向 波，周 逸，陳縣偉

(1.重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 400000；2.重慶市橋梁健康監(jiān)測(cè)企業(yè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400000)

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東水門長(zhǎng)江大橋動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

向 波1，2，周 逸1，2，陳縣偉1，2

(1.重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 400000；2.重慶市橋梁健康監(jiān)測(cè)企業(yè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400000)

重慶東水門長(zhǎng)江大橋?yàn)楣墐捎脝嗡髅嫘崩瓨驑颍p軌、車輛和橋耦合振動(dòng)的機(jī)理十分復(fù)雜。文章以重慶東水門長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，提出了一種基于自然激勵(lì)(自然風(fēng)，自然行車)的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析和自頻譜分析，得出該動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在自然激勵(lì)下測(cè)得的數(shù)據(jù)真實(shí)、穩(wěn)定、可靠，具有廣泛的適用性與較大的經(jīng)濟(jì)效益。

斜拉橋；動(dòng)力特性；自然激勵(lì)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

任何結(jié)構(gòu)都可以看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼等結(jié)構(gòu)特性參數(shù)組成的動(dòng)力系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷或其他異常，其動(dòng)力特性(振型、頻率、阻尼等)也將隨之發(fā)生改變。如橋梁自振頻率的降低、橋梁局部振型的改變可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)剛度

的降低或局部損壞，因此橋梁的動(dòng)力特性特征可作為結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估的重要依據(jù)。在工程實(shí)踐中，往往通過(guò)監(jiān)測(cè)橋梁固有頻率來(lái)獲取其動(dòng)力特性。為了獲取橋梁的固有頻率，振動(dòng)(動(dòng)力特性)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要一些激勵(lì)，如強(qiáng)迫振動(dòng)法、自由振動(dòng)法，但這兩種方法均需要阻斷交通，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成一定損失。對(duì)于交通壓力較大的橋梁，建議利用自然激勵(lì)，在不阻礙交通的情況下對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文以重慶兩江橋之一的東水門長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在大橋主梁和主塔的主要截面布置拾振器，研發(fā)了一種利用自然激勵(lì)(自然風(fēng)，自然行車)的橋梁長(zhǎng)期動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不中斷交通的情況下，獲取大橋動(dòng)力特性參數(shù)。

1 大橋概況

重慶東水門長(zhǎng)江大橋跨越長(zhǎng)江，為雙塔單索面斜拉橋，雙層鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為222.5 m+445 m+190.5 m，總長(zhǎng)858 m，大橋雙塔高度分別為172.6 m和162.5 m，是連接渝中區(qū)和南岸區(qū)交通樞紐。

東水門長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，屬近年來(lái)出現(xiàn)的新式橋型。東水門長(zhǎng)江大橋?yàn)楣墐捎脴?，輕軌、車輛和橋耦合振動(dòng)的機(jī)理十分復(fù)雜。因此十分有必要針對(duì)東水門大橋的特點(diǎn)，建立動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患、避免重大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

圖1 重慶東水門長(zhǎng)江大橋平面圖

2 動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)布置

2.1 東水門大橋模型分析

根據(jù)東水門長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立分析模型，得出分析結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 東水門大橋理論振動(dòng)頻率表

(a)主梁一階豎彎(0.374 Hz)

(b)主梁二階豎彎(0.524 Hz)

(c)主梁一階橫彎(0.326Hz)

(d)主梁二階橫彎(0.736 Hz)

圖2 東水門大橋理論振型圖

根據(jù)資料顯示大跨度斜拉橋的一階振動(dòng)固有頻率約在0.2～0.5 Hz之間[1-3]?？梢哉J(rèn)為東水門大橋的模型分析結(jié)果可靠。

2.2 系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)東水門大橋動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)傳感器布點(diǎn)。東水門長(zhǎng)江大橋動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主梁有10監(jiān)測(cè)截面，主塔有4個(gè)監(jiān)測(cè)截面。傳感器的布置如圖3所示。

圖3 東水門大橋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 監(jiān)測(cè)儀器的選擇

根據(jù)東水門長(zhǎng)江大橋動(dòng)力特性分析可知，系統(tǒng)所選的傳感器和信號(hào)采集儀必須滿足大橋超低頻振動(dòng)特性要求。

目前工程常用的振動(dòng)傳感器類型較多，采用的原理也各不相同。常用的加速度傳感器原理有：壓電式、電容式、壓阻式。通過(guò)從低頻測(cè)量要求、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、傳感器壽命等方面綜合考慮，選定一種電容式加速度傳感器，該型傳感器有較好的低頻特性，傳感器壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。在正常運(yùn)營(yíng)情況下，該傳感器在菜園壩長(zhǎng)江大橋連續(xù)正常運(yùn)行了7年，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

除傳感器需要適合超低頻測(cè)量，具有高可靠性外，采集設(shè)備的精度也必須與傳感器匹配。本系統(tǒng)采用24位AD精度的采集儀。采集儀采用以太網(wǎng)接口，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)局域網(wǎng)控制多臺(tái)采集儀。配以GPS授時(shí)同步，即可滿足系統(tǒng)模態(tài)分析對(duì)采集儀高同步性的要求。

2.4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

東水門長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)225 m+445 m+190.5 m，共31個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，需要兩臺(tái)采集儀才能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求。為了減少線路的阻抗和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，要盡量縮短單只傳感器到采集儀的距離，因此在P1塔和P2塔分別布置一臺(tái)采集儀，兩臺(tái)采集儀之間通過(guò)GPS授時(shí)同步。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 動(dòng)力特性參數(shù)計(jì)算原理

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離散化處理后，一個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可由N階矩陣微分方程描述：

(1)

設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，對(duì)方程(1)兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到以復(fù)數(shù)s為變量的矩陣代數(shù)方程：

[Μs2+Cs+K]X(s)=F(s)

(2)

利用最小二乘法估計(jì)出矩陣Μ、K、C。經(jīng)過(guò)計(jì)算便可得到其頻響函數(shù)矩陣和阻抗矩陣：

Η(s)=[Μs2+Cs+K]-1

(3)

Z(ω)=(K-ω2M)+jωC

(4)

并最終得出：

(5)

3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，在設(shè)計(jì)中已用有限元法計(jì)算。如果施工良好，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值可以相當(dāng)接近。

東水門長(zhǎng)江大橋通車運(yùn)營(yíng)后，利用橋面行駛車輛引起的振動(dòng)和自然風(fēng)振作為激勵(lì)響應(yīng)源，測(cè)試大橋的固有頻率。在不中斷交通的情況下，僅依靠自然行車和自然風(fēng)振作為激勵(lì)源，通過(guò)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集一段時(shí)間的大橋振動(dòng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)動(dòng)力特性參數(shù)計(jì)算原理，計(jì)算分析大橋動(dòng)力特性參數(shù)，將動(dòng)力特性參數(shù)匹配建好的模型，即得到大橋的振型。

表2為東水門大橋動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)出的動(dòng)力特性參數(shù)，圖5為表2動(dòng)力特性參數(shù)對(duì)應(yīng)的各階振型示意圖。

表2 東水門大橋?qū)崪y(cè)動(dòng)力特性參數(shù)表

(a)主梁一階豎彎(頻率：0.4 Hz；阻尼比：0.57%)

(b)主梁二階豎彎(頻率：0.68 Hz；阻尼比：1.744%)

(c)主梁一階橫彎(頻率：0.33 Hz；阻尼比：1.092%)

(d)主梁二階橫彎(頻率：0.85 Hz；阻尼比：0.78%)

為了判斷數(shù)據(jù)的可靠性，作者對(duì)大橋振動(dòng)數(shù)據(jù)做自頻譜分析，利用自頻譜分析得到的各階頻率值校驗(yàn)動(dòng)力特性系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果。

圖6為東水門大橋豎向和橫向振動(dòng)原始數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)自頻譜分析結(jié)果示意圖。

(a)豎向振動(dòng)數(shù)據(jù)自頻譜分析

(b)橫向振動(dòng)數(shù)據(jù)自頻譜分析

由圖6可知，東水門大橋豎向振動(dòng)一階振動(dòng)頻率為0.4Hz，二階振動(dòng)頻率為0.68Hz，橫向一階振動(dòng)頻率為0.33Hz，二階振動(dòng)頻率為0.85Hz。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析得出的動(dòng)力特性參數(shù)與自頻譜分析結(jié)果一致，動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析出的振型與理論振型一致。通過(guò)以上對(duì)比可以確定，在不中斷大橋運(yùn)營(yíng)的情況下，僅利用自然行車和風(fēng)振作為激勵(lì)源，本文研究的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正確地獲取到了東水門長(zhǎng)江大橋的動(dòng)力特性參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)東水門大橋?qū)崪y(cè)豎向一階振動(dòng)頻率為0.4Hz，豎向二階振動(dòng)頻率為0.68Hz，橫向一階振動(dòng)頻率為0.33Hz，橫向二階振動(dòng)頻率為0.85Hz，其各階實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率均大于理論頻率，阻尼比在0.57%～1.63%之間。

(2)東水門大橋動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的動(dòng)力特性參數(shù)與理論計(jì)算和自頻譜分析結(jié)果一致，該系統(tǒng)能夠正確、可靠地獲取大橋動(dòng)力特性參數(shù)。

(3)在不中斷大橋運(yùn)營(yíng)的情況下，本系統(tǒng)僅利用自然行車和自然風(fēng)振便可實(shí)時(shí)、正確、可靠地獲取大橋動(dòng)力特性參數(shù)，為大橋運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(4)該系統(tǒng)為大橋成橋后動(dòng)力特性參數(shù)變化情況積累了大量數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

[1]嚴(yán)普強(qiáng)，橋陶鵬.工程中的低頻振動(dòng)測(cè)量與其傳感器[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2002，22(4)：247-253.

[2]袁萬(wàn)城，崔 飛，張啟偉.橋梁健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(4)：184-188.

[3]楊學(xué)智，嚴(yán)普強(qiáng)，張 鍛.DP傳感器研究及橋梁自振特性測(cè)試[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，1997，17(2)：51-56.

[4]劉習(xí)軍，賈啟芬，張文德，等.工程振動(dòng)與測(cè)試技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.

Research on Dynamic Characteristics Monitoring System of Dongshuimen Yangtze River Bridge

XIANG Bo1，2，ZHOU Yi1，2，CHEN Xian-wei1，2

(1.Chongqing Yapai Bridge Engineering Quality Inspection Co.，Ltd.，Chongqing，400000；2.Chongqing Bridge Health Monitoring Enterprise Engineering Technology Research Center，Chongqing，400000)

Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge is the cable-stayed bridge with single cable plane and used both for highway and railway，the coupled vibration mechanism of light rail，vehicles and bridge is very complex.Taking Chongqing Dongshuimen Yangtze River Bridge as the research object，this article presented a dynamic characteristics monitoring system based on natural excitation(natural wind，natural traffic)，and through the modal analysis and self-spectrum analysis on the data collected by this system，it obtained that the data measured by this dynamic characteristics monitoring system under the natural excitation is true，stable，and reliable，thereby it has broad applicability and greater econom-ic benefits.

Cable-stayed bridge；Dynamic characteristics；Natural excitation；Monitoring system

向 波(1988—)，工程師，研究方向：工程技術(shù)，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)；

周 逸(1982—)，工程師，研究方向：交通智能控制；

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(13C26 2151150810)

U446；TP212

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.010

1673-4874(2015)11-0046-05

2015-10-09

陳縣偉(1982—)，工程師，研究方向：機(jī)電一體化。