大跨度斜拉橋動力特性實測
2018-05-07
0引言
斜拉橋由于其跨越能力大、結構新穎高效而成為現代橋梁工程中發展最快、最具有競爭力的橋型之一【1】，特別是在跨江跨海大橋這面優勢更加巨大。隨著科技的發展，從近年來所建的斜拉橋來看，斜拉橋的建造正在向著跨度越來越大，主梁越來越輕柔方向發展。斜拉橋跨度增大，主梁輕柔導致其剛度變小，對橋梁在車輛荷載、風荷載和地震荷載作用下動力響應尤為敏感，嚴重的會引起橋梁結構的破壞。因而有必要對其動力特性進行研究，為其抗震、抗風設計提供依據和參考，是一項很有意義的工作【2】。
1 工程概括
某跨海大橋主橋為主跨780m的五跨連續半漂浮體系雙塔雙索面斜拉橋，其跨徑布置為95+230+780+230+95=1430m。索塔采用鉆石型，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、和下橫梁，塔柱采用空心箱型斷面，采用C50混凝土，塔柱頂高程230.70m。主橋斜拉橋鋼箱梁含風嘴全寬38m，不含風嘴寬34.108m，中心線高度3.5m。主橋斜拉索采用1670 MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共25×4×2=200根斜拉索。
2 測試系統簡介
為了分析大橋的動力特性，本次實測選取了4個加速度傳感器。分別測量大橋的豎向振動和橫向振動，加速度傳感器布置在跨中截面，傳感器布置位置如圖1。由于此次沒有布置扭轉加速度傳感器，故扭轉加速度信號則由這兩個豎向加速度信號的差值除以其橫向間距28m。加速度傳感器采用北戴河蘭德科技的BC00-19超低頻振動傳感器，其最低采樣頻率為0.1HZ；采集模塊采用的是美國恩艾公司的NI-9234，其具有抗混疊濾波強、精度高等、4通道同步采集等特點。另外，采用美國NI公司的LabviewSignlaExpress信號采集系統。測試圖框如圖2
圖1傳感器布置
圖2 NI動態測試系統儀器連接
3 動力特性分析
在此次加速度實測過程中，外在環境為：最小風速為6.1m/s，最大風速為10.8m/s，平均風速為10.5m/s，環境溫度為28.2。加速度信號的采樣頻率為2000Hz，采集時間為18分鐘。
3.1 自振頻率的計算
進行頻譜分析時可采用隨機子空間法（SSI）或多參考最小二乘復頻域法（Polymax）等，這里采用隨機子空間法。一般來說大跨度斜拉橋自振頻率較低，通過有限元分析可知其前12階固有模態頻率范圍為0.072Hz-0.523Hz，而傳感器的測量范圍為0.1Hz-100Hz，為了獲得一個合理的實測結果，在此分析自振頻率時頻帶范圍為0Hz-2Hz。通過分析可得主梁前幾階頻率分別為0.1807 Hz、0.2051 Hz、0.2393 Hz、0.3662 Hz。通過與有限元計算出的結果相比較得出與其對應的振動類型見表1。
3.2 阻尼比的計算
橋梁結構的阻尼是確定橋梁振動的重要參數之一，阻尼消耗能量，使振動衰減，對橋梁安全是有利的【3】。由于直接根據結構尺寸的大小以及所用材料的阻尼特性來計算阻尼矩陣的系數是不切實際的。因此通常用振型阻尼比的數值確定阻尼【4】。橋梁結構的阻尼比可以根據跳車激振試驗或行車試驗測記的測點余振相應信號（振動衰減曲線），也可以根據頻譜分析得出的測點自功率譜圖，用半功率點帶寬法按下式計算：
式中， ——第i階自振頻率相應的半功率點帶寬，即0.707倍功率譜峰值所對應的頻率差；
—第i階自振頻率。
通過此方法可得此橋的前幾階模態對應的阻尼比為0.046、0.03、0.019、0.005。
通過有限元軟件分析計算可得出其前12階自振頻率，見表1
表1 振動固有頻率和模態阻尼比
注：表中“/”表示在實測中沒有識別出的模態，有些模態頻率過于接近，或者加速度傳感器過于接近模態振型的駐點而使測試信號太弱，使得一些模態的阻尼比沒有識別出來。
4 結論
通過實測和有限元軟件分析發現其豎向振動頻率和橫向振動頻率都較低，模態相對密集，在第2階出現主梁側彎。
通過有限元分析和實測可知，前5階未出現主梁扭轉，主梁扭轉具體出現在哪階有待進一步研究。
從總體來看，有限元軟件計算得出的自振頻率與實測得到的自振頻率這兩者相差較小，都在6.5%以內。
實測各階模態阻尼比相差比較大，最大值出現在主梁橫彎為0.046，而最小值出現在主梁二階對稱豎彎為0.005。
參考文獻：
[1]劉士林. 侯金龍.斜拉橋.北京：人民交通出版社，2002.8.
[2]嚴國敏. 現代斜拉橋.成都:西南交通大學出版社，1996.7.
[3]李國豪. 橋梁結構穩定與振動.北京：中國鐵道出版社，1996.
[4]謝禮立. 結構動力學.北京：高等教育出版社，2005.
作者簡介：黃正輝（1988-），碩士研究生，研究方向：橋梁抗風
