某桥梁结构动力特性数据处理方法

2013-03-05王凤安周后志

河南建材 2013年2期

王凤安周后志

1濮阳市建设工程质量监督站（457000） 2河南省建筑科学研究院（450000）

我国建国以来多数桥梁已接近设计规定的基准使用期,因此迫切需要对其健康状况进行检测、对其安全性进行评估,进而能更好地对它们进行维修、加固、管理和使用。随着桥梁安全性问题的日益突出，对桥梁健康诊断与安全性评估技术的发展提出了越来越高的要求。桥梁结构的动力特性（主要是自振频率、振型、阻尼系数等）只与结构本身的固有性质有关（如结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等），与荷载等其它条件无关，是桥梁结构振动系统的基本特征，可作为对桥梁健康诊断或质量评定的依据。

通过动力荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥梁结构的动力特性；以及通过测试各控制部分在使用荷载下的动力性能（振幅、速度、加速度等），除了可用来分析桥梁结构在动力荷载作用下的受力状态外，还可用来验证或修改理论计算值，作为结构设计的依据，并可为桥梁以后的运营养护管理提供必要的数据和资料。随着我国公路桥梁检验评定制度的推行，桥梁动力特性测试会越来越受到重视。下面结合某大桥的实桥动力特性测试数据来识别桥梁的基频、振型等动力特性参数。

1 工程及试验简介

某桥建于1994年,为评定其结构运营的安全性并给以后的养护维修工作提供依据，因此对其进行了现场各类常规检查和静、动力荷载试验，以全面检验结构的受力性能是否满足要求，以便对该桥的现状作出科学客观的评定。

该桥跨径布置为7.5m简支梁桥+2×80m中承式钢管混凝土拱桥+16m简支梁桥。该桥主桥部分两孔为80m,中承式钢管混凝土拱桥为等截面三次抛物线拱,矢跨比为1/4。主拱圈采用哑铃型截面,高2m,宽0.9m,拱圈钢管采用A3钢及16Mnq钢，填心混凝土为50号。两拱圈之间设置四道一字形横撑，两道X形横撑，两道K形横撑和一道米字形横撑，横撑钢管采用A3钢。主桥横梁采用钢筋混凝土结构，拱上1＃横梁和2＃横梁采用50号混凝土，3＃～8＃横梁采用40号混凝土。全桥共24对共48束吊杆，每束吊杆为五根32mm的四级冷拉精轧螺纹钢，两端采用冷铸镦头锚进行锚固。

在进行动力测试时，在主桥部分上游侧主拱圈桥面上沿竖向共布置5个加速度传感器，主要是测量桥面的振型，以确定桥梁的自振特性，其编号及布置如图1所示。采用脉动法进行测试，采集环境随机激励引起的结构振动加速度响应信号。为了保证丰富的高频信号和较大的随机样本，采样频率选用100Hz，采样时间为25min，每测点采样点数为151680个。

图1 加速度传感器布置

2 数据处理方法

1）小波包滤波

在工程结构动力检测中最为常见的是地脉动响应信号，这种信号信噪比很低，其有效频率成分既和高频的随机噪声相互覆盖，也和低频的趋势噪声相互覆盖，而从这种微弱的地脉动信号中剔除噪声获取结构的真实响应非常困难。文[1]中提出了利用小波包对噪声信号进行分解，通过不同的量化阈值对小波包系数进行处理，重构得出小波包消噪后的信号。文[2]中详细介绍了小波包滤波的方法以及运用MATLAB程序语言编制小波包滤波器的步骤。

基于文[2]中所提出的方法和步骤，运用MATLAB程序语言编制小波包滤波程序提取结构特征信息，结构特征响应信息就是指结构在结构地脉动随机激励下，动力响应的部分信息，是在某种激励下可以实现的一个响应，根据结构特征响应信息同样可以进行结构系统的动力识别。下面应用自编的小波包滤波程序提取了测试信号中0.5～50Hz频率的信息作为结构特征信号以剔除噪声和低频信号。图2～图5分别给出了部分采集点的测试加速度信号和特征加速度信号。从图2～图5可知，通过提取结构特征信号，信号的高频信息明显减少，这样可以提高参数的识别精度。

图2 第二点原始信号图

图3 第二点（滤波后）信号图

图4 第五点原始信号图

图5 第五点（滤波后）信号图

由于结构特征加速度响应所覆盖的频带不仅包含整体竖向振动的所有频率，而且还有效的消除了高频随机噪声和低频趋势噪声,故相对而言，结构特征加速度响应的模态参数应该具有更好的模态识别效果。因此，文中模态参数识别是建立在结构特征加速度响应信号的基础之上的。

2）频率和振型的确定

在实际应用中结构自振频率的识别常依据结构反应的自功率谱,由于测量噪声和激励谱的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率，故可依据下列原则由结构反应频谱特征判别结构模态频率。①结构反应各测点的自功率谱位于同一频率处；②模态频率处各测点间的相干函数较大；③各测点在模态频率处具有近似同相位或反相位的特点。

依据上述原则，运用MATLAB程序语言，由相干函数公式:

和传递函数公式:

式中:Sxy(k)— 输入与输出之互功率谱;Sxx(k)—输入之自功率谱；Syy(k)—输出之自功率谱。

编制相干系数和传递函数的程序，运行程序得到：图6（实测信号的频谱图），图7（实测信号的相干系数谱），图8（传递函数的幅值谱），图9（传递函数的相位谱）。由图6（实测信号频谱图）可知：加速度信号自功率谱图中第一峰值和第二峰值分别为1.85Hz和2.83Hz，表1～3分别列出了在频率1.85Hz和2.83Hz处的相干系数值和传递函数幅值、相位值（选第一测点为参考点）。