公铁两用斜拉桥竖向动力特性长期监测分析

赵瀚玮，丁幼亮，2，李爱群，岳青，吴来义

(1．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京210096;2．河北省大型结构健康诊断与控制实验室，河北石家庄050043;3．北京建筑大学，北京100044;4．中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏南京210032)

公铁两用斜拉桥竖向动力特性长期监测分析

赵瀚玮1，丁幼亮1，2，李爱群3，岳青4，吴来义4

(1．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京210096;2．河北省大型结构健康诊断与控制实验室，河北石家庄050043;3．北京建筑大学，北京100044;4．中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏南京210032)

基于黄冈公铁两用斜拉桥健康监测系统2015年1月—9月的主梁竖向加速度长期监测数据，分析了桥梁竖向振动的长期频谱特征，研究了桥梁竖向动力特性与温度的相关性，得到了桥梁竖向振动前4阶固有频率与环境温度的相关性拟合曲线，给出了桥梁竖向动力特性在长期服役过程中的预警阈值。研究结果表明:黄冈公铁两用斜拉桥主梁的竖向振动固有频率与温度具有明显的线性相关性;根据桥梁竖向振动的归一化频率与桥梁监测数据所识别频率的残差，能够有效制定桥梁竖向动力特性预警指标，以用于桥梁服役过程中的动力性能长期监测。

公铁两用斜拉桥;竖向动力特性;温度相关性;预警阈值

黄冈公铁两用斜拉桥是武汉至黄冈城际高速铁路及黄冈至鄂州高速公路的关键性控制工程，桥梁全长约4 km，主桥为双塔钢桁梁斜拉桥，主跨跨度为567 m。桥梁设计为双层桥面，上层桥面为设计速度100 km/h的4车道高速公路，下层桥面为设计速度200 km/h的通行双线高速铁路［1-2］。黄冈公铁两用斜拉桥长期处于列车荷载、汽车荷载与环境温度的共同作用下，桥梁结构在服役过程中的振动问题值得关注［3-4］。通过研究结构振动，可以准确获得其结构振动特性并了解其长期演化规律。

许永吉等［5］通过桥梁缩尺模型试验，探讨了环境温度对桥梁结构动力特性的影响。陈策等［6］建立了三塔两跨悬索桥结构的ANSYS有限元模型，分析了环境温度对大跨悬索桥结构静动力特性的影响。焦志钦等［7］基于吉昌特大桥健康监测系统监测数据，探讨了环境因素变化与结构损伤引起的结构动力特性的变异性。闵志华等［8］基于东海大桥健康监测系统监测数据，研究了环境温度场对大跨斜拉桥动力特性的影响分析。

黄冈公铁两用斜拉桥结构健康监测系统通过在桥梁结构和路面安装传感器获取桥梁结构在长期服役过程中的结构振动加速度与结构温度实时监测数据。在桥梁日常服役过程中，环境温度与结构本身力学性能(如刚度、边界条件)的变化都将影响桥梁的动力特性［9-10］。如果能准确了解桥梁动力特性与温度的关系，就能够通过结构动力特性的变化掌握桥梁结构服役性能的变化过程。进而凭借已安装的桥梁结构健康监测系统，对结构的动力特性与其演化规律进行长期的监测与分析。最终达到掌握桥梁性能劣化的演变规律，并及时采取相应的改善措施，延长桥梁使用寿命的目的。

本文以黄冈公铁两用斜拉桥结构健康监测系统2015年1月—9月的主梁实测竖向振动加速度数据为对象，研究了主梁竖向动力特性的季度变化规律，得到了主梁竖向动力特性与温度的相关性特征，并设定了相应自振频率预警阈值，为公铁两用斜拉桥的维护、加固与长期监测提供依据。

1　黄冈公铁两用斜拉桥振动加速度监测系统

黄冈公铁两用斜拉桥主桥结构的孔跨布置为(82.71+243+567+243+82.79)m，全长1 218.5 m，见图1。为了监测黄冈公铁两用斜拉桥主梁的振动加速度响应，分别在主梁1～7监测截面上各安装2个竖向加速度传感器，其中监测截面1，7位于桥梁辅助跨跨中，监测截面2，6位于桥梁边跨跨中，监测截面3，5分别位于桥梁主跨的1/4截面与3/4截面，监测截面4位于桥梁主跨跨中截面。监测截面3测点布置如图2所示，其余截面布置方式相似。振动加速度传感器的采样频率为200 Hz。本文采用这7个监测截面的实测竖向振动加速度数据进行分析。

图1　黄冈公铁两用斜拉桥振动加速度监测截面(单位:m)

图2　监测截面3测点布置

2　主梁竖向振动加速度典型监测结果

采用小波包降噪技术与20 Hz低通数字滤波手段对黄冈公铁两用斜拉桥竖向加速度传感器采集所得的加速度信号进行降噪处理，获取桥梁主梁服役过程中的竖向振动加速度响应。黄冈公铁两用斜拉桥在主梁日常服役过程中，主跨1/4跨(监测截面3)某时段的竖向加速度典型监测结果见图3。从图中可以看出，桥梁在日常服役过程中主梁振动加速度呈明显的非平稳振动特性，这些非平稳振动来自于高速列车荷载和高速公路汽车荷载。虚线圈内的非平稳段信号为列车通过时的主梁加速度响应，实线圈内的非平稳段信号为汽车通过时的主梁加速度响应。进一步提取该日的竖向加速度典型监测结果，见图4。从图中可以看出，振动加速度峰值长期变化曲线呈明显的随机性，振动时程曲线的非平稳段幅值较大，且集中在白天列车运营期间，主要是由列车荷载引起的。

图3　典型时段主梁竖向振动加速度监测结果

图4　典型日主梁竖向振动加速度监测结果

3　基于竖向振动加速度监测数据的动力特性分析

3.1桥梁竖向振动频谱特性长期分析

桥梁结构动力响应的频率响应函数在结构固有频率处达到极值，在仅有输出的结构振动测试中，拾取自功率谱密度图上的峰值可以确定结构的自振频率。通过上一节分析可知黄冈公铁两用斜拉桥的竖向振动响应在每日0:00—4:00受列车荷载与汽车荷载的影响较小，采用峰值法对桥梁结构的实测加速度响应信号进行了模态参数识别［11-13］。

黄冈公铁两用斜拉桥某日0:00—4:00时段主梁的加速度响应自功率谱见图5。通过对黄冈公铁两用斜拉桥主梁的竖向加速度长期分析，得到可以稳定识别大桥主梁竖向振动的4阶固有频率。

图5　主梁竖向振动加速度自功率谱

对黄冈公铁两用斜拉桥2015年1月—9月主梁振动频率进行长期识别和分析。主梁第1阶竖向振动频率至第4阶竖向振动频率日平均值的长期监测结果见图6。从图中可以看出主梁第1阶竖向振动频率至第4阶竖向振动频率主要分布于0.355～0.367 Hz，0.575～0.605 Hz，1.14～1.17 Hz和1.23～1.26 Hz，且随着季度变化呈较明显变化特性。

图6　2015年1月—9月主梁振动频率的长期监测结果

3.2桥梁竖向动力特性-温度相关性分析

由3.1节中的分析结果可知，黄冈公铁两用斜拉桥主梁竖向振动频率具有明显的季度特征。因此，本节进一步对黄冈公铁两用斜拉桥主梁振动频率与环境温度的相关性进行分析。为避免列车荷载与汽车荷载作用时产生的噪声干扰，选取通车量相对较少的时段，即每日0:00—4:00主梁竖向振动加速度监测数据进行分析。通过这些数据得到主梁每日的竖向第1阶至第4阶振动频率值，以及对应的结构平均温度，从而研究主梁竖向振动固有频率与结构温度的相关性。采用最小二乘法对桥梁主梁振动特性与环境温度的相关性进行多项式拟合，如下

式中:fm为实测频率，即通过振动加速度数据得到的主梁竖向振动固有频率;T为环境温度;p0～pn为多项式拟合系数。

黄冈公铁两用斜拉桥2015年1月—9月，主梁的竖向第1阶、第2阶、第3阶和第4阶固有频率与结构温度的相关性散点图见图7。

图7　主梁竖向振动固有频率与温度的相关性散点

主梁竖向前4阶固有频率与环境温度的相关性拟合曲线见表1。

表1　主梁竖向振动固有频率与温度的相关性拟合曲线

从图7与表1中可以看出:黄冈公铁两用斜拉桥主梁的竖向振动固有频率与温度具有明显的线性相关性。

3.3桥梁竖向动力特性预警域值

根据3.2节主梁频率温度相关性分析结果可以发现，黄冈公铁两用斜拉桥主梁振动固有频率与温度有明显的相关性。基于拟合出的桥梁竖向振动固有频率与温度的相关性拟合曲线，根据式(2)对从监测数据中获得的桥梁竖向振动固有频率做归一化处理［14-15］，以消除环境温度对桥梁竖向振动固有频率的影响。

式中:f为温度归一化后的频率;fr为每一阶模态频率的参考频率(一般为理论计算值);ft为由拟合曲线计算所得的模态频率计算值。

同时，可以得到桥梁结构固有频率在排除温度干扰后的变化曲线，并根据式(3)得到桥梁主梁竖向振动固有频率值在长期服役过程中，受到非温度因素影响(如结构损伤、性能退化)的频率残差r。

主梁竖向振动固有频率预警阈值见图8，黄冈公铁两用斜拉桥主梁竖向振动固有频率残差落在一个微小变化范围内，如果桥梁结构的动力性能发生较大变化，则表示桥梁的力学性能发生退化或桥梁结构出现了损伤。基于桥梁结构固有频率残差长期监测，可以设定反应结构动力性能正常变化范围的限值，即结构固有频率的预警阈值。

图8　主梁竖向振动固有频率预警阈值

在黄冈公铁两用斜拉桥的长期服役过程中，如果固有频率残差值超过该预警阈值，这表示桥梁动力性能发生非正常变化，则桥梁结构性能需要进一步关注。

4　结论

1)基于黄冈公铁两用斜拉桥健康监测系统，少量通车时段的竖向振动加速度数据能够稳定识别桥梁主梁前4阶竖向振动固有频率。

2)黄冈公铁两用斜拉桥主梁的竖向动力特性，随着一年中各个季度的变化，存在较明显的变化特性。

3)黄冈公铁两用斜拉桥主梁的竖向振动固有频率与温度具有明显的线性相关性。

4)根据桥梁竖向振动的归一化频率与桥梁监测数据所识别频率的残差，能够有效制定桥梁竖向动力特性预警指标，以用于桥梁服役过程中的振动性能长期监测。

［1］刘杰文，张红心，周明星，等．黄冈公铁两用长江大桥施工关键技术［J］．桥梁建设，2013，43(2):1-9．

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［3］阮怀圣，李龙安，杨光武，等．黄冈公铁两用长江大桥抗震技术研究［J］．桥梁建设，2013，43(6):34-39．

［4］阮怀圣，屈爱平，何友娣，等．大跨度公铁两用钢桁梁斜拉桥结构地震响应特征研究［J］．桥梁建设，2015，45(2):32-38．

［5］许永吉，朱三凡，宗周红．环境温度对桥梁结构动力特性影响的试验研究［J］．地震工程与工程振动，2007(6):119-123．

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(责任审编 郑冰)

Long-term M onitoring and Analysis of Vertical Dynam ic Characteristic of Rail-cum-road Cable-stayed Bridge

ZHAO Hanwei1，DING Youliang1，2，LI Aiqun3，YUE Qing4，WU Laiyi4
(1．Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China;2．Structural Health Monitoring and Control Key Laboratory of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050043 China;3．Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China; 4．China Railway Major Bridge(Nanjing)Bridge and Tunnel Inspect＆Retrofit Co．，Ltd．，Nanjing Jiangsu 210032，China)

Based on the long-term monitoring data(from January to Septem ber 2015)o f girders vertical acceleration on the structure health m onitoring system of the Huanggang rail-cum-road cable-stayed bridge，the longterm spectral performance of bridge vertical vibration was analyzed．T he correlation between the vertical dynamic characteristic of bridge and the environm ental temperature was studied，and the fitting curves of which were presented．The early warning thresholds of bridge vertical dynamic characteristic in serving were given in this paper．The results show that he natural frequencies of vertical vibration at the main girder o f the Huanggang rail-cum-road cable-stayed bridge have significant linear correlation withtem perature．The residual of the norm alized frequency and measured frequency can effectively make a contribution to the early warning indicators of vertical dynamic characteristic of bridge，which can be used for the long-term monitoring of the dynamic characteristic of bridge in service．

Rail-cum-road cable-stayed bridge;Vertical dynamic characteristic;Correlation between dynamic characteristic and temperature;Early w arning threshold

U448．12+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．07

1003-1995(2016)11-0026-05

2016-05-14;

2016-09-24

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB060000);国家自然科学基金(51438002，51578138);河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室开放课题(201502);中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G004-B)

赵瀚玮(1990—)，男，博士研究生。

丁幼亮(1979—)，男，研究员，博士。