基于动测的桥梁承载能力评估方法研究

摘要: 用荷载试验法评估既有桥梁承载力是一种较常用的桥梁承载力评估方法,本文以动载试验为切入点，进行基于动载试验的荷载试验法的研究，同时提出了动测法，并研究了基于动测的桥梁承载能力评估方法。

关键词:动载试验；动测法；冲击系数

中图分类号： C33 文献标识码： A

桥梁的动载试验是指通过各种结构振动检测系统获取桥梁结构在承载状态下的振动响应信号，利用信号处理技术和结构损伤识别与诊断方法通过测定结构动力特性和结构动力响应，得到模态参数、冲击系数、振动加速度、动挠度、动应变等参数，结合静载试验结果，对桥梁结构性能作出综合评价。

1. 桥梁的动载试验的评价指标

在实践中经验的“冲击系数”其定义为最大动态位移和最大静态位移之比。

（1-1）

或动态增量为：

（1-2）

式中：—动力放大系数；

—动力增大系数，习惯称之为冲击系数；

—当车辆荷载过桥时简支梁跨中挠度的峰值；

—同一车辆荷载静力作用时跨中挠度的最大值。

图1 桥跨中点的动挠度

世界各国根据实验结果发现了冲击系数随桥梁跨度递减的趋势，并在大量的实验数据基础上，制定了作为跨度L的递减函数的冲击系数的公式，其典型形式为：

(1-3)

各国根据已有的数据经过大量的统计给出了其定义的公式，图2表示一些主要国家的现行公路桥梁冲击系数公式。

图2 各国公路桥梁冲击系数比较

由上图可以看出：各国的计算公式都用与跨长的函数来表示，但各国公式之间相差很大，实验数据的离散性也很大，这说明影响公路桥梁荷载冲击系数的因素是十分复杂的，因而仅认为同跨度L一个参数来概括是不够的。

关于冲击系数的研究已有了很多的结论，现就主要结论总结如下：

1.冲击系数在的最大值在0.3～0.4左右，冲击系数和跨度的关系的离散性很大，动态增量和跨径之间没有明显的递减关系，而且实测结果和现行规范不完全一致。

2.桥面平整度对的影响较大。当桥面较大不平坦时，动态增量可以增大4～5倍。

3.桥梁固有频率的影响较大。在桥面比较平坦的情况下，最大的动态增量发生在基频为2.5～4Hz的桥梁上。

4.行车速度与动态增量有较大的关系，但目前还没有发现较为确定和相一致的关系。

在冲击系数的计算时，都是用动挠度计算获得的，由于受现场环境条件、设备灵敏度、安装条件等的限制，在很多场合要直接进行动挠度的准确测量是困难的。一般是通过振动加速度或速度成正比的电信号，需要进行一次积分或两次积分运算得到，过程复杂并且精度也不是太高。

2动测方法国内外研究概况

桥梁承载力评估的方法是多种多样的，目前世界各国科学技人员也都致力于这方面的研究工作，而目前最前沿的方法是使用动态法进行评估。所谓动态评估方法就是通过测量桥梁的振动信号，进行数字信号处理，提取与桥梁特性有关的特征参数，利用它们对桥梁的整体或部分结构进行评估，以得到桥梁的实际工作状况。

2.1.基于固有频率变化的结构性能评估

1990年Bruce.M.Douglas[4]等人使用快速释放的试验方法，研究了释放后桥梁的动态响应与静态变形之间的关系，此法能够完整的确定桥梁静态变形的形状和尺寸。通过静态变形的计算去观察结构的非线性响应特征，从而获得桥梁的固有频率、模态振型、模态阻尼，同时可以获得桥梁结构的刚度函数。

1995年，美国休斯顿大学学者Wang zhi jing[6]从理论和试验上对钢筋混凝土单梁的动力特性做了研究，建立起用于估计带裂缝混凝土梁的频率、阻尼比等模态参数的经验回归公式。

国内学者在理论分析和试验研究方面也做了有益的探讨：

1988年，成都市城市建设科学研究所和华中理工大学通过模型试验，以模态分析方法对桥梁动力参数进行非线性分析，外推极限承载力。同时，成都市城市建设科学研究所对单梁模型动态测试的环境激励法与传统的方法做了对比分析并对单梁的模态参数变化规律做了研究。

1997年湖南大学[7]的研究者以实测频率为基础识别桥梁刚度分布情况，从而评定桥梁的承载能力；1998年西安公路交通大学[8]的研究者对钢筋混凝土单梁破损模态分析与承载力评定问题初步进行试验研究，提出了反映荷载和频率关系的经验回归公式，并尝试用极限频率的概念进行外推桥梁承载力；2006年长安大学[9]的研究者通过室内单梁与整桥模型试验建立了板梁静、动刚度比与无量纲化基频之间的统计回归关系，构造了以名义配筋率为参数的结构承载能力与振动基频之间的关系。

2.2.基于冲击系数的结构性能评估

K.H.Chu等详细讨论了铁路预应力混凝土桥梁中的冲击影响，他们通过对车辆模型及不同跨度的桥梁在不同车速情况下的分析，分别得出了冲击系数与跨度的关系曲线，为桥梁的静动变形之间建立一种联系。John F.Muller(1992)等则利用火车通过铁轨上存在的缺陷引起的振动对预应力混凝土桥梁中的应变影响进行分析，结果表明，在无缺陷的铁轨上行驶，其冲击与车速相关性不大，反之，其冲击影响则与车速有明显的相关性。

2.3.基于振型变化的结构性能评估

1981年，美国学者Kenneth C Johns和1983年美国学者Sukhvarsh用相同的加载方法和激励方式对多片钢筋混凝土单梁模型做了模态试验，建立起动刚度的经验回归公式。振型却能更加敏感地反映结构部的变化。1990年，Salane[5]对公路桥梁和桥梁模型进行疲劳试验，通过检测结构动力特性的变化发现，杆件的刚度与裂缝开展存在一定的关系，模态参数的变化与观测到的质量退化有关。Pandy[10]在1991年提出的振型曲率法认为：对梁类结构，单元刚度与此单元对应的截面曲率密切相关，从而刚度的下降可以明显地反映在振型曲率的改变上，当结构局部出现损伤时，此处的曲率就会增大，从而引起振型曲线的曲率增大，并以一有20个单元的简支梁为例验证了此方法的有效性。Salawu在1995年对多跨公路桥梁修缮前后进行振动试验，发现阻尼的变化没有确定方向，但振型变化比较明显。

国内，1988年成都城市建设科学研究所和华中理工大学的研究者通过模型试验，以模态分析方法对桥梁动力参数进行非线性分析，外推极限承载力；郭国会[11]同志利用结构损伤后一阶振型与未损伤时的一阶振型的改变率，探测连续梁损伤位置，发现结构损伤前后各阶振型曲率的绝对差值，可以明显地识别梁损伤发生的位置以及相对的损伤程度，且其有效程度大于一阶振型改变率的效果。袁向荣、徐宜桂等人也在相应的数值模拟及试验中证实了此方法的可行性。

当前我国大量的旧桥普遍需要检测，其费用令公路管理部门难以接受。在这种情况下，国内外桥梁学者都致力于旧桥承载能力和使用性能的快速评定及检测方法，由于动力检测方法具有检测方便、快捷等优点，动力检测方法在桥梁检测中的应用大有前途。

参考文献：

[1] 孙昊，王复明，蔡迎春.现役公路桥梁承载能力的试验评估分析[J].华北水利水电学院学报.2006，27(1)：8-11.

[2] 桥梁检评估与补强[M].北京:机械工业出版社，2003.

[3] 宋一凡.公路桥梁荷载实验与结构评定.北京：人民交通出版社，2002.

[4] Norris Stubbs，Taft H .Broome,and Roberto Osegueda, Nondestructive construction error detection in large space structuers, AI AA ,1990,28(11),146-152

[5] HJ.Salnae,Jow Baldwin Jr.Identification of Modal Properties of Bridges, Jo urnal of Structural Engineering, ASCE,116(7)，1990.

[6] Zhijing Wang,The Dynamic Behavior and Vibration Monitoring ofReinforced Concrete Beams, [J] Vol.26,1998,JTEVA

[7] 李丰良.梁的位移测试[J] 长沙铁道学院学报，2003,21(3):96-100

[8] 王宏章、惠昭，桥梁模态锤击实验方法[J]西北公路，1986.

[9] 蒋泽汉.用动态法快速测定桥梁承载力报告之四—单梁静动力实验及分析，1998.

[10] A.K.Pandy, M .Biswas, and M .M.Sanunan, Damage detection from changes in curvature mode shape, Jounral of Sound and Vibration,145(2),1991.

[11] 郭国会.钢筋混凝土结构破损评估的神经网络方法，硕士学位论文，湖南大学，1998.