李海玉,黃榮華,邱亞芬

(1.湖北省恩施州交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,恩施 44500;2.巴東長(zhǎng)江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

基于動(dòng)力性能指標(biāo)的巴東大橋震后工作狀態(tài)評(píng)估

李海玉1,黃榮華2,邱亞芬3

(1.湖北省恩施州交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,恩施 44500;2.巴東長(zhǎng)江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

如今大跨度橋梁的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和工作狀態(tài)的評(píng)估已成為當(dāng)今土木工程界研究的熱點(diǎn)。近幾年來(lái),隨著振動(dòng)測(cè)試、模態(tài)分析、動(dòng)力識(shí)別等技術(shù)的不斷發(fā)展,為橋梁工作狀態(tài)評(píng)估提供了可靠依據(jù)。該文以2013年12月16號(hào)發(fā)生過(guò)地震的巴東長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯勘尘?采用環(huán)境隨機(jī)激振法,對(duì)橋梁進(jìn)行基于動(dòng)力性能指標(biāo)的振動(dòng)測(cè)試,通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別技術(shù)得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,進(jìn)而利用動(dòng)力性能指標(biāo)對(duì)大橋震后的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

大跨度橋梁; 狀態(tài)評(píng)估; 環(huán)境隨機(jī)激振法; 動(dòng)力性能指標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)水平的提高,我國(guó)橋梁建設(shè)取得了令人矚目的成就。然而我們卻會(huì)面臨新的挑戰(zhàn),即有越來(lái)越多的公路橋梁出現(xiàn)耐久性降低和承載力不足等問(wèn)題。特別是在遭遇自然災(zāi)害后,橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修和加固等方面的問(wèn)題愈發(fā)不容忽視。2013年12月16日13時(shí)04分,巴東縣東瀼口鎮(zhèn)(北緯31.1 度,東經(jīng)110.4度)發(fā)生4.8級(jí)地震,震源深度5 000 m,隨后發(fā)生多次余震。受地震作用,巴東長(zhǎng)江大橋有明顯結(jié)構(gòu)響應(yīng),有必要對(duì)震后的橋梁工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。目前常用于橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)定方法[5]主要有基于外觀調(diào)查評(píng)定法、以設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)的驗(yàn)算評(píng)定法、荷載試驗(yàn)評(píng)定法、承載能力的精細(xì)有限元模擬分析等,而該文則采用了基于動(dòng)力測(cè)試指標(biāo)的方法,對(duì)主跨為388 m的巴東長(zhǎng)江公路大橋進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,并與震前的振動(dòng)測(cè)試記錄進(jìn)行對(duì)比研究,評(píng)估其震后工作狀態(tài)。

1 基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)定思想

采用基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁損傷與評(píng)估理論的基本思想[3]在于:結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)如幾何尺寸、材料特性等的變化必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改變,因此可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)動(dòng)力特性來(lái)反演結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變。動(dòng)力檢測(cè)因具有測(cè)試速度快,對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生新的損傷,能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè),在總體上把握結(jié)構(gòu)的形態(tài)等突出優(yōu)點(diǎn)而經(jīng)常用于損傷識(shí)別。動(dòng)力識(shí)別方法[3]按照有無(wú)激振輸入可分為有激振動(dòng)力識(shí)別和無(wú)激振動(dòng)力識(shí)別。按照有無(wú)基準(zhǔn)參照可分為:依據(jù)有限元模型動(dòng)力識(shí)別和無(wú)有限元模型動(dòng)力識(shí)別。按照動(dòng)力識(shí)別所采用的不同識(shí)別方法及特定動(dòng)力參數(shù)可分為:基于模態(tài)參數(shù)的損傷準(zhǔn)則及指標(biāo)法、結(jié)構(gòu)模型修正法、時(shí)域響應(yīng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法識(shí)別法,以及其他一些方法。此次采用的是環(huán)境激振法(脈動(dòng)法),通過(guò)模態(tài)識(shí)別分析,根據(jù)振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的評(píng)判,為橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修提供可靠的依據(jù)。

2 基于動(dòng)力測(cè)試的評(píng)定方法

2.1 環(huán)境激勵(lì)機(jī)理

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是其固有的性質(zhì),與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼分布及其材料特性有關(guān),動(dòng)力特性的測(cè)試方法[1]有自振法、共振法和脈動(dòng)法。其中脈動(dòng)法也稱環(huán)境隨機(jī)激振法,即結(jié)構(gòu)在環(huán)境擾動(dòng)作用下,例如自然風(fēng)、地脈動(dòng)、機(jī)器或車輛引起的擾動(dòng)等,雖然引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振幅極為微小,但脈動(dòng)響應(yīng)所包含的頻率成分相當(dāng)豐富,它不需要任何激振設(shè)備,又不受結(jié)構(gòu)形式和大小的限制,特別適用于測(cè)量結(jié)構(gòu)整體的自振特性,最后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別分析即可得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2.2 環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

巴東大橋主橋部分采用全漂浮的結(jié)構(gòu)體系,即主梁在索塔位置無(wú)豎向支撐,主梁沿縱橋向可以在一定范圍內(nèi)自由變位,同時(shí)為了限制主梁橫橋向的位移,在塔梁交界處設(shè)置主梁橫向限位裝置。根據(jù)理論分析,其各個(gè)主要自振模態(tài)的首階頻率較低。該次試驗(yàn)采用941B超低頻加速度傳感器作為拾振設(shè)備,采用DH5922數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。通過(guò)在橋梁適當(dāng)位置布置測(cè)點(diǎn)并采樣,在時(shí)域和頻域分析的基礎(chǔ)上得到結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼特性。

為了盡可能測(cè)出更多階振型參數(shù),可預(yù)先估算結(jié)構(gòu)振型,或分析以前的動(dòng)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,以便在結(jié)構(gòu)的敏感點(diǎn)布置拾振器。擬在斜拉橋主梁上兩側(cè)布置加速度傳感器,并進(jìn)行多點(diǎn)多方向的測(cè)量,測(cè)出對(duì)稱豎彎、反對(duì)稱豎彎、扭轉(zhuǎn)的各個(gè)振型。具體如下:在橋上的11個(gè)擬定測(cè)點(diǎn),各自沿主橋橫橋向、豎向,分3批次進(jìn)行布設(shè),橋面測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,圖中數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)號(hào)。測(cè)試時(shí),每次采樣時(shí)間不少于30 min。將豎向傳感器、水平向傳感器各一個(gè)放置于參考點(diǎn),作為不同批次試驗(yàn)的參考點(diǎn)且不可移動(dòng)。詳見圖1。

該次試驗(yàn)選擇在晚上進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)溫度恒定,風(fēng)速小于5 km/h。受環(huán)境干擾比較小,即振動(dòng)獲取的噪聲比較小。按計(jì)劃分3批次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,每批采集持續(xù)時(shí)間約為40 min,水平方向的傳感器擺放的朝向?yàn)閳D1中Y方向。DH5922設(shè)置為外輸入數(shù)采,采樣頻率100 Hz,傳感器DIP設(shè)為2。

2.3 評(píng)定規(guī)則

橋梁自振頻率變化能夠反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過(guò)測(cè)試橋梁自振頻率的變化,可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能,評(píng)價(jià)橋梁工作狀況。按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的評(píng)定方法,根據(jù)實(shí)測(cè)自振頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi的比值,按表1的規(guī)定確定自振頻率評(píng)定標(biāo)度。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖2表示第一批采集時(shí)的部分測(cè)點(diǎn)的時(shí)程。圖3～圖7橫坐標(biāo)表示時(shí)間單位為秒,縱坐標(biāo)表示振幅。

經(jīng)采用不測(cè)力法分析計(jì)算,巴東長(zhǎng)江大橋的模態(tài)參數(shù)如表2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)評(píng)估是一個(gè)十分活躍且極具潛力的研究領(lǐng)域,人們對(duì)其關(guān)注度也逐漸提高。該文以巴東長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯勘尘?以如何建立動(dòng)力評(píng)估方法為核心,對(duì)涉及到的動(dòng)力性能參數(shù)測(cè)試、數(shù)據(jù)的分析處理以及震后工作狀態(tài)綜合評(píng)定系統(tǒng)等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討與研究。通過(guò)對(duì)振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行理論、數(shù)值分析,進(jìn)行了大跨度斜拉橋震前與震后的振型、頻率、阻尼的對(duì)比,說(shuō)明基于動(dòng)力性能指標(biāo)對(duì)橋梁工作狀態(tài)的評(píng)估方法是可行的。

[1] 楊雅勛.基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與綜合評(píng)估理論研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.

[2] 李詠忠.大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析及主梁損傷識(shí)別[D].南昌:南昌大學(xué),2010.

[3] 施 洲.基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別及性能評(píng)定理論與應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[4] 朱勁松,肖汝誠(chéng).橋梁損傷識(shí)別的實(shí)用模型修正方法研究[J].工業(yè)建筑,2006(S1),219-224.

[5] 陸燁佳.斜拉橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期狀態(tài)評(píng)級(jí)與安全評(píng)定方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

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Seismic Condition Assessment of Badong Yangtze River Bridge Based on the Dynamic Index

LI Hɑi-yu1,HUAGN Rong-huɑ2,QIU Yɑ-fen3
(1.Supervising Station of Transport Infrastructure in Enshi Prefecture of Hubei Province,Enshi 445000,China; 2.Badong Yangtze River Bridge Authority,Badong 443000,China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Nowadays,with the application of long-span bridges is becoming more and more widely,the study of structural health monitoring and condition assessment of bridges has become hot issues in civil engineering.In recent years,along with the continuous development of the technologies such as vibration test,modal analysis,dynamic identification and so on provide a reliable basis for the bridge condition evaluation.The paper takes the Badong Yangtze River Bridge which had earthquaked on December 16,2013 as the reach background.We use the environmental random excitation method of the bridge,having a vibration test based on dynamic performance index and getting structures'dynamic characteristics through computers with modal identification technology.Then we can evaluate the seismic working state of the bridge in the use of dynamic performance index.

long-span bridge; condition assessment; environmental random excitation method; dynamic performance index

2014-05-09.

李海玉(1987-),工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.023