弯型钢箱梁动载实验模态分析

(五邑大学 广东 江门 529020)

弯型钢箱梁动载实验模态分析

付前龙

(五邑大学广东江门529020)

振动对于桥梁工程来说是一种常见现象，通过对广佛江快速通道某段辅道工程段进行了动力测试[1]，得出其振动模态参数[2]。然后，在实验所得的结果数据中，选取最具有分析价值的模态，画出振型图并分析在结构振动中占主导作用的模态，试验结果可以识别弯桥钢箱梁结构振动频率密集分布于低频范围内，以保证结构的可靠性。

连续钢箱梁；振动；动载实验；模态分析

一、引言

随着社会的日益发展，人们对交通出行的便捷越来越高，在车辆密集度高的城市中心区域和道路交通复杂连接处，常常会设置高架桥作为衔接，以实现车辆的分流，提高通勤效率。而且，大型结构桥梁的破坏大多都是由于振动引起的。每年国内外结构在设计使用年限内由于振动而发生的严重事故的例子也是屡见不鲜的。

二、工程概况

广佛江快速通道某段辅道工程(西环路隧道—五邑路)段辅道位于主线第二标段的两侧，路线走向与广佛江快速通道江门段(第二标段)主线相同。辅道全长约19.3km(左、右侧辅道合计)。本段施工图范围为龙湾路—五邑路段(主线桩号范围：K27+100—K28+710)段，左、右两侧辅道合计全长约3.22km(另含1个五邑路直连式部分互通立交的匝道和被交路工程)。

该论文主要论述钢箱梁主桥45m+70m+45m部分。本文主要通过试验分析高架桥的振动模态来评价弯型钢箱梁结构系统的动态特性—模态振型。来判断结构的动态特性是否符合要求。

三、模态分析原理

模态分析是了解结构动力特性并以此分析结构动力响应的基础。其基本思想是将结构振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，解耦方程组，将其变换为一组以模态坐标为模态参数描述的独立方程，以此得出系统的动力参数。

为了保证已建桥梁正常使用时的安全性和可靠性，对既有桥梁结构的监测与评价越来越引起国内外学者的重视。在车辆动荷载和个别情况下风力和地震地面运动作用下。桥梁结构产生的振动会增大按静力计算内力，可能引起结构局部疲劳损伤或形成影响桥面行人的舒适与安全的振动变形和加速度，甚至使桥梁完全破坏。

四、振动模态试验监测步骤

一般地，桥梁模态分析过程大致可分为测试系统建立、响应数据采集、模态参数估计和模态模型验证这四个步骤。

测试系统建立是模态分析前期准备过程，主要包括桥梁结构的理论模型建立及分析计算，模态试验方案的确定(包括试验激振方式的确定、传感器以及数据采集分析仪器的选择等)，测试系统的安装、调试及校准。

(一)试验仪器选取

试验现场我们所使用的振动模态测试设备主要是由拾振器、采集器、信号放大器和电脑组成。本次工程采用的是环境随机振动法。拾振仪采用国家地震局工程力学研究所研制生产891-Ⅱ速度型传感器，放大装置采用与之匹配的891-Ⅱ放大器，数据采集系统使用东方所INV数据采集分析仪。拾振器型号选择、放大器参数设定和数据处理软件的设置是试验仪器组装的重要环节，会直接关系到测试数据成功与否。

(二)试验方案

本次试验采用的是载重30t的泥土车，分别以10km/h；20km/h；30km/h；40km/h来回驶过弯型钢箱梁立交，以及跳车，刹车来激励出模态振动。跨中钢箱梁的设计为主桥45m+70m+45m。测点的布置为高架桥弯型钢箱梁边跨45m的三等分点处和跨中75m的四等分点处。沿桥梁的横向在各测试断面上均布布置1个测点。每个测试点均放置一个竖向振动型压电式传感器，以测量桥梁的振动响应数据。

五、振动模态实例分析

(一)模态试验测试数据分析

利用试验设备测试到该45+70+45m弯型钢箱梁主梁结构的前三阶振型值，见下表1。

表1 模态试验结果

(二)模态试验结果分析

试验数据采集完成之后，利用Midas/Civil模态分析软件进行模态参数的估计，辨别以及模态模型验证。经过分析计算，我们可以得到，该弯型钢箱梁的一阶振型是以两侧桥台和主跨跨中为基点，主跨L/4和3L/4处为顶点的类正弦曲线状的变形；二阶振型是以两侧桥墩为基点，主跨跨中处为顶点的类悬链线曲线状的变形；三阶振型是以两侧桥墩和主跨跨中处为基点，两侧主拱圈与桥面相交处为顶点的两条类悬链线状的变形。

根据各阶振型图

图2 一阶振型图

图3 二阶振型图

可以分析可得出，该桥主跨的L/4、跨中以及3L/4处的振动变形相对较大，因此，在运营阶段需要在相应断面处布置控制点。

六、小结

本文采用的是频域分解法识别桥梁的模态参数，进而实现对桥梁运行状态的评定。该方法只需测出桥梁在环境激励下(包括地脉动、风荷载和车辆激励)的功率谱响应函数，在此基础上进行奇异值分解，可以识别出桥梁的模态参数。试验证明该方法能很有效的用于桥梁承载力和使用状况评估。

[1]余天庆，王邦楣.工程材料与桥梁结构的力学性能测试[M].北京：国防工业出版社，1997.

[2]邓炎，严普强.桥梁结构损伤的振动模态检测[J].振动，测试与诊断，1999,19(3)：157—163.

[3]L Fryba.M Pirner.Load test and modal analysis of bridges[J].Engineering Structures.2001.23(1):102—109.

付前龙(1991.04-)，男，汉，湖北荆州人，在职研究生，五邑大学土木建筑学院，研究方向钢结构。