孫 超

（江蘇省昆山市公路管理處，江蘇 昆山215300）

脈動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)在橋上布置高靈敏度的傳感器，長(zhǎng)時(shí)間記錄橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下，如風(fēng)、水流、地脈動(dòng)等條件而引起的橋梁振動(dòng)，然后對(duì)記錄下來(lái)的橋梁振動(dòng)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，求出橋梁結(jié)構(gòu)自振特性的一種方法。脈動(dòng)試驗(yàn)假設(shè)環(huán)境激勵(lì)為平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)，在中低頻段，環(huán)境振動(dòng)的激勵(lì)譜比較均勻，在環(huán)境激勵(lì)的頻率與橋梁的自振頻率一致或接近時(shí)，橋梁容易吸收環(huán)境激勵(lì)的能量，使振幅增大；而在環(huán)境激勵(lì)的頻率與橋梁自振頻率相差較大時(shí)，由于相位差較大，有相當(dāng)一部分能量相互抵消，振幅較小。對(duì)環(huán)境激勵(lì)下橋梁的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行多次功率譜的平均分析，可得到橋梁的各階自振頻率，再利用各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅和相位關(guān)系，可求得橋梁各階模態(tài)的相應(yīng)振型，利用幅頻圖上各峰值處的半功率帶寬或時(shí)域上的自相關(guān)來(lái)確定各階模態(tài)的阻尼比。本文采用該種方法測(cè)量某特大橋的自振特性。

1 工程概況

試驗(yàn)橋梁全長(zhǎng)1 548m，上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為兩聯(lián)（3×40m）＋四聯(lián)（4×40m）＋兩聯(lián)（5×30m）＋三聯(lián)（4×30m）裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為柱式、肋式臺(tái)，橋墩為柱式墩、空心墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。大橋分左右兩幅，橋面橫向布置為0.5m護(hù)欄＋14.5m行車道＋0.75m護(hù)欄帶＋0.5m隔離帶＋0.75m護(hù)欄帶＋14.5m行車道＋0.5m護(hù)欄，橋梁全寬為32m。該橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，為檢驗(yàn)成橋后橋梁的承載能力能否滿足正常使用狀況的要求，對(duì)全橋展開(kāi)荷載試驗(yàn)分析，選取左幅第五聯(lián)4×40m為試驗(yàn)聯(lián)，測(cè)定該橋左幅的動(dòng)力特性。

2 傳感器布置

為測(cè)試左幅第五聯(lián)主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，共布置了24個(gè)豎向測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)的位置及編號(hào)如圖1所示。由于儀器的限制，這些測(cè)點(diǎn)不能一次測(cè)量完成，而是分為四組進(jìn)行測(cè)試。第一組測(cè)試為1#～3#測(cè)點(diǎn)，13#～15#測(cè)點(diǎn)；第二組測(cè)試為4#～6#測(cè)點(diǎn)，16#～18#測(cè)點(diǎn)；第三組測(cè)試為7#～9#測(cè)點(diǎn)，19#～21#測(cè)點(diǎn)；第四組測(cè)試為10～12#測(cè)點(diǎn)，22#～24#測(cè)點(diǎn)；規(guī)定6#測(cè)點(diǎn)為參考點(diǎn)。鑒于該橋橋墩較高，其橫向和縱向頻率較低，為測(cè)量其橫向、縱向的自振特性，在測(cè)量主梁豎向振動(dòng)的同時(shí)，在左右幅測(cè)試聯(lián)上均布置三個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)和一個(gè)縱向測(cè)點(diǎn)。

圖1 左幅第五聯(lián)（4×40m）測(cè)振傳感器布置及編號(hào)

3 實(shí)測(cè)自振特性

3.1 時(shí)域波形及功率譜圖

左幅第五聯(lián)24個(gè)豎向測(cè)點(diǎn)分四組采集數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)600s。第一組豎向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖2所示；第二組豎向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖3所示；第三組豎向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖4所示；第四組豎向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖5所示；三個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖6所示；順橋向測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形如圖7所示。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形進(jìn)行自譜分析，可得各測(cè)點(diǎn)的功率譜圖。1#～12#豎向測(cè)點(diǎn)的功率譜如圖8所示；13#～24#豎向測(cè)點(diǎn)的功率譜如圖9所示；三個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)的功率譜如圖10所示；順橋向測(cè)點(diǎn)的功率譜如圖11所示。

圖2 第一組豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

3.2 實(shí)測(cè)主梁模態(tài)參數(shù)

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用隨機(jī)子空間法（SSI）進(jìn)行模態(tài)擬合，可得到前幾階自振頻率、阻尼比和振型。左幅第五聯(lián)實(shí)測(cè)豎向一階振型為相鄰跨反向的主梁豎向半波對(duì)稱振動(dòng)，如圖12所示，實(shí)測(cè)頻率f＝2.876Hz，阻尼比η＝0.852%；實(shí)測(cè)豎向二階振型與理論計(jì)算第三階豎向振型相同（見(jiàn)圖13），實(shí)測(cè)頻率f＝4.116Hz，阻尼比η＝1.210%。左幅橋?qū)崪y(cè)橫向基頻f＝1.118Hz，阻尼比η＝1.108%，實(shí)測(cè)縱橋向基頻f＝0.605Hz，阻尼比η＝4.990%。

圖3 第二組豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

圖4 第三組豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

3.3 模態(tài)參數(shù)對(duì)比及分析

對(duì)比左幅第五聯(lián)實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型，本次試驗(yàn)測(cè)出了該聯(lián)的兩階豎向振動(dòng)。實(shí)測(cè)頻率與理論頻率的對(duì)比如表1所示。

圖5 第四組豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

圖6 橫向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

圖7 縱向測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形

圖8 1#～12#豎向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖9 13#～24#豎向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖10 橫向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖11 縱向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖12 實(shí)測(cè)一階模態(tài)（f＝2.876Hz，η＝0.852%）

圖13 實(shí)測(cè)三階模態(tài)（f＝4.116Hz，η＝1.210%）

表1 左幅第五聯(lián)理論計(jì)算與實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)

通過(guò)分析左幅第五聯(lián)實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)，可得到以下結(jié)論:

1）理論計(jì)算該聯(lián)的豎向基頻為2.512Hz，實(shí)測(cè)豎向基頻為2.876Hz；理論計(jì)算的豎向三階頻率為3.952Hz，實(shí)測(cè)值4.116Hz；實(shí)測(cè)前兩階豎向頻率與 理 論 頻 率 的 比 值 分 別 為 1.145、1.041，平 均1.093。依據(jù)《公路橋梁承載能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，可評(píng)定主梁具有較好的豎向剛度。

2）實(shí)測(cè)該聯(lián)第一階豎向振型阻尼比為0.852%、第三階豎向振型阻尼比為1.108%。兩階振型阻尼比平均值0.980。根據(jù)《公路橋梁承載能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)振型阻尼比值≤1%時(shí)，可評(píng)定預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)明顯裂縫。

4 結(jié)束語(yǔ)

脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，基于脈動(dòng)試驗(yàn)的模態(tài)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析方法，所得各階模態(tài)分階比較清晰，理論與實(shí)測(cè)模態(tài)比較接近，能更為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在工作條件下的模態(tài)參數(shù)，說(shuō)明該方法用于測(cè)試大跨度梁橋的自振特性是完全可行的，該成果也可為同類型橋梁提供參考。然而，基于環(huán)境激勵(lì)的地脈動(dòng)法最根本的特點(diǎn)是激勵(lì)的不可知與不可控，在分析過(guò)程中影響因素太多。事實(shí)上，模態(tài)參數(shù)實(shí)測(cè)值的準(zhǔn)確度只能在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理過(guò)程中通過(guò)一系列的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)誤差控制，以減少人為誤差，提高分析結(jié)果的可靠性。

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