大跨度斜拉桥动力特性实测
2018-05-07
0引言
斜拉桥由于其跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一【1】，特别是在跨江跨海大桥这面优势更加巨大。随着科技的发展，从近年来所建的斜拉桥来看，斜拉桥的建造正在向着跨度越来越大，主梁越来越轻柔方向发展。斜拉桥跨度增大，主梁轻柔导致其刚度变小，对桥梁在车辆荷载、风荷载和地震荷载作用下动力响应尤为敏感，严重的会引起桥梁结构的破坏。因而有必要对其动力特性进行研究，为其抗震、抗风设计提供依据和参考，是一项很有意义的工作【2】。
1 工程概括
某跨海大桥主桥为主跨780m的五跨连续半漂浮体系双塔双索面斜拉桥，其跨径布置为95+230+780+230+95=1430m。索塔采用钻石型，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、和下横梁，塔柱采用空心箱型断面，采用C50混凝土，塔柱顶高程230.70m。主桥斜拉桥钢箱梁含风嘴全宽38m，不含风嘴宽34.108m，中心线高度3.5m。主桥斜拉索采用1670 MPa平行钢丝斜拉索，全桥共25×4×2=200根斜拉索。
2 测试系统简介
为了分析大桥的动力特性，本次实测选取了4个加速度传感器。分别测量大桥的竖向振动和横向振动，加速度传感器布置在跨中截面，传感器布置位置如图1。由于此次没有布置扭转加速度传感器，故扭转加速度信号则由这两个竖向加速度信号的差值除以其横向间距28m。加速度传感器采用北戴河兰德科技的BC00-19超低频振动传感器，其最低采样频率为0.1HZ；采集模块采用的是美国恩艾公司的NI-9234，其具有抗混叠滤波强、精度高等、4通道同步采集等特点。另外，采用美国NI公司的LabviewSignlaExpress信号采集系统。测试图框如图2
图1传感器布置
图2 NI动态测试系统仪器连接
3 动力特性分析
在此次加速度实测过程中，外在环境为：最小风速为6.1m/s，最大风速为10.8m/s，平均风速为10.5m/s，环境温度为28.2。加速度信号的采样频率为2000Hz，采集时间为18分钟。
3.1 自振频率的计算
进行频谱分析时可采用随机子空间法（SSI）或多参考最小二乘复频域法（Polymax）等，这里采用随机子空间法。一般来说大跨度斜拉桥自振频率较低，通过有限元分析可知其前12阶固有模态频率范围为0.072Hz-0.523Hz，而传感器的测量范围为0.1Hz-100Hz，为了获得一个合理的实测结果，在此分析自振频率时频带范围为0Hz-2Hz。通过分析可得主梁前几阶频率分别为0.1807 Hz、0.2051 Hz、0.2393 Hz、0.3662 Hz。通过与有限元计算出的结果相比较得出与其对应的振动类型见表1。
3.2 阻尼比的计算
桥梁结构的阻尼是确定桥梁振动的重要参数之一，阻尼消耗能量，使振动衰减，对桥梁安全是有利的【3】。由于直接根据结构尺寸的大小以及所用材料的阻尼特性来计算阻尼矩阵的系数是不切实际的。因此通常用振型阻尼比的数值确定阻尼【4】。桥梁结构的阻尼比可以根据跳车激振试验或行车试验测记的测点余振相应信号（振动衰减曲线），也可以根据频谱分析得出的测点自功率谱图，用半功率点带宽法按下式计算：
式中， ——第i阶自振频率相应的半功率点带宽，即0.707倍功率谱峰值所对应的频率差；
—第i阶自振频率。
通过此方法可得此桥的前几阶模态对应的阻尼比为0.046、0.03、0.019、0.005。
通过有限元软件分析计算可得出其前12阶自振频率，见表1
表1 振动固有频率和模态阻尼比
注：表中“/”表示在实测中没有识别出的模态，有些模态频率过于接近，或者加速度传感器过于接近模态振型的驻点而使测试信号太弱，使得一些模态的阻尼比没有识别出来。
4 结论
通过实测和有限元软件分析发现其竖向振动频率和横向振动频率都较低，模态相对密集，在第2阶出现主梁侧弯。
通过有限元分析和实测可知，前5阶未出现主梁扭转，主梁扭转具体出现在哪阶有待进一步研究。
从总体来看，有限元软件计算得出的自振频率与实测得到的自振频率这两者相差较小，都在6.5%以内。
实测各阶模态阻尼比相差比较大，最大值出现在主梁横弯为0.046，而最小值出现在主梁二阶对称竖弯为0.005。
参考文献：
[1]刘士林. 侯金龙.斜拉桥.北京：人民交通出版社，2002.8.
[2]严国敏. 现代斜拉桥.成都:西南交通大学出版社，1996.7.
[3]李国豪. 桥梁结构稳定与振动.北京：中国铁道出版社，1996.
[4]谢礼立. 结构动力学.北京：高等教育出版社，2005.
作者简介：黄正辉（1988-），硕士研究生，研究方向：桥梁抗风
