葛繼平 王志強(qiáng) 王紅偉

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院1） 上海 200235）

（同濟(jì)大橋橋梁工程系2） 上海 200092） （上海師范大學(xué)建工學(xué)院3） 上海 201418）

0 引 言

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程中，需要確定各級(jí)地震波激勵(lì)后，試件損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)頻率變化，從而確定結(jié)構(gòu)的剛度變化情況．這樣的方法有：白噪聲輸入方法和自由振動(dòng)方法．其中白噪聲輸入是指根據(jù)試件的動(dòng)力特性輸入指定峰值加速度的白噪聲；自由振動(dòng)方法是指對(duì)試件施加一指定拉力的水平荷載，然后突然釋放或者輸入矩形波后突然停止的方式．這2種方法中的峰值加速度大小或拉力大小都是根據(jù)既能夠達(dá)到有效識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，又不會(huì)引起試件損傷的原則確定的．M．M．Hachem對(duì)橋墩進(jìn)行了雙向荷載作用下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)采用了白噪聲輸入和施加拉力突然釋放的自由振動(dòng)方式［1］．K．J．Elwood對(duì)建筑框架在地震激勵(lì)過程中的重力倒塌進(jìn)行了研究時(shí)，采用施加拉力突然釋放的自由振動(dòng)方法［2］．N．S．Johnson在對(duì)大比例尺2跨連續(xù)梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)過程中，采用白噪聲輸入（白噪聲峰值加速度為0．1 g）和輸入矩形波后突然停止的自由振動(dòng)方式［3］．國內(nèi)的研究者在研究時(shí)，大都采用0．05 g白噪聲輸入的方式進(jìn)行動(dòng)力損傷的識(shí)別［4］．目前為止，已有的方法都是采用外加激勵(lì)的方式確定結(jié)構(gòu)的頻率，這些為了測(cè)量結(jié)構(gòu)頻率的激勵(lì)增加了試驗(yàn)的工作量，而且測(cè)量的可靠性也值得商榷．主要原因是在相同的激勵(lì)方式下，不同損傷程度的同一試件，不一定能夠激勵(lì)起結(jié)構(gòu)的最大損傷狀態(tài)，具有一定的局限性．

本文根據(jù)一組橋墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用時(shí)域中的隨機(jī)子空間方法直接根據(jù)該級(jí)加速度響應(yīng)來確定試件的頻率，從而判斷同級(jí)激勵(lì)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)．

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

為初步探討節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含5種不同類型混凝土橋墩的試驗(yàn)方案，其中節(jié)段拼裝橋墩有3種，其余2種分別為普通鋼筋混凝土橋墩和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩．對(duì)該方案采用擬靜力和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)2種試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究．這樣該方案包括2組共10個(gè)試件，其中第一組5個(gè)試件為擬靜力試件、第二組5個(gè)試件為振動(dòng)臺(tái)試件．每組試件試驗(yàn)參數(shù)相同，為：是否存在預(yù)應(yīng)力鋼筋、不同施工方法、預(yù)應(yīng)力筋的布置位置和存在方式、附加耗能裝置．柱身的尺寸為240mm×180mm，墩柱高度1 800mm，沿長(zhǎng)邊（邊長(zhǎng)240mm）加載，試件的剪跨比為7．5．混凝土立方體強(qiáng)度為43．2MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度為41．5MPa，彈性模量為3．03×104MPa．縱筋直徑為10mm，屈服強(qiáng)度為340MPa．箍筋直徑為6mm，屈服強(qiáng)度為470MPa．墩底箍筋加密區(qū)高度為250mm，箍筋間距為50mm，其余位置箍筋間距為80mm．對(duì)于節(jié)段拼裝橋墩，墩底的節(jié)段內(nèi)箍筋間距為50mm，其余墩身箍筋的間距為80mm．耗能鋼筋直徑為10mm，無粘結(jié)區(qū)域的長(zhǎng)度為500mm，屈服強(qiáng)度為350MPa．預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Φj12．7的鋼絞線，單根預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力大小為65kN，預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的軸壓比為11．2%．試件的恒載軸壓比為10%．試件的詳細(xì)尺寸和配筋情況見文獻(xiàn)［4］．試件編號(hào)和主要特征見表1．圖1為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載裝置全貌．

表1 試件編號(hào)和主要特征

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載裝置全貌

2 試驗(yàn)識(shí)別結(jié)果

2.1 白噪聲輸入

本次試驗(yàn)采用白噪聲掃描的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初始動(dòng)力特性測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要是為了了解地震輸入加速度幅值逐步增大的結(jié)構(gòu)頻率發(fā)展情況．每個(gè)工況測(cè)得振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度時(shí)程和模型結(jié)構(gòu)各加速度測(cè)點(diǎn)時(shí)程數(shù)據(jù)，然后利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，獲得各測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度時(shí)程在各離散頻率點(diǎn)處的頻響函數(shù)（為復(fù)數(shù)形式），接著利用頻響函數(shù)虛部的圖形就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別，采用半功率法可以估計(jì)振型阻尼比．表2列出了各個(gè)試件在彈性狀態(tài)下的動(dòng)力特性識(shí)別結(jié)果．

表2 各個(gè)試件自振頻率和阻尼比試驗(yàn)識(shí)別值

2.2 隨機(jī)子空間識(shí)別

對(duì)每個(gè)地震波的響應(yīng)采用隨機(jī)子空間方法進(jìn)行了動(dòng)力特性識(shí)別［5－8］，得到了結(jié)構(gòu)的第一階頻率和第二階頻率隨各級(jí)輸入的加速度峰值之間的關(guān)系，如圖2所示．可以看出各個(gè)試件隨著地震波輸入最大峰值加速度的增大，總體上各階頻率處于下降的趨勢(shì)，說明截面剛度逐漸削弱．

3 簡(jiǎn)化分析計(jì)算結(jié)果

對(duì)沿墩身高度分布的各加速度通道測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行頻率識(shí)別，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的各階頻率及其對(duì)應(yīng)的各階模態(tài)阻尼比．將各階頻率所對(duì)應(yīng)的沿墩身高度分布的頻響函數(shù)虛部進(jìn)行歸一化處理，即是各階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的振型．圖3是理想化的期望振形圖，圖4給出了試驗(yàn)測(cè)得的第一階和第二階振型．

此外，本文采用3種簡(jiǎn)化程度不同的模型來計(jì)算結(jié)構(gòu)的頻率．模型一：僅具有質(zhì)心平動(dòng)自由度的理想單自由度模型，忽略質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量以及其他因素的影響．模型二：包含質(zhì)心平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度的模型，考慮質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量．模型三：在模型二的基礎(chǔ)上考慮橋墩在質(zhì)量塊中的部分為剛臂．3種不同簡(jiǎn)化程度的模型如圖5所示．

對(duì)于模型一，頻率計(jì)算公式如下：

圖2 各個(gè)試件的頻率與加載加速度峰值之間的關(guān)系

圖3 理想化的期望振形圖

圖4 實(shí)測(cè)振型圖

圖5 簡(jiǎn)化程度不同的分析模型

對(duì)于模型二，質(zhì)量矩陣和剛度矩陣如下：

對(duì)于模型三，質(zhì)量矩陣同模型二，剛度矩陣如下：

計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)周期與剛度的變化情況如圖6所示，可以看出模型一計(jì)算得到的第一階周期小于模型二和模型三．而且考慮質(zhì)量塊對(duì)墩身的剛度的影響后，計(jì)算的第二階周期會(huì)變小．與模型二相比，考慮墩嵌固于質(zhì)量塊中部分的鋼臂效應(yīng)后，第一階周期周期大概小10%，第二階周期大概小66%．

圖6 第一階周期和第二階周期與有效剛度之間的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程中試件動(dòng)力特性（包括頻率，振形，阻尼比）的合理確定方法進(jìn)行了初步研究，特別是提出了只根據(jù)地震響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行試件損傷識(shí)別的思路．分析結(jié)果表明，僅根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試件響應(yīng)數(shù)據(jù)采用時(shí)域隨機(jī)子空間方法進(jìn)行試件的動(dòng)力損傷識(shí)別是可行的．通過試驗(yàn)過程中測(cè)得的頻率衰減可以判斷橋墩的損傷狀態(tài)．

［1］HACHEM M M，MAHIN S A，MOEHLE J P．Performance of circular reinforced concrete bridge columns under Bidirectional earthquake loading［R］．Berkeley：Pacific Earthquake Engineering Research Center，University of California，2003．

［2］ELWOOD K J，MOEHLE J P．Shake table tests and analytical studies on the gravity load collapse of reinforced concrete frames［R］．Berkeley：Pacific Earthquake Engineering Research Center，University of California，2003．

［3］JOHNSON N S，SAIIDI M，SANDERS D H．Large－scale experimental and analytical seismic studies of a two－span reinforced concrete bridge system［R］．Nevada：Center for Civil Engineering Earthquake Research Department of Civil and Environmental Engineering，University of Nevada，Reno，2006．

［4］葛繼平．節(jié)段拼裝橋墩抗震性能試驗(yàn)研究與理論分析［D］．上海：同濟(jì)大學(xué)，2008．

［5］沃徳海倫．模態(tài)分析理論與試驗(yàn)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2001．

［6］REN Weixin，GUIDO de Roeck．Structural damage identification using modal data．I：Simulation Verification［J］．Journal of Structural Engineering，2002，128（1）：87－95．

［7］REN Weixin，ZONG Zhouhong．Output－only modal parameter identification of civil engineering structures［J］．Structural Engineering and Mechanics，2004，17（3）：325－332．

［8］De Roeck G，PEETERS B．MACEC2．0－Modal analysis on civil engineering constructions［CP］．Department of Civil Engineering，Catholic University of Leuven，Belgium，1999．