李 猛

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640)

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋模態(tài)分析與測(cè)試

李 猛

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640)

采用大型有限元軟件midas civil 2010對(duì)東江南特大橋特征值進(jìn)行分析，取前3階豎向振動(dòng)頻率與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，并將橋梁振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法用于無(wú)損檢測(cè)中，指出采用該方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，無(wú)需封橋，值得推廣。

連續(xù)剛構(gòu)橋，模態(tài)分析，模態(tài)測(cè)試，自振頻率

0 引言

一般地，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，稱為模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性，結(jié)構(gòu)在各種激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)是其整體動(dòng)力特性的一種量度。當(dāng)構(gòu)件的物理、力學(xué)特性因損傷而發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)力特性也將發(fā)生變化，這一變化可以通過(guò)振動(dòng)測(cè)試方法量測(cè)到，因此理論上可以通過(guò)模態(tài)分析的方法識(shí)別損傷。相對(duì)一些靜態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，振動(dòng)模態(tài)分析測(cè)量簡(jiǎn)便、迅速，節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，分析和識(shí)別方法比較成熟，數(shù)據(jù)適宜遠(yuǎn)傳，一般無(wú)需封橋。近年來(lái)，隨著橋梁跨度不斷變大，橋梁的動(dòng)力問題越來(lái)越突出，因此，橋梁振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法受到廣泛關(guān)注。

1 分析原理

結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，［M］為質(zhì)量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣; {u}為節(jié)點(diǎn)位移向量;{F(t)}為節(jié)點(diǎn)荷載向量。

本文采用了能充分利用［M］和{K}的稀疏帶狀性質(zhì)的子空間迭代法來(lái)求解特征方程。

2 工程背景

東江南特大橋位于廣深沿江高速東莞段沙田鎮(zhèn)內(nèi)，主橋全長(zhǎng)548 m，跨徑為(146+256+146)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。荷載等級(jí)：公路—Ⅰ級(jí)。箱梁采用C60混凝土，半幅橋面寬19．85 m，單箱雙室斷面，其中箱底寬12．85 m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬3．5 m;箱梁根部梁體中心線梁高H根=15．5 m，跨中及端頭梁中心線梁高H中=5．20 m，箱梁梁高采用 1．6 次拋物線變化，H根/L=1/16．516，H中/L=1/49．231，箱梁的腹板厚度0號(hào)塊采用90 cm，端頭塊腹板厚度采用45 cm漸變到70 cm，中、邊跨合龍段采用45 cm，其余塊體腹板厚度從45 cm漸變到75 cm。大橋整體圖見圖1。

3 有限元模型的建立

使用midas civil 2010建立該橋的有限元模型(見圖2)，采用空間桿系結(jié)構(gòu)模型，橋墩和主梁都模擬為梁?jiǎn)卧?。結(jié)構(gòu)的離散除在墩頂受力復(fù)雜處、布置了測(cè)點(diǎn)的截面及薄壁墩外，其余都按主梁施工梁段劃分。東江南特大橋共劃分239個(gè)節(jié)點(diǎn)，208個(gè)單元，其中主梁計(jì)算單元168個(gè)，墩單元42個(gè)，主梁與墩的連接采用主從節(jié)點(diǎn)處理。

圖1 東江南特大橋整體圖

圖2 東江南特大橋有限元模型

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析，自振頻率計(jì)算結(jié)果取前三階頻率，結(jié)果見表1，前三階振型圖見圖3。

表1 東江南特大橋主梁豎向振動(dòng)測(cè)試頻率(一)

圖3 東江南特大橋前三階振型圖

4 固有頻率測(cè)試

本次測(cè)試主要測(cè)試主梁沿豎向的振動(dòng)，沿主梁縱向布設(shè)豎向拾振器，整體布置見圖4，其中測(cè)點(diǎn)布置在主梁邊跨L/2和主跨L/4，L/2，3L/4 處，共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

大跨度橋梁的振動(dòng)特性測(cè)試采用基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)試驗(yàn)方法。任何大型結(jié)構(gòu)物都存在一定的振動(dòng)環(huán)境，例如風(fēng)、水流沖擊、大地脈動(dòng)、移動(dòng)的車輛引起的振動(dòng)等，在這些自然環(huán)境的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)物都會(huì)產(chǎn)生微弱的振動(dòng)。對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)拉索橋，在強(qiáng)風(fēng)或大量汽車不斷行駛的情況下，這種環(huán)境振動(dòng)還可能是很大的。雖然我們對(duì)這些激勵(lì)特性無(wú)法精確定量，但可合理地假定這些激勵(lì)是近似的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，其頻譜是具有一定帶寬的連續(xù)譜，在帶寬內(nèi)基本覆蓋了對(duì)結(jié)構(gòu)物感興趣的頻帶，從而在結(jié)構(gòu)物的自然環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)中包含了這些模態(tài)?；诃h(huán)境激勵(lì)的模態(tài)測(cè)試技術(shù)就是僅僅通過(guò)結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)拾取結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的響應(yīng)，再進(jìn)行模態(tài)分析，從而得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。測(cè)試流程如圖5所示，測(cè)試儀器列于表2。

圖4 健康監(jiān)測(cè)固有頻率測(cè)試速度傳感器布置圖

圖5 測(cè)試流程圖

表2 測(cè)試儀器列表

本次測(cè)試由布置在主梁上的4個(gè)豎向拾振器測(cè)試出主梁豎向振動(dòng)頻率，結(jié)果見表3。本次測(cè)試共識(shí)別出3階豎向振動(dòng)頻率。本橋前三階模態(tài)測(cè)試結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 東江南特大橋一階模態(tài)測(cè)試結(jié)果圖

圖7 東江南特大橋二階模態(tài)測(cè)試結(jié)果圖

圖8 東江南特大橋三階模態(tài)測(cè)試結(jié)果圖

表3 東江南特大橋主梁豎向振動(dòng)測(cè)試頻率(二)

5 結(jié)語(yǔ)

利用大型有限元軟件midas civil 2010對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得到主梁自振頻率和振型。并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。由于理論計(jì)算所取的剛度，彈性模量等值與實(shí)際不同，理論值與實(shí)際值存在偏差，但偏差不大。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的測(cè)試，可以得知橋梁的動(dòng)力性能。且使用該方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，無(wú)需封橋，因此橋梁振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法應(yīng)受到廣泛關(guān)注。

［1］張海波，何軍擁．基于MIDAS的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋振動(dòng)特性分析［J］．廣州航海高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012(3)：34-35．

［2］李國(guó)豪．橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2002．

［3］戴詩(shī)亮．隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1984．

［4］華南理工大學(xué)城市建設(shè)研究中心．廣東省西部沿海高速公路崖門大橋施工監(jiān)控工作總結(jié)［R］．2002．

［5］吳天毅．測(cè)試技術(shù)與測(cè)試信號(hào)處理［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1991．

［6］張阿舟．實(shí)用振動(dòng)工程(3)——振動(dòng)測(cè)量與試驗(yàn)［M］．北京：航空工業(yè)出版社，1997．

On modal analysis and test of large-span continuous rigid frame bridge

LI Meng

(Civil Engineering Communications College，South China of Technology，Guangzhou 510640，China)

The paper adopts，midas civil，the large-scale finite element software，to analyze the eigenvalue of Dongjiangnan Super-large Bridge，compares the three selected 3-step vertical frequency with the factual values，adopts the testing methods of the bridge vibration model tests in the nondestructive tests，and points out the method can undertake the dynamic test on the bridge structure without sealing bridges，so it can be further extended．

continuous rigid frame bridge，modal analysis，modal test，self-vibration frequency

U448．23

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.050

1009-6825(2013)10-0146-02

2013-01-07

李 猛(1987-)，男，在讀碩士