淮河特大橋三跨連續(xù)鋼桁梁模態(tài)試驗(yàn)及分析

孫超群 同濟(jì)大學(xué)

1 模態(tài)試驗(yàn)概述

目前，在橋梁上的模態(tài)試驗(yàn)一般有2種，強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)和環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，然而強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)盡管試驗(yàn)結(jié)果可信度高，但是施加激勵(lì)花費(fèi)代價(jià)大，而且需要關(guān)閉交通，因此大跨度橋梁模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)一般都是采用了環(huán)境激勵(lì)的試驗(yàn)方法。然而它僅能測(cè)得環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)，真正的輸入情況是未知的。目前對(duì)其模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的方法：一般用較為簡(jiǎn)單的頻域識(shí)別的峰值法，它對(duì)環(huán)境隨機(jī)載荷特性作了一些假定，簡(jiǎn)單、實(shí)用、快捷。而模態(tài)試驗(yàn)得到的動(dòng)力特性參數(shù)（自振頻率、阻尼、振型），可以用來(lái)確定或者改進(jìn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，使其更接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特性和邊界條件，更進(jìn)一步，它也可以用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估和健康監(jiān)測(cè)。

2 橋梁概況

阜淮線淮河特大橋是一座3×96 m三跨連續(xù)公鐵兩用橋梁，桁高12.8 m，節(jié)間距為8 m，主桁中心距為10 m；公路橋面寬11 m，兩側(cè)各設(shè)1.5 m人行道，正橋結(jié)構(gòu)主要采用16 Mnq和相當(dāng)于16 Mnq的鋼材，主桁桿件采用H型截面。固定支座設(shè)于27#墩，其余墩設(shè)置活動(dòng)支座。全橋?qū)嵕皥D如圖1所示。

圖1 淮河特大橋全橋?qū)嵕皥D

3 試驗(yàn)橋模態(tài)測(cè)試

3.1 測(cè)試?yán)碚?/h3>

脈動(dòng)測(cè)試?yán)碚摚涸诒患?lì)點(diǎn)k的激勵(lì)力fk(jw)未知，而僅已知結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)j的位置位移響應(yīng)xj(jw)的前提下，定義參考點(diǎn)p的位移響應(yīng)xp(jw)與xj(jw)的比值為響應(yīng)傳遞率aj(jw)（可直接測(cè)得）。根據(jù)xj(jw)、xp(jw)以及傳遞函數(shù)HJK(jw)的關(guān)系，建立aj(jw)與HJK(jw)的近似關(guān)系式。

3.2 測(cè)試方案

測(cè)試方法采用固定參考點(diǎn)移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)的模態(tài)試驗(yàn)法（簡(jiǎn)稱(chēng)UINO），它采用具有多通道的采集儀，用分組成批的測(cè)量方法，1次測(cè)量4點(diǎn)，每點(diǎn)包含豎向和橫橋向拾振器，如圖2所示。參考點(diǎn)設(shè)在右片桁架下弦中跨跨中位置，即測(cè)點(diǎn)21位置，全橋共設(shè)有148個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)采用941-B型6通道超低頻和DLF-3型兩通道四合一放大器，由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)；動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)AZ316，南京安正軟件工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)。橋梁模態(tài)參數(shù)通過(guò)聯(lián)合采用互功率譜（PSD）法和峰值拾取法來(lái)識(shí)別。

圖2 鋼桁梁結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 在節(jié)點(diǎn)處安放的測(cè)點(diǎn)拾振器

4 結(jié)果對(duì)比分析

4.1 橋梁的空間有限元模型

對(duì)該三跨連續(xù)鋼桁梁空間有限元模型的建模中，考慮了公路縱梁和橋面板的受力，使用了梁、殼和質(zhì)量三種單元。主桁、上下平聯(lián)、鐵路、公路縱橫梁及聯(lián)結(jié)系、楣桿和橋門(mén)架用三維梁?jiǎn)卧M，梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦缘挠?jì)算考慮了填板及焊縫等的影響；公路橋面板用殼單元模擬；主桁各個(gè)節(jié)點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)板、填板等的質(zhì)量用質(zhì)量單元來(lái)模擬。鐵路橋面的質(zhì)量賦予鐵路橋面系，采用增大材料的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。未考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響。全橋共有2001個(gè)節(jié)點(diǎn)和4442個(gè)單元。各部分屬性依據(jù)設(shè)計(jì)資料和規(guī)范取值(見(jiàn)圖4)。

圖4 淮河鐵路特大橋的空間有限元模型

4.2 實(shí)測(cè)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)橋自振頻率的部分實(shí)測(cè)值、計(jì)算值比較見(jiàn)表1；圖5為試驗(yàn)橋前數(shù)階振型實(shí)測(cè)（左）和計(jì)算（右）結(jié)果。分析表1和圖5可得：(1)理論計(jì)算值都小于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明實(shí)際橋梁剛度大，橋梁工作狀態(tài)良好。(2)實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值接近，說(shuō)明計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)受力基本一致，驗(yàn)證了模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性及有限元模型的合理性。(3)從圖5中可以看出，實(shí)測(cè)與理論曲線大致相符，但橫向1階和2階振型差別較大，其原因與參考點(diǎn)在該模態(tài)下相對(duì)振幅小，信噪比較小有關(guān)。(4)隨著振型階次的提高，逐漸產(chǎn)生了橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合的振型。

表1 試驗(yàn)橋固有特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

圖5（a） 1階試驗(yàn)振型和計(jì)算振型對(duì)比

圖5（b） 2階試驗(yàn)振型和計(jì)算振型對(duì)比

圖5（c） 3階試驗(yàn)振型和計(jì)算振型對(duì)比

圖5（d） 4階試驗(yàn)振型和計(jì)算振型對(duì)比

5 結(jié)論

(1)理論計(jì)算值都小于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明橋梁實(shí)際剛度大，橋梁工作狀態(tài)良好。

(2)試驗(yàn)橋的自振頻率實(shí)空間有限元計(jì)算值和測(cè)值較接近，誤差在試驗(yàn)和工程允許范圍內(nèi)；且相應(yīng)的振型出現(xiàn)先后順序和形狀吻合良好。不僅說(shuō)明了利用環(huán)境激勵(lì)下的脈動(dòng)測(cè)試法可成功進(jìn)行三跨連續(xù)鋼桁梁的模態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)也證明了建立的有限元計(jì)算模型能較好地模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力與邊界約束條件。

(3)本橋建模時(shí)，對(duì)桿件截面特性的模擬考慮了焊縫及填板等細(xì)節(jié)的影響，符合橋梁實(shí)際工作狀態(tài)。

(4)該橋的振動(dòng)以一階橫向彎曲為主，隨著振型階次的提高，逐漸產(chǎn)生了橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合的振型。