.4靜載試驗試驗觀測與記錄(1)溫

21、度穩定觀測儀表安裝完畢后，一般在加載試驗之前應對各測點進行一段時間的溫度穩定觀測，中間可每隔10 min讀數一次。〔2〕儀表的測讀與記錄人工讀表時，儀表的測讀應準確、迅速、并記錄在專門的表格上〔表，表〕，以便于資料的整理和計算。〔3〕裂縫觀測加載試驗中裂縫觀測的重點是結構承受拉力較大部位及舊橋原有裂縫較長、較寬的部位。在這些部位應測量裂縫長度、寬度，并在混凝土外表沿裂縫走向進行描繪。,加載實施與控制〔1〕加載程序加載應在指揮人員指揮下嚴格按方案程序進行。采用重物加載時按荷載分級逐級施加，每級荷載堆放位置準確、整齊穩定。荷載施加完畢后，逐級卸載。〔2〕加載穩定時間控制為控制加

22、卸載穩定時間，應選擇一個控制觀測點〔如簡支梁的跨中撓度或應變測點〕，在每級加載〔或卸載〕后立即測讀一次，計算其與加載前〔或卸載前〕測讀值之差值Sg，然后每隔2 min測讀一次，計算2 min前后讀數的差值ΔS，并按下式計算相對讀數差值m：,〔3〕加載過程的觀察加載試驗過程應對結構控制點位移〔或應變〕、結構整體行為和薄弱部位破損實行監控，并將結果隨時匯報給指揮人員作為控制加載的依據。(4)終止加載控制條件發生以下情況應中途終止加載：①控制測點應力值已到達或超過用彈性理論按標準平安條件反算的控制應力值時；②控制測點變位〔或撓度〕超過標準允許值時；③由于加載，使結構裂縫的長度、縫寬急劇

23、增加，新裂縫大量出現，縫寬超過允許值的裂縫大量增多，對結構使用壽命造成較大的影響時；④拱橋加載時沿跨長方向的實測撓度曲線分布規律與計算相差過大或實測撓度超過計算值過多時；⑤發生其他損壞，影響橋梁承載能力或正常使用時。,3.5試驗數據分析及橋梁承載能力評定通過靜載試驗得到的原始數據、文字和圖像描述材料是荷載試驗最重要的資料。進行承載力評定之前必須對它進行處理分析，得出直接進行承載能力評定的指標，以滿足承載力評定的需要。試驗數據分析〔1〕試驗資料的修正1〕測值修正。2)溫度影響修正。溫度對測試的影響比較復雜。一般可采用綜合分析的方法來進行溫度影響修正，即利用加載試驗前進行的溫度穩定觀

24、測數據，建立溫度變化〔測點處外表溫度或空氣溫度〕和測點測值〔應變和撓度〕變化的線性關系，然后按下式進行溫度修正計算：,式中：S——溫度修正后的測點加載測值變化； S′——溫度修正前的測點加載測值變化； Δt——相應于S′觀測時間段內的溫度變化〔℃〕； Kt——空載時溫度上升1 ℃，測點測值變化量。 式中：ΔS——空載時某一時間區段內測點測值變化量； Δt1——相應于ΔS同一時間區段內溫度變化量。3〕支點沉降影響的修正。當支點沉降量較大時，應修正其對撓度值的影響，修正量C可按下式計算：,式中：C——測點的支點沉降影響修正量； l——

25、A支點到B支點的距離； x——撓度測點到A支點的距離； a——A支點沉降量； b——B支點沉降量。〔2〕各測點變化〔撓度、位移、沉降〕與應變的計算根據量測數據作以下計算：總變位〔或總應變〕 St=S1-Si彈性變位〔或彈性應變〕 Se=S1-Su剩余變位〔或剩余應變〕 Sp=St-Se=Su-Si式中：Si——加載前測值；,S1——加載到達穩定時測值； Su——卸載后到達穩定時測值。相對剩余變位〔或應變〕按下式計算： 式中：S′p——相對剩余變位〔或應變〕，Sp，St意義同前。〔3〕應力計算根據測量到的測點應變，當

26、結構處于線彈性工作狀態時可以利用應力應變關系計算測點的應力。單向應力狀態：,2〕平面應力狀態：①當主應力方向時：式中：E——構件材料彈性模量； ν——構件材料泊松比； ε1，ε2——方向相互垂直的主應變； σ1，σ2——方向相互垂直的主應力。②主應力方向未知時需用應變花測量其應變計算主應力。應變花的常見形式為直角形或等邊形，如圖2.3.23(a)、〔b〕、〔c〕所示，由三個應變片組成；也可以增加校核片布置為扇形和傘形，如圖2.3.23(d)、(e)所示。采用圖中的五種應變花時測點主應力可以表示為,,,其中參數,A,B,C,由應變花的形式而定,,,上

27、面五種形式應變花的參數見表。,,,圖,2.3.23,常用應變花的形式,(4)試驗結果與理論分析的比較為了評定結構整體受力性能,需對橋梁荷載試驗結果與理論分析值比較,以檢驗新建橋是否到達設計要求的荷載標準，或判斷舊橋的承載能力。為了量化，以及描述試驗值與理論分析值比較的結果，此處引入結構校驗系數： 式中：Se——試驗荷載作用下量測的彈性變位〔或應變〕值； Ss——試驗荷載作用下的理論計算變位〔或應變〕值。荷載試驗成果分析與承載能力評定一般進行以下分析評定工作：〔1〕結構工作狀況1〕校驗系數η。校驗系數η是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標。不同結構形式的橋

28、梁，其η值常不相同，η值常見的范圍可,參考表，一般要求,η,值不大于,1,。,2〕實測值與理論值的關系曲線。3〕相對剩余變位〔或應變〕。4)動載性能。〔2〕結構的強度及穩定性當荷載試驗工程比較全面時，可采用荷載試驗主要撓度測點的校驗系數η來評定結構的強度和穩定性。磚石和混凝土橋 鋼筋混凝土及預應力混凝土橋,根據η值由表查取Z2的限值范圍，再根據以下條件確定Z2值。符合以下條件時，Z2值可取高限；否那么應酌減，直至取低限。1〕加載內力與總內力〔加載內力+恒載內力〕的比值較大，荷載試驗效果較好。2〕實測值與理論值線性關系較好，相對剩余變位〔或應變〕較小。表經過荷載試驗的橋梁檢

29、算系數Z2值表3〕橋梁結構各局部無損傷，風化、銹蝕裂縫等較輕微。η值應取控制截面內力最不利荷載工況時最大撓度測點進行計算。〔3〕地基與根底當試驗荷載作用下墩臺沉降、水平位移及傾角較小，符合上部結構檢算要求，卸載后變位根本回復時，認為地基與根底在檢算荷載作用下能正常工作。,〔4〕結構的剛度要求試驗荷載作用下，主要測點撓度校驗系數η應不大于1。各點的撓度不超過“橋規〞〔JTJ022—85第條和JTG D62—2004第條〕規定的允許值。即〔5〕裂縫對于新建橋試驗荷載作用下預應力結構不應出現裂縫，鋼筋混凝土結構裂縫不超“橋規〞允許值：,對于舊橋試驗荷載作用下大局部裂縫寬度應小于表

30、規定的允許值，荷載試驗后所有裂縫應不大于表規定的允許值。靜載試驗報告編寫在全部試驗資料整理與分析的根底上，提出橋梁結構靜載試驗報告，其內容應該包括以下各項：①試驗概況。②試驗的目的。③試驗方案設計。④試驗日期及試驗的過程。⑤各項試驗到達的精度。⑥試驗成果與分析。⑦試驗記錄摘錄。,⑧技術結論。⑨經驗教訓。⑩有關圖表、照片。3.6橋梁動載測試范圍結構振動問題涉及振源〔輸入〕、結構〔系統〕和響應〔輸出〕，它們的關系為：橋梁的動載試驗可以劃分為三類根本問題：①測定橋梁荷載的動力特性〔數值、方向、頻率等〕。②測定橋梁結構的動力特性〔自振頻率、阻尼、振型等〕。③測定橋

31、梁在動荷載作用下的響應〔動位移、動應力等〕。,3.7動載試驗的常用儀器設備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、磁帶記錄儀和數字信號處理機。測振傳感器〔拾振器〕〔1〕根本原理振動參數有位移、速度和加速度。通過測量慣性質量相對于傳感器外殼的運動，就可以得到振動體的振動參量〔圖〕。設被測振動體的振動規律如下： 式中：x——振動體相對固定參考坐標的位移； X0——振動體振動的振幅； ω——振動體振動的圓頻率。,傳感器外殼隨振動體一起運動。以,y,表示質量塊,m,相對于傳感器外殼的位移，由圖可知，質量塊,m,的總位移為,x+y,，它的運動方程

32、為,,或,,上式為一單自由度有阻尼的強迫振動的方程，它的通解為,,其中，,上式中第一項為自由振動解，由于阻尼作用而很快衰減；第二項為強迫振動解，其中式中：ξ——阻尼比，ξ= ωn——傳感器質量彈簧系統的固有頻率， 由式〔〕可知，傳感器動力系統的穩態振動如下：,〔2〕傳感器的頻率特性將式〔〕與式〔〕相比較，可以看出傳感器中的質量塊相對外殼的運動規律與振動體的運動規律一致，但兩者相差一個相位角φ。質量塊的振幅Y0與振動體的振幅X0之比為式〔〕和式〔〕分別為測振傳感器的幅頻特性和相頻特性，相應的曲線稱為幅頻特性曲線和相頻特性曲線〔如圖、圖所示〕。,,圖,2.3.25,幅

33、頻特性曲線 圖,2.3.26,相頻特性曲線,以上討論是關于測量位移的傳感器，如果使傳感器的固有頻率遠遠大于所測振動的頻率，可以得到關于慣性式加速度傳感器的頻率特性。當ωn≥ω時，由式〔〕、式〔〕可得：所測振動的加速度為：令am=X0ω2，由式〔〕可知：,上式表示傳感器的位移幅值與被測振動的加速度值成正比，這就是慣性式加速度傳感器的工作原理。以ωωn為橫坐標，以Y0ω2nam為縱坐標，可得加速度傳感器的幅頻特性曲線〔如下圖〕。,圖,2.3.27,加速度傳感器的幅頻特性曲線,〔3〕磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器是根據電磁感應的原理制成的，其特點是

34、靈敏度高，性能穩定，輸出阻抗低，頻率響應有一定寬度。圖為一磁電式速度傳感器，其中磁鋼和殼體相固連，并通過殼體安裝在振動體上，與振動體一起振動。根據電磁感應定律，感應電動勢E的大小為 式中：B——線圈所在磁鋼間隙的磁感應強度； l——每匝線圈的平均長度； n——線圈匝數； v——線圈相對于磁鋼的運動速度，即系統質量相對于傳感器殼體  的運動速度。,圖為一擺式測振傳感器。它的質量彈簧系統設計成轉動的形式，因而可以獲得更低的儀器固有頻率。擺式傳感器可以測垂直方向和水平方向的振動；它也是磁電式傳感器，輸出電壓與相對運動速度成正比。磁電式

35、測振傳感器的主要技術指標如下：①傳感器質量彈簧系統的固有頻率。②靈敏度。③頻率響應。當④阻尼。,(4),壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器就是利用晶體的壓電效應而制成的，其特點是穩定性高、機械強度高，并能在很寬的溫度范圍內使用，但靈敏度較低。,,壓電式加速度傳感器的主要技術指標如下：①靈敏度。②安裝諧振頻率f安。③頻率響應。④橫向靈敏度比。⑤幅值范圍。〔5〕拾振器的選用①靈敏度。②線性度。③穩定性。④精度。⑤工作方式。,此外，結合橋梁結構的特殊性，提出以下要求：①擺式拾振器性能穩定、靈敏度高、使用方便可靠，它的缺乏是下限可測頻率有限制〔幅頻率特性下落〕，所以

36、不適合測大跨徑柔性橋跨結構的振動。②加速度計是振動測試中用得最多的拾振器，從原理上講利用它頻帶寬體積小的優勢可滿足各種振動測試對象的要求。測振放大器測振放大器的種類很多，它們之間的輸入和輸出特性、頻響特性等往往都是根據所配拾振器而定。濾波器濾波器是一種選擇裝置，可以使信號中有用成分通過，濾去不需要的成分，根據它的選頻特點，濾波器有低通〔通帶0~fc〕、高通〔通帶fc~∞〕、帶通〔通帶fc1~fc2〕、帶阻〔通帶0~fc1，fc2~∞〕四種。,濾波器根據處理信號的不同，分成模擬和數字式兩類。顯示記錄儀器〔1〕光線示波器光線示波器是利用細光束〔包括紫外線光束〕在感光膠卷、相紙上記錄

37、、顯示被測信號的。〔2〕磁帶記錄儀磁帶記錄儀是一種常用的較理想的記錄器，可以用于振動測量和靜力試驗的數據記錄，它將電信號轉換成磁信號并記錄在磁帶上，得到的是試驗變量與時間的變化關系。磁帶記錄儀由磁帶、磁頭、磁帶傳動機構、放大器和調制器等組成。,,(3),信號處理機動態信號數據處理，一般在專用信號處理機或利用數據處理軟件在通用計算機上進行。,圖,2.3.32,直接記錄式磁帶記錄儀原理圖,,圖,2.3.33,數字信號處理機的組成,測試系統的選配根據常用的一些測振儀器的性能，一般可構成電磁式測試系統、壓電式測試系統和電阻應變式測試系統等三種測試系統。電磁式測試系統在橋梁的動力測試中應用較

38、為普遍，這類系統通過儀器的組合變換可測位移、速度和加速度。壓電式測試系統一般用于測量加速度。電荷放大器不受輸出電纜分布電容的影響，低頻特性也很少受輸入電阻的影響，使用頻率可到達零，它適用低頻或超低頻長距離的動力測試。電阻應變式測試系統中傳感器的種類較多，記錄裝置為常用的光線振子示波器或磁帶機等。電阻應變式測試系統中各局部儀器具有通用性強、應用方便等特點，在橋梁動載試驗中的應用很普遍。,3.8橋梁動載試驗在進行橋梁動載試驗時，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，通過對記錄的振動信號分析得到橋梁的動力特性和響應。自振動〔瞬態激振法〕自振動的特點是使橋梁產生有阻

39、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。〔1〕突然加荷載法〔沖擊法〕在被測結構上急速地施加一個沖擊作用力,由于施加沖擊作用的時間短促,因此,施加于結構的作用實際上是一個沖擊脈沖作用。近年來，在橋梁的動載試驗中，還采用了爆炸和發射小型火箭產生脈沖荷載等方法來進行激振，但還不普及。,圖,2.3.34,落錘激振器構造圖,圖,2.3.35,跳車引起的結構振動圖形,〔2〕突然卸載法〔位移激振法〕采用突然卸載法時，在結構上預先施加一個荷載作用，使結構產生一個初位移，然后突然卸去荷載，利用結構的彈性性質使其產生自由振動。共振法〔強迫振諧法〕激振設備有機械式激振器、電磁式激振器和電

40、氣液壓式振動臺。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象并借助共振現象來確定結構的動力特性。在橋梁的動載試驗中，常用載重車隊由低到高的不同速度駛過橋梁，使結構產生不同程度的強迫振動。,圖,2.3.36,卸載法試驗裝置,圖,2.3.37,頻率掃描時結構的振動圖,圖,2.3.38,車速為,21 km/h,時跨中撓度時歷曲線,脈動法對于大跨度懸吊結構，可利用結構由于外界各種因素所引起的微小而不規那么的振動來確定結構動力特性。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。,圖,2.3

41、.39,結構脈動曲線,3.9試驗數據整理和分析結構的動力特性是結構振動系統的根本特性，是進行結構動力分析所必需的參數。結構固有頻率的測定,圖,2.3.40,由衰減振動曲線求固有頻率,按照前面表達的激振方法，使橋梁產生的自由振動，通過測試系統實測記錄結構的衰減振動波形，如下圖。在記錄振動波形曲線上，可根據時標符號直接計算出結構的固有頻率式中：L——兩個時標符號間的距離，mm； n——波數； S——n個波長的距離，mm； t1——時標的間隔〔常用1 s，0.1 s,0.01 s這三種標定值〕。當使用激振器時，結構產生連續的周期性強迫振動，在激振器振動

42、頻率與結構的固有頻率一致時，結構出現共振現象，振幅到達最大值，共振波峰處的頻率即為結構的固有頻率，如下圖。,,圖,2.3.41,共振曲線,,結構阻尼的測定,,圖,2.3.42,由衰減振動曲線求阻尼特性,橋梁結構的阻尼特性，一般用對數衰減率δ或阻尼比D來表示。實測的振動衰減曲線如下圖，由振動理論知，對數衰減率為式中：Ai，Ai+1——相鄰兩個波的振幅值，可直接從衰減曲線上量取。實踐中，常從衰減曲線上量取m個波形，求得平均的衰減率：由振動理論知，對數衰減率δ與阻尼比D的關系為,對于一般材料的阻尼比都很小，因此,,在結構作自由衰減振動這一段記錄上，仍可按上述方法求出結構的動力特性，但此

43、時沒有載重汽車的附加質量的影響。仍用上述方法求出結構的動力特性：固有頻率,f,0,=4.63 Hz,對數衰減率,δ=0.062,阻尼比,D=0.096,在實測的共振曲線上也可推算阻尼比，如圖。具體作法是取,Y,max,/2,值作一水平線，同曲線相交于,A,，,B,兩點，其對應的橫坐標為,ω,1,，,ω,2,，即阻尼系數,,阻尼比式中：ω0——結構的固有頻率。振型的測定結構的振型是結構相應于各階固有頻率的振動形式，一個振動系統振型的數目與其自由度數目相等。采用共振法測定振型時，將假設干傳感器安裝在結構各有關部位，當激振裝置激發結構共振時，同時記錄結構各部位的振幅和相比，比較各測點

44、的振幅及相位便可繪出振型曲線。傳感器的測點布置視結構型式而定，一般要根據理論分析，估計振型的大致形狀，然后在變位較大的部位布點，以便能較好地連接出振型曲線。,圖,2.3.43,橋梁動載試驗實測記錄曲線,圖,2.3.44,具有分布質量的各種梁的振型,振型的測定一般采用兩種方法。一是在結構上同時安裝許多傳感器；另一種方法只用一個傳感器，測試時要不斷改變它的位置，以便測出各點的振幅。結構動力響應的測定在動力荷載作用下，橋梁結構某些部位的振動參數如振幅、頻率、位移、應力等的測定，可根據試驗的具體要求和結構的型式布置測點，采用適當的儀表進行測試。為了測定沖擊系數，應使車輛荷載以不同的速度駛過橋梁，并逐次記錄跨中撓度的時歷曲線，如下圖。按沖擊系數的定義有：,式中：,Y,dmax,——,最大動撓度值；,Y,smax,——,最大靜撓度值。,圖,2.3.45,移動荷載作用下結構變形曲線,在圖中，可從光線示波器所記錄的曲線上直接量取Yd值和Ys值，那么活荷載的沖擊系數〔1+μ〕值為：,圖,2.3.46,汽車過橋時結構振動圖形,,習題,3.19,圖示,習題,3.20,圖示,習題,3.21,圖示,習題,3.22,圖示,習題,3.23,圖示,習題,3.39,圖示,,習題,3.40,圖示,