基于監(jiān)測的跨海索橋動(dòng)態(tài)特性受環(huán)境影響分析

苗祥泰，孫宗光，趙洪偉

(大連海事大學(xué)道路與橋梁研究所，遼寧 大連 116023)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性代表了結(jié)構(gòu)的固有特性，是宏觀評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度、運(yùn)營性能和健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。由于環(huán)境與運(yùn)營條件的變化，橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性具有一定的時(shí)變特征，當(dāng)基于動(dòng)態(tài)特性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，必須要了解、掌握甚至量化這種變異特征，以便將動(dòng)力特性的正常變化與結(jié)構(gòu)損傷等導(dǎo)致的異常變化區(qū)分開來。隨著橋梁長期監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境因素影響下動(dòng)態(tài)特性的變異性引起學(xué)者的關(guān)注。Peerters等[1]對(duì)一小型混凝土箱梁橋在人工損傷試驗(yàn)之前進(jìn)行了監(jiān)測，通過將新的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型比較，得到除溫度之外結(jié)構(gòu)損傷也導(dǎo)致固有頻率的變化。張啟偉等[2]基于徐浦大橋連續(xù)24 h的環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了斜拉橋在正常運(yùn)營條件下動(dòng)力特性的變化。付光來[3]以新沂河大橋第九聯(lián)連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，論述了溫度、車輛荷載等環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率影響的機(jī)理。對(duì)于大跨度橋梁臺(tái)風(fēng)會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[4]，F(xiàn)ujino等[5]就風(fēng)速對(duì)Hakucho懸索橋基本模態(tài)特性的影響進(jìn)行研究，表明第一階豎向彎曲模態(tài)的固有頻率隨著風(fēng)速的增加而明顯降低。對(duì)大跨度矮塔斜拉橋的研究[6]表明，溫度主要通過改變混凝土材料的彈性模量從而對(duì)橋梁的動(dòng)力特性產(chǎn)生影響。車輛和溫度對(duì)橋梁的動(dòng)力特性影響研究[7]表明，溫度和車輛以及其它因素都對(duì)橋梁動(dòng)力特性產(chǎn)生影響。海洋環(huán)境呈現(xiàn)一定的特殊性，選擇三座特殊類型的跨海索橋，分別為稀索斜拉橋、獨(dú)柱式三塔斜拉橋、獨(dú)柱式單塔自錨懸索橋，基于實(shí)際運(yùn)營條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)全年不同季節(jié)的溫度影響和強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下振動(dòng)頻率的變異性進(jìn)行了分析。

1 溫度對(duì)頻率的影響

1.1 溫度對(duì)模態(tài)頻率的影響機(jī)理分析

環(huán)境溫度是長期影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一個(gè)主要環(huán)境因素。胡濤[8]研究了環(huán)境溫度對(duì)上承式鋼管混凝土拱橋自振特性的影響，指出環(huán)境溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的影響是由材料的溫變特性、結(jié)構(gòu)幾何尺寸的溫變特性、結(jié)構(gòu)初始溫度內(nèi)力、支座剛度的溫變特性、結(jié)構(gòu)邊界類型的溫變特性共同作用的結(jié)果。

Xia，Y[9]等所做研究表明，在橋梁的邊界條件、約束不發(fā)生變化的前提下，幾何尺寸的改變對(duì)模態(tài)頻率的影響與彈性模量改變帶來的變化相比非常小。假設(shè)彈性模量隨溫度的變化為[10]

E1=E0+β(T1-T0)=E0+βθ

(1)

式中：θ=T1-T0=ΔT；β為彈性模量隨單位溫度的變化幅度。在環(huán)境溫度作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹和收縮效應(yīng)

L1=L0(1+αθ)

(2)

在θ≤100 ℃，對(duì)于混凝土材料可取β=-4.5×10-3E0，而對(duì)于鋼材取β=-1.8×10-4E0。同時(shí)取混凝土材料的α=1.0×10-5，鋼材的α=1.1×10-5。

文獻(xiàn)[11]以簡支梁為例，分析了頻率隨著溫度變化規(guī)律。對(duì)于給定的某階頻率，ω和θ具有近似直線關(guān)系，可以采用線性回歸分析。

1.2 膠州灣全年溫度的統(tǒng)計(jì)特征

這里有關(guān)溫度對(duì)跨海索橋模態(tài)頻率的影響，將基于膠州灣跨海大橋的兩座索橋加以討論。圖1(a)所示為連續(xù)一年的膠州灣跨海大橋橋面氣溫時(shí)程記錄，其概率分布如圖1(b)所示。

圖1 橋址年氣溫監(jiān)測值

f(x)=γf1(x)+(1-γ)f2(x)

(3)

(4)

(5)

采用上述概率密度模型，對(duì)溫度的概率分布進(jìn)行擬合，并且采用顯著性水平。

α=0.1的皮爾遜-檢驗(yàn)，得到的擬合參數(shù)如表1所列。呈現(xiàn)了海洋環(huán)境下總體溫差較小，溫度變化和緩的特征。

表1 四年氣溫概率密度擬合參數(shù)

1.3 稀索斜拉橋

橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的變異性主要與環(huán)境條件和交通荷載的變化有關(guān)，其中溫度是影響橋梁動(dòng)態(tài)特性的最重要因素，尤其是對(duì)于中、小跨徑橋梁。溫度變化可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的邊界條件和材料屬性。根據(jù)實(shí)際測量的結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，通常情況下隨著溫度的升高，橋梁的固有頻率會(huì)隨之下降。

圖2 滄口斜拉橋同一傳感器不同季節(jié)加速度頻譜的比較

通常情況下，隨著橋梁跨度的增大，頻率對(duì)溫度的敏感性會(huì)降低。膠州灣跨海大橋滄口斜拉橋?yàn)橐蛔撓淞合∷餍崩瓨颉Ｖ髁嚎缰胸Q向加速度在不同季節(jié)的FFT譜比較如圖2所示。可見，和低溫時(shí)段相比，高溫時(shí)段的加速度譜明顯向低頻方向移動(dòng)，其中部分頻段較為顯著。

基于該加速度傳感器在年周期內(nèi)進(jìn)行若干次頻率識(shí)別，圖3所示為識(shí)別的幾個(gè)頻率與氣溫之間的關(guān)系。不同頻率對(duì)溫度的敏感性是不同的，頻率的年變化范圍在3%～5%以內(nèi)。

圖3 滄口斜拉橋的幾個(gè)頻率與氣溫的關(guān)系

表2 滄口斜拉橋監(jiān)測系統(tǒng)識(shí)別的自振頻率與溫度關(guān)系

1.4 單塔自錨懸索橋

膠州灣跨海大橋大沽河橋?yàn)楠?dú)柱式單塔自錨式懸索橋。圖4為主梁跨中豎向加速度在不同季節(jié)的FFT譜比較，圖5所示為識(shí)別的幾個(gè)頻率與氣溫之間的關(guān)系。

圖4 大沽河懸索橋同一傳感器不同季節(jié)加速度頻譜的比較

圖5 大沽河懸索橋幾個(gè)頻率與氣溫的關(guān)系

表3 大沽河橋監(jiān)測系統(tǒng)識(shí)別的自振頻率與溫度關(guān)系

溫度對(duì)低階頻率影響較小，頻率對(duì)溫度的敏感性隨著頻率階次的升高而增大，并呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)。

2 強(qiáng)風(fēng)對(duì)頻率的影響

香港汀九橋?yàn)槿目鐔螌訕蛎婵绾Ｐ崩瓨?，跨徑布置?27 m+448 m+475 m+127 m。由模態(tài)分析和試驗(yàn)測試得到的前4個(gè)豎向彎曲模態(tài)頻率如表4所列[11]。在臺(tái)風(fēng)York(1999年9月16日)影響下，橋址最大風(fēng)速接近40 m/s。由監(jiān)測系統(tǒng)記錄的橋面水平風(fēng)速15 min平均值如圖6所示。采用橋面一點(diǎn)豎向加速度數(shù)據(jù)分析，0∶ 00、9∶ 00、13∶ 00的加速度頻譜如圖7所示。從中可見，上述兩階豎彎模態(tài)頻率在三個(gè)時(shí)段存在顯著差異。從三個(gè)時(shí)段的風(fēng)速和溫度影響綜合相關(guān)分析，可以看出這種差異主要來自風(fēng)速。

表4 汀九橋前4階豎向彎曲模態(tài)頻率

圖6 臺(tái)風(fēng)“York”15 min平均風(fēng)速

圖7 臺(tái)風(fēng)期間不同時(shí)段的加速度譜

圖8 臺(tái)風(fēng)期間頻率與風(fēng)速的關(guān)系

為考察臺(tái)風(fēng)期間汀九橋頻率受風(fēng)速的影響情況，對(duì)多個(gè)時(shí)段的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，上述第1和第4兩階頻率與對(duì)應(yīng)時(shí)段的平均風(fēng)速之間的關(guān)系如圖8所示。可見，平均風(fēng)速和頻率之間的關(guān)系存在較大的離散性，但是隨著平均風(fēng)速的增大，頻率總體上呈下降趨勢。就本例分析而言，當(dāng)平均風(fēng)速從10 m/s增大到35 m/s時(shí)，第1階豎彎模態(tài)頻率平均下降約6%，第4階平均下降約4%。

3 結(jié) 論

溫度對(duì)低階頻率影響較小，頻率對(duì)溫度的敏感性隨著頻率階次的升高而增大，并呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)。平均風(fēng)速和頻率之間的關(guān)系存在較大的離散性， 但是隨著平均風(fēng)速的增大， 頻率總體上呈下降趨勢。就斜拉橋?qū)嵗治霰砻鳎?dāng)平均風(fēng)速從10 m/s增大到35 m/s時(shí)，第1階豎彎模態(tài)頻率平均下降約6%，第4階平均下降約4%。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是宏觀評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度、運(yùn)營性能和健康狀態(tài)的重要“指紋”。這一變異性是運(yùn)營中橋梁的正常行為，在基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力指紋分析評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)必須給予充分考慮。