東水門長江大橋動力特性監(jiān)測系統(tǒng)研究

向 波，周 逸，陳縣偉

(1.重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶 400000；2.重慶市橋梁健康監(jiān)測企業(yè)工程技術研究中心，重慶 400000)

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東水門長江大橋動力特性監(jiān)測系統(tǒng)研究

向 波1，2，周 逸1，2，陳縣偉1，2

(1.重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶 400000；2.重慶市橋梁健康監(jiān)測企業(yè)工程技術研究中心，重慶 400000)

重慶東水門長江大橋為公軌兩用單索面斜拉橋橋，輕軌、車輛和橋耦合振動的機理十分復雜。文章以重慶東水門長江大橋為研究對象，提出了一種基于自然激勵(自然風，自然行車)的動力特性監(jiān)測系統(tǒng)，并通過對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析和自頻譜分析，得出該動力特性監(jiān)測系統(tǒng)在自然激勵下測得的數(shù)據(jù)真實、穩(wěn)定、可靠，具有廣泛的適用性與較大的經(jīng)濟效益。

斜拉橋；動力特性；自然激勵；監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

任何結(jié)構(gòu)都可以看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼等結(jié)構(gòu)特性參數(shù)組成的動力系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷或其他異常，其動力特性(振型、頻率、阻尼等)也將隨之發(fā)生改變。如橋梁自振頻率的降低、橋梁局部振型的改變可能預示著結(jié)構(gòu)剛度

的降低或局部損壞，因此橋梁的動力特性特征可作為結(jié)構(gòu)損傷評估的重要依據(jù)。在工程實踐中，往往通過監(jiān)測橋梁固有頻率來獲取其動力特性。為了獲取橋梁的固有頻率，振動(動力特性)監(jiān)測系統(tǒng)還需要一些激勵，如強迫振動法、自由振動法，但這兩種方法均需要阻斷交通，對國民經(jīng)濟造成一定損失。對于交通壓力較大的橋梁，建議利用自然激勵，在不阻礙交通的情況下對橋梁的動力特性進行監(jiān)測。本文以重慶兩江橋之一的東水門長江大橋為研究對象，在大橋主梁和主塔的主要截面布置拾振器，研發(fā)了一種利用自然激勵(自然風，自然行車)的橋梁長期動力特性監(jiān)測系統(tǒng)，在不中斷交通的情況下，獲取大橋動力特性參數(shù)。

1 大橋概況

重慶東水門長江大橋跨越長江，為雙塔單索面斜拉橋，雙層鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為222.5 m+445 m+190.5 m，總長858 m，大橋雙塔高度分別為172.6 m和162.5 m，是連接渝中區(qū)和南岸區(qū)交通樞紐。

東水門長江大橋結(jié)構(gòu)體系較為復雜，屬近年來出現(xiàn)的新式橋型。東水門長江大橋為公軌兩用橋，輕軌、車輛和橋耦合振動的機理十分復雜。因此十分有必要針對東水門大橋的特點，建立動力特性監(jiān)測系統(tǒng)，對于隨時掌握結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)安全隱患、避免重大人員傷亡與財產(chǎn)損失，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

圖1 重慶東水門長江大橋平面圖

2 動力特性監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測布置

2.1 東水門大橋模型分析

根據(jù)東水門長江大橋結(jié)構(gòu)特點，建立分析模型，得出分析結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 東水門大橋理論振動頻率表

(a)主梁一階豎彎(0.374 Hz)

(b)主梁二階豎彎(0.524 Hz)

(c)主梁一階橫彎(0.326Hz)

(d)主梁二階橫彎(0.736 Hz)

圖2 東水門大橋理論振型圖

根據(jù)資料顯示大跨度斜拉橋的一階振動固有頻率約在0.2～0.5 Hz之間[1-3]?？梢哉J為東水門大橋的模型分析結(jié)果可靠。

2.2 系統(tǒng)測點布置

根據(jù)東水門大橋動力特性計算結(jié)果，設計傳感器布點。東水門長江大橋動力特性監(jiān)測系統(tǒng)主梁有10監(jiān)測截面，主塔有4個監(jiān)測截面。傳感器的布置如圖3所示。

圖3 東水門大橋振動測點布置示意圖

2.3 監(jiān)測儀器的選擇

根據(jù)東水門長江大橋動力特性分析可知，系統(tǒng)所選的傳感器和信號采集儀必須滿足大橋超低頻振動特性要求。

目前工程常用的振動傳感器類型較多，采用的原理也各不相同。常用的加速度傳感器原理有：壓電式、電容式、壓阻式。通過從低頻測量要求、經(jīng)濟實用、傳感器壽命等方面綜合考慮，選定一種電容式加速度傳感器，該型傳感器有較好的低頻特性，傳感器壽命長，長期數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。在正常運營情況下，該傳感器在菜園壩長江大橋連續(xù)正常運行了7年，數(shù)據(jù)準確、可靠。

除傳感器需要適合超低頻測量，具有高可靠性外，采集設備的精度也必須與傳感器匹配。本系統(tǒng)采用24位AD精度的采集儀。采集儀采用以太網(wǎng)接口，一臺計算機可以通過局域網(wǎng)控制多臺采集儀。配以GPS授時同步，即可滿足系統(tǒng)模態(tài)分析對采集儀高同步性的要求。

2.4 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

東水門長江大橋全長225 m+445 m+190.5 m，共31個振動測點，需要兩臺采集儀才能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求。為了減少線路的阻抗和數(shù)據(jù)傳輸延時，要盡量縮短單只傳感器到采集儀的距離，因此在P1塔和P2塔分別布置一臺采集儀，兩臺采集儀之間通過GPS授時同步。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 動力特性參數(shù)計算原理

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過離散化處理后，一個結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性可由N階矩陣微分方程描述：

(1)

設系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，對方程(1)兩邊進行拉普拉斯變換，可以得到以復數(shù)s為變量的矩陣代數(shù)方程：

[Μs2+Cs+K]X(s)=F(s)

(2)

利用最小二乘法估計出矩陣Μ、K、C。經(jīng)過計算便可得到其頻響函數(shù)矩陣和阻抗矩陣：

Η(s)=[Μs2+Cs+K]-1

(3)

Z(ω)=(K-ω2M)+jωC

(4)

并最終得出：

(5)

3.2 數(shù)據(jù)分析

對結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，在設計中已用有限元法計算。如果施工良好，計算值和實測值可以相當接近。

東水門長江大橋通車運營后，利用橋面行駛車輛引起的振動和自然風振作為激勵響應源，測試大橋的固有頻率。在不中斷交通的情況下，僅依靠自然行車和自然風振作為激勵源，通過動力特性監(jiān)測系統(tǒng)采集一段時間的大橋振動數(shù)據(jù)，并依據(jù)動力特性參數(shù)計算原理，計算分析大橋動力特性參數(shù)，將動力特性參數(shù)匹配建好的模型，即得到大橋的振型。

表2為東水門大橋動力特性監(jiān)測系統(tǒng)測出的動力特性參數(shù)，圖5為表2動力特性參數(shù)對應的各階振型示意圖。

表2 東水門大橋?qū)崪y動力特性參數(shù)表

(a)主梁一階豎彎(頻率：0.4 Hz；阻尼比：0.57%)

(b)主梁二階豎彎(頻率：0.68 Hz；阻尼比：1.744%)

(c)主梁一階橫彎(頻率：0.33 Hz；阻尼比：1.092%)

(d)主梁二階橫彎(頻率：0.85 Hz；阻尼比：0.78%)

為了判斷數(shù)據(jù)的可靠性，作者對大橋振動數(shù)據(jù)做自頻譜分析，利用自頻譜分析得到的各階頻率值校驗動力特性系統(tǒng)的計算結(jié)果。

圖6為東水門大橋豎向和橫向振動原始數(shù)據(jù)及其對應自頻譜分析結(jié)果示意圖。

(a)豎向振動數(shù)據(jù)自頻譜分析

(b)橫向振動數(shù)據(jù)自頻譜分析

由圖6可知，東水門大橋豎向振動一階振動頻率為0.4Hz，二階振動頻率為0.68Hz，橫向一階振動頻率為0.33Hz，二階振動頻率為0.85Hz。

經(jīng)過對比可知，經(jīng)過動力特性監(jiān)測系統(tǒng)分析得出的動力特性參數(shù)與自頻譜分析結(jié)果一致，動力特性監(jiān)測系統(tǒng)分析出的振型與理論振型一致。通過以上對比可以確定，在不中斷大橋運營的情況下，僅利用自然行車和風振作為激勵源，本文研究的動力特性監(jiān)測系統(tǒng)正確地獲取到了東水門長江大橋的動力特性參數(shù)。

4 結(jié)語

(1)東水門大橋?qū)崪y豎向一階振動頻率為0.4Hz，豎向二階振動頻率為0.68Hz，橫向一階振動頻率為0.33Hz，橫向二階振動頻率為0.85Hz，其各階實測振動頻率均大于理論頻率，阻尼比在0.57%～1.63%之間。

(2)東水門大橋動力特性監(jiān)測系統(tǒng)獲取的動力特性參數(shù)與理論計算和自頻譜分析結(jié)果一致，該系統(tǒng)能夠正確、可靠地獲取大橋動力特性參數(shù)。

(3)在不中斷大橋運營的情況下，本系統(tǒng)僅利用自然行車和自然風振便可實時、正確、可靠地獲取大橋動力特性參數(shù)，為大橋運營保駕護航，極具經(jīng)濟價值。

(4)該系統(tǒng)為大橋成橋后動力特性參數(shù)變化情況積累了大量數(shù)據(jù)，并通過實測數(shù)據(jù)分析，驗證了該系統(tǒng)的準確性和可靠性。

[1]嚴普強，橋陶鵬.工程中的低頻振動測量與其傳感器[J].振動、測試與診斷，2002，22(4)：247-253.

[2]袁萬城，崔 飛，張啟偉.橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟大學學報，1994(4)：184-188.

[3]楊學智，嚴普強，張 鍛.DP傳感器研究及橋梁自振特性測試[J].振動、測試與診斷，1997，17(2)：51-56.

[4]劉習軍，賈啟芬，張文德，等.工程振動與測試技術[M].天津：天津大學出版社，1999.

Research on Dynamic Characteristics Monitoring System of Dongshuimen Yangtze River Bridge

XIANG Bo1，2，ZHOU Yi1，2，CHEN Xian-wei1，2

(1.Chongqing Yapai Bridge Engineering Quality Inspection Co.，Ltd.，Chongqing，400000；2.Chongqing Bridge Health Monitoring Enterprise Engineering Technology Research Center，Chongqing，400000)

Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge is the cable-stayed bridge with single cable plane and used both for highway and railway，the coupled vibration mechanism of light rail，vehicles and bridge is very complex.Taking Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge as the research object，this article presented a dynamic characteristics monitoring system based on natural excitation(natural wind，natural traffic)，and through the modal analysis and self-spectrum analysis on the data collected by this system，it obtained that the data measured by this dynamic characteristics monitoring system under the natural excitation is true，stable，and reliable，thereby it has broad applicability and greater econom-ic benefits.

Cable-stayed bridge；Dynamic characteristics；Natural excitation；Monitoring system

向 波(1988—)，工程師，研究方向：工程技術，結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術；

周 逸(1982—)，工程師，研究方向：交通智能控制；

科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目(13C26 2151150810)

U446；TP212

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.010

1673-4874(2015)11-0046-05

2015-10-09

陳縣偉(1982—)，工程師，研究方向：機電一體化。