试验数据整理分析和评定技巧

1)试验数据整理

(1)试验资料的修正

①测值修正。 根据各类仪表的标定结构进行测试数据的修正,如考虑机械式仪表校正系数、电测仪表率定系数、灵敏系数、电阻应变观测的导线电阻影响等。 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。 温度对测试的影响比较复杂。 结构构件的各部位不同的温度变化、结构的受力特性、测试仪表或元件的温度变化、电测元件的温度敏感性、自补性等均会对测试精度造成一定的影响,逐项分析这些影响是困难的。 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,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。

温度变化量的观测,对应变宜采用构件表面温度,对挠度宜采用气温。 温度修正系数Kt应采用多次观测的平均值,如测值变化与温度变化关系不明显时则不能采用。

由于温度影响修正比较困难,一般不进行这项工作,而采取缩短加载时间、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。

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——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

根据量测数据作下列计算:

式中　Si——加载前测值;

S1——加载达到稳定时测值;

Su——卸载后达到稳定时测值。

引入相对残余变位(或应变)的概念描述结构整体或局部进入塑性工作状态的程度。 相对残余变位(或应变)按下式计算:

式中　ξ——横向增大系统。

(3)应力计算

根据测量到的测点应变,当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。

①单向应力状态:

②平面应力状态:当主应力方向已知时,有:

式中　E——构件材料弹性模量;

ν——构件材料泊松比;(www.xing528.com)

ε1,ε2——方向相互垂直的主应变;

σ1,σ2——方向相互垂直的主应力。

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10.1(a)、(b)、(c)所示,由3 个应变片组成;也可以增加校核片,布置为扇形和伞形,如图10.1(d)、(e)所示。 采用图10.1 中的5 种应变花时测点主应力可以表示为:

图10.1　常用应变花形式

其中参数A,B,C 由应变花的形式而定,前述5 种形式应变花的参数如表10.8 所示。

表10.8　应变花参数

(4)试验曲线绘制

试验曲线的绘制应包括下列主要内容:各加载工况下主要测点实测位移(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;各加载工况下主要控制点的位移(或应变等)与荷载或荷载效率的关系曲线;各加载工况下控制截面位移(或应变)分布图、沿纵(横)桥向挠度图、截面应变沿高度(宽度)分布图等。

试验曲线能直观地反映试验结果。 一般通过试验曲线来表示实测应变和理论计算值的比较情况、主要控制点的变形(应变)与荷载的历程曲线、挠度及应变分布情况。 通过这些曲线,能够对试验结果进行评价,判断异常点、结构工作状态、应变(变形)分布是否符合一般规律等。

2)试验数据分析

(1)校验系数η

校验系数包括应变(或应力)校验系数及挠度校验系数,其值按下式计算。

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。

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匀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。

常见桥梁结构试验的应变(或应力)、挠度校验系数应符合表10.9 所示的常值范围。

表10.9　常见桥梁结构试验校验系数常值表

同类桥型校验系数越小,结构的安全储备越大。 校验系数过大或过小应从多方面分析原因。 过大可能因为组成结构的材料强度或弹性模量较低,结构各部分连接性能较差,刚度较低等;过小可能因为材料的强度或弹性模量较高,桥面铺装及人行道等与主梁(肋)共同受力,拱上建筑与拱圈共同作用,计算理论或简化图式的影响等。 试验时加载物的称量误差、仪表的观测误差等也对校验系数有一定影响。 一般来说,新建桥梁的校验系数较小,旧桥的校验系数较大。 校验系数超出常值范围时,通常结合动载试验成果进行综合分析判断。

(2)相对残余变位或相对残余应变S′p

主要控制测点的相对残余变形(或应变)S′p越小,说明结构越接近弹性工作状况。 S′p不宜大于20%。 当S′p大于20%时,表明桥梁结构的弹性状态不佳,应分析原因,必要时再次进行荷载试验加以确定。

(3)裂缝

试验荷载作用下新桥裂缝宽度不应超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)规定的容许值,卸载后其扩展宽度应闭合到容许值的1/3;在用桥梁的裂缝宽度不宜超过《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的规定。 超过规定时,应结合校验系数的计算结果,分析原因,采取措施。

(4)测点位移

处于线弹性工作状况的结构,测点实测位移(或应变)与其理论值应呈线性关系。

(5)应变分布

对于常规结构,实测的结构或构件主要控制截面应变沿高度分布应符合平截面假定。

3)试验结果评定

当出现下列情况之一时,应判定桥梁承载能力不满足要求:

①主要测点静力荷载试验校验系数大于1。

②主要测点相对残余变位或相对残余应变超过20%。

③试验荷载作用下裂缝扩展宽度超过《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)规定的限值,且卸载后裂缝闭合宽度小于扩展宽度的2/3。

④在试验荷载作用下,桥梁基础发生不稳定沉降变位。

主要测点静力荷载试验结构校验系数大于1,表明桥梁实际工作状况要差于理论状况;主要测点发生较大的相对残余变位或相对残余应变,以及结构裂缝超限且闭合状况不良,表明结构在试验荷载作用下有较大的不可恢复变位或应变。 这都表明结构实际状况与理想状况相比偏于不安全,因此可直接依据试验结果判定承载能力不能满足要求。 另外,对在用桥梁而言,由于地基在长期荷载作用下已趋于稳定,如在试验荷载作用下,发生基础不稳定沉降变位,可直接判定其承载能力不满足要求。

在其他情况下,应取主要测点应变校验系数或变位校验系数较大值,确定检算系数Z2,代替Z1 按《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的有关规定进行承载能力评定。 当检算的荷载效应与抗力效应的比值小于1.05 时,应判定桥梁承载能力满足要求,否则应判定桥梁承载能力不满足要求。