橋梁抗震試驗是評估橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下安全性能的核心方法，通過模擬地震環(huán)境，驗證設(shè)計可靠性，為抗震優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

橋梁抗震試驗并非模擬橋梁的日常狀態(tài)，而是通過精確重現(xiàn)地震時復(fù)雜、暴烈的地面運動，來驗證橋梁在極端災(zāi)害下的安全裕度與失效模式。其核心目標(biāo)是“大震不倒、中震可修、小震不壞”，確保地震發(fā)生后，關(guān)鍵交通動脈不致完全中斷。

橋梁抗震試驗屬于結(jié)構(gòu)動力學(xué)范疇，旨在通過模擬地震動，測試橋梁模型或構(gòu)件的動力響應(yīng)，評估其抗震能力，廣泛應(yīng)用于新建橋梁設(shè)計驗證、既有橋梁性能評估及抗震加固方案驗證。

試驗?zāi)康?/strong>01
驗證抗震設(shè)計

通過試驗檢驗橋梁在地震作用下的強度、剛度、延性和耗能能力是否滿足規(guī)范要求，驗證減隔震裝置（如阻尼器、隔震支座）的效果，并識別結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

02
揭示損傷機理

觀察橋墩、支座、梁端等關(guān)鍵部位的裂縫發(fā)展、混凝土壓碎、鋼筋屈曲等破壞模式，為改進設(shè)計細節(jié)（如配箍率、軸壓比）提供依據(jù)。

03
支撐規(guī)范與決策

為新建橋梁的設(shè)計和既有橋梁的抗震性能評價（如依據(jù)《公路橋梁抗震性能評價細則》）提供數(shù)據(jù)支撐，并為加固改造方案提供決策依據(jù)。

試驗體系與方法：從構(gòu)件到全橋，從靜力到動力

抗震試驗是一個多層次、多方法的完整體系，針對不同研究目的和橋梁類型，主要分為以下幾類：

01擬靜力試驗（低周反復(fù)加載試驗）

原理：模擬地震對結(jié)構(gòu)造成的往復(fù)循環(huán)荷載，緩慢地施加在橋梁的關(guān)鍵部位（如橋墩、支座、節(jié)點）。

目的：研究構(gòu)件的滯回特性（耗能能力）、延性性能、破壞機理。這是最基礎(chǔ)、最常用的試驗方法。

特點：設(shè)備要求相對較低，可詳細觀察裂縫發(fā)展與破壞過程，常用于縮尺模型或足尺構(gòu)件。

02擬動力試驗

原理：結(jié)合計算機數(shù)值模擬與物理加載。計算機求解結(jié)構(gòu)在地震波作用下的動力方程，計算出某個時刻的位移響應(yīng)，然后通過作動器靜態(tài)地將結(jié)構(gòu)推到該位移，測量恢復(fù)力，再反饋給計算機計算下一時刻的響應(yīng)。如此循環(huán)。

目的：可對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如大型橋墩、縮尺整體模型）進行較為真實的非線性地震反應(yīng)試驗。

特點：比擬靜力更接近真實動力過程，又比振動臺試驗?zāi)軠y試更大的模型，適用于無法整體放入振動臺的大型結(jié)構(gòu)。

03振動臺試驗（最直觀、最先進）

原理：將橋梁縮尺模型固定在大型地震模擬振動臺上，振動臺通過多個作動器（電液伺服）精確復(fù)現(xiàn)真實的地震波（如汶川波、Northridge波），使模型經(jīng)歷與真實地震相似的運動。

目的：全面研究橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體動力響應(yīng)、動力相互作用、倒塌全過程?？赡M多維地震輸入（水平雙向+豎向）。

特點：最真實、最昂貴，是抗震研究的“皇冠明珠”，多用于科研或重大工程驗證（如跨海大橋、高墩橋梁）。

04現(xiàn)場原型/實橋試驗

原理：使用激振車、火箭筒、偏心質(zhì)量塊等設(shè)備對已建成的真實橋梁施加可控的振動，測量其頻率、阻尼、振型等動力特性參數(shù)。

目的：獲取真實橋梁的“指紋”（動力特性），驗證設(shè)計模型，評估其健康狀況和剩余抗震能力。

特點：非破壞性，為橋梁的“體檢”和“健康監(jiān)測”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

橋梁抗震試驗所需配備
一
核心加載與支撐設(shè)備
01大型多功能振動臺

?功能：模擬真實地震動，對整橋或子結(jié)構(gòu)施加三向（水平X/Y + 豎向Z）地震激勵。

關(guān)鍵參數(shù)

?臺面尺寸：常見 3m×3m 至 20m×16m；

?最大載重：10 噸～1350 噸；

?工作頻率：0.1 Hz – 100 Hz；

?加速度輸出：水平 ≥1.5g，豎向 ≥1.2g；

?自由度：三向六自由度（3平動+3轉(zhuǎn)動）。

?應(yīng)用：足尺或縮尺橋梁模型的動力響應(yīng)測試。

02電液伺服作動器系統(tǒng)（用于擬靜力/擬動力試驗）

?功能：對橋墩、支座、節(jié)點等構(gòu)件施加低周反復(fù)荷載，模擬地震往復(fù)作用。

組成

?伺服作動器（推力可達 500 kN – 10,000 kN）；

?液壓泵站；

?伺服閥與控制系統(tǒng)；

?力/位移傳感器。

?控制模式：位移控制（常用）、力控制、混合控制。

03反力墻與強地面

?功能：為擬靜力試驗提供剛性反力支撐。

要求

?反力墻厚度 ≥2 m，配筋密集；

?強地面布滿地錨孔（間距通常 0.5 m × 0.5 m）；

?抗拔力 ≥1000 kN/孔。

二
測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
04傳感器系統(tǒng)

傳感器類型 測量內(nèi)容 典型型號/精度

?加速度計：測量結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，精度±50g，采樣率 ≥1 kHz

?位移傳感器（LVDT/激光）：測量墩頂位移、支座位移，分辨率 0.01 mm

?應(yīng)變片/光纖光柵（FBG）：測量鋼筋/混凝土應(yīng)變，精度 ±1 με

?傾角儀：測量構(gòu)件轉(zhuǎn)角變形，精度±0.01°

?裂縫觀測儀：測量裂縫寬度發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)

05高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

?同步采集數(shù)百通道信號；

?采樣頻率 ≥1 kHz（振動臺試驗需更高）；

?支持實時顯示與存儲（如 NI PXIe、DH5922、HBM QuantumX）。

06高速攝像與視覺測量系統(tǒng)

?高速相機：記錄破壞過程（幀率 500–10,000 fps）；

?數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)：非接觸測量全場位移與應(yīng)變；

?紅外熱像儀（可選）：監(jiān)測局部能量耗散區(qū)域。

三
模型制作與輔助設(shè)備
07模型加工與安裝設(shè)備

?微?；炷翑嚢铏C（用于縮尺模型）；

?鋼筋彎曲/切割設(shè)備；

?模型固定夾具、預(yù)埋件。

08安全防護系統(tǒng)

?防崩落網(wǎng)（防止混凝土碎塊飛濺）；

?緊急停機按鈕；

?視頻監(jiān)控與遠程操作終端。

四
配套軟件系統(tǒng)

?控制軟件：MTS FlexTest、ServoLab（用于作動器控制）；

?數(shù)據(jù)處理：MATLAB、Python、Origin；

?數(shù)值仿真耦合：OpenSees + 實時混合仿真（RTHS）平臺。

橋梁抗震試驗具體步驟一試驗前準備階段
01明確試驗?zāi)康?/strong>

?驗證新型橋墩構(gòu)造的延性性能；

?評估隔震支座在大位移下的耗能能力；

?對比加固前后橋梁節(jié)點的抗震性能；

?校準有限元模型參數(shù)。

02制定試驗方案

?確定加載制度（位移控制 or 力控制）；

?選擇加載路徑（單向/雙向水平推覆）；

?設(shè)定加載幅值（按屈服位移 Δy 的倍數(shù)：0.5Δy, 1Δy, 2Δy…）；

?規(guī)劃循環(huán)次數(shù)（通常每級位移循環(huán) 2–3 次）；

?確定終止條件（承載力下降至峰值85%、混凝土壓潰、鋼筋斷裂等）。

03設(shè)計與制作試件

?若為縮尺模型，需滿足相似律（幾何、材料、荷載、時間等比例）；

?關(guān)鍵區(qū)域（塑性鉸區(qū)）按實際配筋率制作；

?預(yù)埋傳感器安裝槽或粘貼點；

?養(yǎng)護至設(shè)計強度（通常 ≥28 天）。

04安裝傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在關(guān)鍵位置布置

?應(yīng)變片（縱筋、箍筋、混凝土表面）；

?LVDT位移計（墩頂水平位移、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角）；

?加速度計（動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測）；

?裂縫觀測標(biāo)記（或DIC視覺系統(tǒng)）。

?連接數(shù)據(jù)采集儀，進行零點校準與通道測試。

二試件安裝與調(diào)試
05固定試件于反力系統(tǒng)

?將橋墩底部剛性錨固于強地面；

?頂部通過加載梁連接電液伺服作動器；

?模擬實際邊界條件（如固結(jié)、鉸接、彈性約束）；

?安裝側(cè)向支撐防止平面外失穩(wěn)（但不約束主加載方向）。

06預(yù)加載與初始狀態(tài)確認

?施加小幅度（如 5% 預(yù)估極限荷載）往復(fù)荷載；

檢查

?作動器運行是否平穩(wěn)；

?傳感器信號是否正常；

?試件無初始裂縫或松動；

?記錄初始剛度作為基準。

三正式加載階段（以擬靜力試驗為例）
07分級施加低周反復(fù)荷載

?加載方式：位移控制（推薦），按預(yù)設(shè)位移增量逐級加載；

?典型加載制度（以墩頂位移 Δ 為控制量）：

0 → +0.5Δy → 0 → -0.5Δy → 0

→ +1.0Δy → 0 → -1.0Δy → 0

→ +1.5Δy → 0 → -1.5Δy → 0

→ …… 直至破壞

（Δy 為理論屈服位移，由數(shù)值分析或規(guī)范公式估算）

?每級循環(huán) 2–3 次，觀察滯回環(huán)穩(wěn)定性；

?實時監(jiān)控：荷載-位移曲線、裂縫開展、鋼筋屈服聲發(fā)射等。

08記錄關(guān)鍵現(xiàn)象

?首次開裂位移與荷載；

?縱筋屈服時的位移與力；

?峰值承載力及對應(yīng)位移；

?混凝土剝落、箍筋斷裂、鋼筋壓屈等破壞模式；

?殘余位移（卸載后不可恢復(fù)變形）。

注：若為振動臺試驗，此階段改為：

?輸入小震（多遇地震）→ 中震（設(shè)防地震）→ 大震（罕遇地震）；

?每級地震波持續(xù) 10–30 秒；

?觀測結(jié)構(gòu)自振頻率變化、加速度放大效應(yīng)、支座位移等。

四試驗終止與后處理
09判定試驗終止

滿足以下任一條件即停止加載：

?承載力下降至峰值的 85% 以下；

?出現(xiàn)嚴重剪切破壞或鋼筋拉斷；

?位移角超過規(guī)范限值（如墩高 H，Δ/H > 1/50）；

?設(shè)備達到行程或力限。

10卸載與拆除

?緩慢卸載，避免沖擊；

?拍照/錄像記錄最終破壞形態(tài)；

?小心拆除傳感器（部分可重復(fù)使用）。

11數(shù)據(jù)整理與分析

?繪制 滯回曲線（荷載-位移）；

計算

?延性系數(shù) μ = Δu / Δy；

?等效粘滯阻尼比 ξ；

?剛度退化曲線；

?能量耗散面積。

?對比數(shù)值模擬結(jié)果，修正本構(gòu)模型或設(shè)計參數(shù)。

五編寫試驗報告

報告應(yīng)包含：

?試驗?zāi)康呐c依據(jù)規(guī)范；

?試件設(shè)計圖紙與材料參數(shù)；

?加載制度與設(shè)備清單；

?試驗過程照片與視頻截圖；

?原始數(shù)據(jù)圖表與分析結(jié)論；

?破壞機理總結(jié)與設(shè)計建議。

重點研究對象與失效模式

試驗不僅關(guān)注“強度”，更關(guān)注“韌性”和“可恢復(fù)性”：

01
橋墩/柱

彎曲破壞（延性破壞，希望發(fā)生的破壞形式）：鋼筋屈服，混凝土壓碎，耗散大量能量。

剪切破壞（脆性破壞，要避免）：斜向裂縫突然發(fā)展，承載力驟降。

節(jié)點破壞：承臺與墩柱連接處等關(guān)鍵部位的破壞。

02
支座

滑移、脫空、剪切破壞：支座是連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，其失效會導(dǎo)致落梁。

03
上部結(jié)構(gòu)

梁體碰撞：相鄰聯(lián)之間或梁與橋臺之間在地震中發(fā)生碰撞。

落梁：最災(zāi)難性的失效，因支座失效或位移過大導(dǎo)致主梁從墩臺墜落。

04
減隔震裝置

鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、阻尼器等，試驗驗證其耗能效果和對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的優(yōu)化作用。

遵循主要規(guī)范

?《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）

?《鐵路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（TB 10092—2017）

?《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）

?FEMA P-695（美國，用于性能評估方法參考）

橋梁抗震試驗是現(xiàn)代土木工程中一場在可控環(huán)境下進行的、關(guān)乎生命的“壓力測試”。它用科學(xué)的、可量化的方式，將地震的破壞力轉(zhuǎn)化為工程師可理解的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，最終將不確定性轉(zhuǎn)化為可預(yù)見的安全性，默默守護著每一道跨越山河的生命線。