孫 超

（江蘇省昆山市公路管理處，江蘇 昆山215300）

脈動試驗是通過在橋上布置高靈敏度的傳感器，長時間記錄橋梁結構在環(huán)境激勵下，如風、水流、地脈動等條件而引起的橋梁振動，然后對記錄下來的橋梁振動時程信號進行處理，并進行時域和頻域分析，求出橋梁結構自振特性的一種方法。脈動試驗假設環(huán)境激勵為平穩(wěn)的各態(tài)歷經，在中低頻段，環(huán)境振動的激勵譜比較均勻，在環(huán)境激勵的頻率與橋梁的自振頻率一致或接近時，橋梁容易吸收環(huán)境激勵的能量，使振幅增大；而在環(huán)境激勵的頻率與橋梁自振頻率相差較大時，由于相位差較大，有相當一部分能量相互抵消，振幅較小。對環(huán)境激勵下橋梁的響應信號進行多次功率譜的平均分析，可得到橋梁的各階自振頻率，再利用各個測點的振幅和相位關系，可求得橋梁各階模態(tài)的相應振型，利用幅頻圖上各峰值處的半功率帶寬或時域上的自相關來確定各階模態(tài)的阻尼比。本文采用該種方法測量某特大橋的自振特性。

1 工程概況

試驗橋梁全長1 548m，上部結構跨徑組合為兩聯（3×40m）＋四聯（4×40m）＋兩聯（5×30m）＋三聯（4×30m）裝配式預應力混凝土連續(xù)箱梁；下部結構橋臺為柱式、肋式臺，橋墩為柱式墩、空心墩，基礎為鉆孔灌注樁。大橋分左右兩幅，橋面橫向布置為0.5m護欄＋14.5m行車道＋0.75m護欄帶＋0.5m隔離帶＋0.75m護欄帶＋14.5m行車道＋0.5m護欄，橋梁全寬為32m。該橋梁設計荷載等級為公路Ⅰ級，為檢驗成橋后橋梁的承載能力能否滿足正常使用狀況的要求，對全橋展開荷載試驗分析，選取左幅第五聯4×40m為試驗聯，測定該橋左幅的動力特性。

2 傳感器布置

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

圖1 左幅第五聯（4×40m）測振傳感器布置及編號

3 實測自振特性

3.1 時域波形及功率譜圖

左幅第五聯24個豎向測點分四組采集數據，每組數據600s。第一組豎向測點的時域波形如圖2所示；第二組豎向測點的時域波形如圖3所示；第三組豎向測點的時域波形如圖4所示；第四組豎向測點的時域波形如圖5所示；三個橫向測點的時域波形如圖6所示；順橋向測點的時域波形如圖7所示。對各測點的時域波形進行自譜分析，可得各測點的功率譜圖。1#～12#豎向測點的功率譜如圖8所示；13#～24#豎向測點的功率譜如圖9所示；三個橫向測點的功率譜如圖10所示；順橋向測點的功率譜如圖11所示。

圖2 第一組豎向測點時域波形

3.2 實測主梁模態(tài)參數

對采集到的數據采用隨機子空間法（SSI）進行模態(tài)擬合，可得到前幾階自振頻率、阻尼比和振型。左幅第五聯實測豎向一階振型為相鄰跨反向的主梁豎向半波對稱振動，如圖12所示，實測頻率f＝2.876Hz，阻尼比η＝0.852%；實測豎向二階振型與理論計算第三階豎向振型相同（見圖13），實測頻率f＝4.116Hz，阻尼比η＝1.210%。左幅橋實測橫向基頻f＝1.118Hz，阻尼比η＝1.108%，實測縱橋向基頻f＝0.605Hz，阻尼比η＝4.990%。

圖3 第二組豎向測點時域波形

圖4 第三組豎向測點時域波形

3.3 模態(tài)參數對比及分析

對比左幅第五聯實測振型與理論計算振型，本次試驗測出了該聯的兩階豎向振動。實測頻率與理論頻率的對比如表1所示。

圖5 第四組豎向測點時域波形

圖6 橫向測點時域波形

圖7 縱向測點時域波形

圖8 1#～12#豎向測點功率譜

圖9 13#～24#豎向測點功率譜

圖10 橫向測點功率譜

圖11 縱向測點功率譜

圖12 實測一階模態(tài)（f＝2.876Hz，η＝0.852%）

圖13 實測三階模態(tài)（f＝4.116Hz，η＝1.210%）

表1 左幅第五聯理論計算與實測模態(tài)參數

通過分析左幅第五聯實測模態(tài)參數，可得到以下結論:

1）理論計算該聯的豎向基頻為2.512Hz，實測豎向基頻為2.876Hz；理論計算的豎向三階頻率為3.952Hz，實測值4.116Hz；實測前兩階豎向頻率與 理 論 頻 率 的 比 值 分 別 為 1.145、1.041，平 均1.093。依據《公路橋梁承載能力評定標準》，可評定主梁具有較好的豎向剛度。

2）實測該聯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《公路橋梁承載能力評定標準》，當振型阻尼比值≤1%時，可評定預應力混凝土結構無明顯裂縫。

4 結束語

脈動試驗結果表明，基于脈動試驗的模態(tài)測量和數據分析方法，所得各階模態(tài)分階比較清晰，理論與實測模態(tài)比較接近，能更為真實地反映結構在工作條件下的模態(tài)參數，說明該方法用于測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)境激勵的地脈動法最根本的特點是激勵的不可知與不可控，在分析過程中影響因素太多。事實上，模態(tài)參數實測值的準確度只能在數據采集、信號分析處理過程中通過一系列的技術手段實現誤差控制，以減少人為誤差，提高分析結果的可靠性。

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