东水门长江大桥动力特性监测系统研究

向 波，周 逸，陈县伟

(1.重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司，重庆 400000；2.重庆市桥梁健康监测企业工程技术研究中心，重庆 400000)



东水门长江大桥动力特性监测系统研究

向 波1，2，周 逸1，2，陈县伟1，2

(1.重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司，重庆 400000；2.重庆市桥梁健康监测企业工程技术研究中心，重庆 400000)

重庆东水门长江大桥为公轨两用单索面斜拉桥桥，轻轨、车辆和桥耦合振动的机理十分复杂。文章以重庆东水门长江大桥为研究对象，提出了一种基于自然激励(自然风，自然行车)的动力特性监测系统，并通过对系统采集的数据进行模态分析和自频谱分析，得出该动力特性监测系统在自然激励下测得的数据真实、稳定、可靠，具有广泛的适用性与较大的经济效益。

斜拉桥；动力特性；自然激励；监测系统

0 引言

任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼等结构特性参数组成的动力系统。结构一旦出现损伤或其他异常，其动力特性(振型、频率、阻尼等)也将随之发生改变。如桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构刚度

的降低或局部损坏，因此桥梁的动力特性特征可作为结构损伤评估的重要依据。在工程实践中，往往通过监测桥梁固有频率来获取其动力特性。为了获取桥梁的固有频率，振动(动力特性)监测系统还需要一些激励，如强迫振动法、自由振动法，但这两种方法均需要阻断交通，对国民经济造成一定损失。对于交通压力较大的桥梁，建议利用自然激励，在不阻碍交通的情况下对桥梁的动力特性进行监测。本文以重庆两江桥之一的东水门长江大桥为研究对象，在大桥主梁和主塔的主要截面布置拾振器，研发了一种利用自然激励(自然风，自然行车)的桥梁长期动力特性监测系统，在不中断交通的情况下，获取大桥动力特性参数。

1 大桥概况

重庆东水门长江大桥跨越长江，为双塔单索面斜拉桥，双层钢桁梁结构，跨径布置为222.5 m+445 m+190.5 m，总长858 m，大桥双塔高度分别为172.6 m和162.5 m，是连接渝中区和南岸区交通枢纽。

东水门长江大桥结构体系较为复杂，属近年来出现的新式桥型。东水门长江大桥为公轨两用桥，轻轨、车辆和桥耦合振动的机理十分复杂。因此十分有必要针对东水门大桥的特点，建立动力特性监测系统，对于随时掌握结构安全状态、及时发现安全隐患、避免重大人员伤亡与财产损失，具有重要的现实意义和实用价值。

图1 重庆东水门长江大桥平面图

2 动力特性监测系统监测布置

2.1 东水门大桥模型分析

根据东水门长江大桥结构特点，建立分析模型，得出分析结果如表1和图2所示。

表1 东水门大桥理论振动频率表

(a)主梁一阶竖弯(0.374 Hz)

(b)主梁二阶竖弯(0.524 Hz)

(c)主梁一阶横弯(0.326Hz)

(d)主梁二阶横弯(0.736 Hz)

图2 东水门大桥理论振型图

根据资料显示大跨度斜拉桥的一阶振动固有频率约在0.2～0.5 Hz之间[1-3]。可以认为东水门大桥的模型分析结果可靠。

2.2 系统测点布置

根据东水门大桥动力特性计算结果，设计传感器布点。东水门长江大桥动力特性监测系统主梁有10监测截面，主塔有4个监测截面。传感器的布置如图3所示。

图3 东水门大桥振动测点布置示意图

2.3 监测仪器的选择

根据东水门长江大桥动力特性分析可知，系统所选的传感器和信号采集仪必须满足大桥超低频振动特性要求。

目前工程常用的振动传感器类型较多，采用的原理也各不相同。常用的加速度传感器原理有：压电式、电容式、压阻式。通过从低频测量要求、经济实用、传感器寿命等方面综合考虑，选定一种电容式加速度传感器，该型传感器有较好的低频特性，传感器寿命长，长期数据稳定性好。在正常运营情况下，该传感器在菜园坝长江大桥连续正常运行了7年，数据准确、可靠。

除传感器需要适合超低频测量，具有高可靠性外，采集设备的精度也必须与传感器匹配。本系统采用24位AD精度的采集仪。采集仪采用以太网接口，一台计算机可以通过局域网控制多台采集仪。配以GPS授时同步，即可满足系统模态分析对采集仪高同步性的要求。

2.4 系统拓扑结构

东水门长江大桥全长225 m+445 m+190.5 m，共31个振动测点，需要两台采集仪才能满足系统数据采集需求。为了减少线路的阻抗和数据传输延时，要尽量缩短单只传感器到采集仪的距离，因此在P1塔和P2塔分别布置一台采集仪，两台采集仪之间通过GPS授时同步。系统拓扑结构如图4所示。

图4 系统拓扑结构图

3 数据分析

3.1 动力特性参数计算原理

采集的数据经过离散化处理后，一个结构的动态特性可由N阶矩阵微分方程描述：

(1)

设系统的初始状态为零，对方程(1)两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复数s为变量的矩阵代数方程：

[Μs2+Cs+K]X(s)=F(s)

(2)

利用最小二乘法估计出矩阵Μ、K、C。经过计算便可得到其频响函数矩阵和阻抗矩阵：

Η(s)=[Μs2+Cs+K]-1

(3)

Z(ω)=(K-ω2M)+jωC

(4)

并最终得出：

(5)

3.2 数据分析

对结构的固有频率和振型，在设计中已用有限元法计算。如果施工良好，计算值和实测值可以相当接近。

东水门长江大桥通车运营后，利用桥面行驶车辆引起的振动和自然风振作为激励响应源，测试大桥的固有频率。在不中断交通的情况下，仅依靠自然行车和自然风振作为激励源，通过动力特性监测系统采集一段时间的大桥振动数据，并依据动力特性参数计算原理，计算分析大桥动力特性参数，将动力特性参数匹配建好的模型，即得到大桥的振型。

表2为东水门大桥动力特性监测系统测出的动力特性参数，图5为表2动力特性参数对应的各阶振型示意图。

表2 东水门大桥实测动力特性参数表

(a)主梁一阶竖弯(频率：0.4 Hz；阻尼比：0.57%)

(b)主梁二阶竖弯(频率：0.68 Hz；阻尼比：1.744%)

(c)主梁一阶横弯(频率：0.33 Hz；阻尼比：1.092%)

(d)主梁二阶横弯(频率：0.85 Hz；阻尼比：0.78%)

为了判断数据的可靠性，作者对大桥振动数据做自频谱分析，利用自频谱分析得到的各阶频率值校验动力特性系统的计算结果。

图6为东水门大桥竖向和横向振动原始数据及其对应自频谱分析结果示意图。

(a)竖向振动数据自频谱分析

(b)横向振动数据自频谱分析

由图6可知，东水门大桥竖向振动一阶振动频率为0.4Hz，二阶振动频率为0.68Hz，横向一阶振动频率为0.33Hz，二阶振动频率为0.85Hz。

经过对比可知，经过动力特性监测系统分析得出的动力特性参数与自频谱分析结果一致，动力特性监测系统分析出的振型与理论振型一致。通过以上对比可以确定，在不中断大桥运营的情况下，仅利用自然行车和风振作为激励源，本文研究的动力特性监测系统正确地获取到了东水门长江大桥的动力特性参数。

4 结语

(1)东水门大桥实测竖向一阶振动频率为0.4Hz，竖向二阶振动频率为0.68Hz，横向一阶振动频率为0.33Hz，横向二阶振动频率为0.85Hz，其各阶实测振动频率均大于理论频率，阻尼比在0.57%～1.63%之间。

(2)东水门大桥动力特性监测系统获取的动力特性参数与理论计算和自频谱分析结果一致，该系统能够正确、可靠地获取大桥动力特性参数。

(3)在不中断大桥运营的情况下，本系统仅利用自然行车和自然风振便可实时、正确、可靠地获取大桥动力特性参数，为大桥运营保驾护航，极具经济价值。

(4)该系统为大桥成桥后动力特性参数变化情况积累了大量数据，并通过实测数据分析，验证了该系统的准确性和可靠性。

[1]严普强，桥陶鹏.工程中的低频振动测量与其传感器[J].振动、测试与诊断，2002，22(4)：247-253.

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[3]杨学智，严普强，张 锻.DP传感器研究及桥梁自振特性测试[J].振动、测试与诊断，1997，17(2)：51-56.

[4]刘习军，贾启芬，张文德，等.工程振动与测试技术[M].天津：天津大学出版社，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—)，工程师，研究方向：工程技术，结构监测技术；

周 逸(1982—)，工程师，研究方向：交通智能控制；

科技型中小企业技术创新基金项目(13C26 2151150810)

U446；TP212

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.010

1673-4874(2015)11-0046-05

2015-10-09

陈县伟(1982—)，工程师，研究方向：机电一体化。