鐘運(yùn)秋

【摘要】本文以大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋?yàn)閷?duì)象，以云南省黑沖溝特大橋?yàn)楣こ桃劳薪⒘丝s尺模型對(duì)損傷前后的頻率進(jìn)行了分析，得出了裂縫的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼都產(chǎn)生了不同程度的影響，固有頻率減小，阻尼增大；盡管裂縫出現(xiàn)前后頻域信號(hào)都出現(xiàn)了比較穩(wěn)定的低階頻率點(diǎn)，但是，損傷后的頻域信號(hào)高階處頻率變化無(wú)常，頻響函數(shù)明顯斷開且斷開后振幅明顯上升，這應(yīng)該與裂縫的產(chǎn)生有關(guān)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋；縮尺模型損傷；頻率；對(duì)比分析

1引言

目前，橋梁健康監(jiān)測(cè)越來(lái)越引起專家和工程師們的關(guān)注和重視。其基本內(nèi)容是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的監(jiān)控和評(píng)估，為結(jié)構(gòu)在交通條件下、特殊氣候或者營(yíng)運(yùn)過程中出現(xiàn)異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁保養(yǎng)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括傳感器系統(tǒng)，信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，通信系統(tǒng)以及監(jiān)控中心。信號(hào)的采集和處理系統(tǒng)是健康監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，也可以稱作橋梁損傷前后特征信號(hào)的提取過程，是準(zhǔn)確判斷橋梁有無(wú)損傷的關(guān)鍵（文中所提損傷專指局部裂縫損傷）。

眾所周知，裂縫的產(chǎn)生使結(jié)構(gòu)鋼度減小、阻尼增大，而在結(jié)構(gòu)質(zhì)量不變的情況下結(jié)構(gòu)的鋼度與結(jié)構(gòu)固有頻率的二次方成正比，即 ，也就是說裂縫使結(jié)構(gòu)的固有頻率（低階次）減小。但是，低階頻率對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的整體，而結(jié)構(gòu)本身的損壞一般發(fā)生在局部，這是一個(gè)比較矛盾的現(xiàn)象。所以，損傷前后高階次頻率的研究就顯得尤為必要。

2原橋及縮尺模型概況

本文源于云南省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目：《基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為模式識(shí)別的大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋梁在線監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)研究》，對(duì)黑沖溝大橋左幅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室縮尺對(duì)比，以下是原橋概況及縮尺后模型概況。

黑沖溝大橋是云南蒙自至新街高速公路上一座大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋，主橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)，主跨180m，兩邊邊跨98m。主梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板寬度為12.5米，底部寬度6.5米；主梁材料使用C50混凝土。圖1為黑沖溝大橋（左幅）立面圖，圖2為縮尺模型實(shí)驗(yàn)室模型。

圖1 黑沖溝特大橋（左幅）立面圖

圖2黑沖溝特大橋縮尺模型（左幅）實(shí)驗(yàn)室模型

根據(jù)相似比原理，相似常數(shù)的定義為：

相似常數(shù)=模型物理量/原型物理量

由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，在設(shè)計(jì)黑沖溝大橋動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)縮尺模型相似常數(shù)時(shí)，先確定模型材料的彈性模量和加速度2個(gè)物理量的相似常數(shù)均為1。確定模型長(zhǎng)度相似常數(shù)為1/20，其余物理量的相似常數(shù)均根據(jù)上述3個(gè)已知相似常數(shù)和相似條件計(jì)算得出。

本次試驗(yàn)在縮尺模型跨中設(shè)置縱向測(cè)點(diǎn)（即為10號(hào)點(diǎn)），采用靈敏度4.95的ICP加速度傳感器，并借用汽車采集系統(tǒng)LMS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，損傷前后采樣頻率都設(shè)置為8192Hz，并盡量保持每次測(cè)量環(huán)境條件小車質(zhì)量的一致性。圖3為L(zhǎng)MS軟件數(shù)據(jù)正在采集數(shù)據(jù)。此外，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)縮尺模型進(jìn)行跨中集中力加載，整個(gè)過程模擬靜力加載過程，使其跨中成功出現(xiàn)長(zhǎng)141mm、寬0.1mm的橫向裂縫。圖4為裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)裂縫寬度。

以下是損傷前后測(cè)點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)，從信號(hào)圖中可以清楚地看到，采集過程總共分三個(gè)階段（圖5、6所示）：小車不動(dòng)時(shí)的噪音信號(hào)、小車在橋上跑的受迫振動(dòng)信號(hào)以及小車停止后模型的自振信號(hào)。我們主要對(duì)小車在橋上移動(dòng)時(shí)的受迫振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較。損傷前后，相同條件下，0.45KG的小車經(jīng)過16s跑完整個(gè)橋面。把16s以0.5s為一個(gè)單元分成32份，并對(duì)每份用快速傅里葉（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)（即為頻響函數(shù)，圖7至10所示）。

由圖8和圖10 頻域信號(hào)疊加對(duì)比可以看出，損傷前后都有比較穩(wěn)定的頻率點(diǎn)，這是結(jié)構(gòu)固有的特性。以下經(jīng)過三種比對(duì)：（一）頻響函數(shù)的面積；（二）頻響函數(shù)所圍面積的一半對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；（三）32個(gè)單元中高階頻率群對(duì)應(yīng)幅值的變化規(guī)律。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，損傷后頻響函數(shù)面積減小，約占損傷前的十分之一，說明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后阻尼增大；頻響函數(shù)所謂面積一半對(duì)應(yīng)的頻率減小，即結(jié)構(gòu)鋼度減小；此外高階頻率群對(duì)應(yīng)的幅值隨著小車的移動(dòng)而變化，且在損傷位置達(dá)到最大（第10個(gè)單元處）。

3 結(jié)論與展望

本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)現(xiàn)有低階理論的驗(yàn)證以及高階理論的探索，通過實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1）裂縫的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼都產(chǎn)生了不同程度的影響，固有頻率減小，阻尼增大；

2）盡管裂縫出現(xiàn)前后頻域信號(hào)都出現(xiàn)了比較穩(wěn)定的低階頻率點(diǎn)，但是，損傷后的頻域信號(hào)高階處頻率變化無(wú)常，頻響函數(shù)明顯斷開且斷開后振幅明顯上升，這應(yīng)該與裂縫的產(chǎn)生有關(guān)，與裂縫面之間復(fù)雜的摩擦有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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