某大跨径斜拉桥自振特性研究

柳江涛，杨光哲

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112)

自斜拉桥出现以来，在设计理论、施工材料、机械及施工方法等方面都有了很大的发展。斜拉桥的这些改进和发展，与斜拉桥的试验检测密不可分。斜拉桥试验检测对于推动和发展其结构设计计算理论，解决工程实践中出现的难题具有积极的重要作用。大桥自振特性试验是大跨径桥梁动载试验检测的主要试验内容之一，主要测试桥梁各阶振动形式、固有自振频率及阻尼值。桥梁的自有振动特性与桥梁结构的本身刚度，结构质量及其分布有关，它是反映桥梁结构整体振动状况的量。通过对桥梁整体结构自有振动特性的测试，可以从整体上把握桥梁结构的运营状况。例如，在桥梁正常运营过程中，如果经测试发现桥梁结构的整体振动频率降低，则反映桥梁结构的整体刚度变小，桥梁结构某部位可能存在损伤。另外如果桥梁某一阶的振动频率变化不大，但其发现局部振动形式发生变化，这表明桥梁可能有局部损伤并导致局部刚度退化。大跨径斜拉桥的振动特性较一般常规桥型更为复杂，因此对此类桥型的的振动特性开展分析研究具有重要的意义。

1 工程概况

某大桥主桥全长756 m，桥梁为双塔双索面组合梁斜拉桥。大桥主桥跨径布置为60.8 m+117.2 m+400 m+117.2 m+60.8 m，边跨设置辅助墩，桥梁主桥支撑系统采用半漂浮体系，桥梁设计荷载：公路-I级。

桥梁主梁采用双边“工”字型边主梁结合桥面板的整体断面，两边主梁横向中心距为34.5 m，全宽36.5 m，梁高3.6 m(主梁中心线处)，其中边主梁中心线梁高2.7 m。主塔采用H型索塔，塔高167.5 m，下，中，上塔柱均采用钢筋混凝土结构，主塔两侧各布置17对斜拉索，整座桥上共有68对136根索。桥梁示意图如图1所示。

图1 主桥平面布置图(单位：m)

2 计算模型

斜拉桥结构体系比较复杂，桥梁结构动力特性分析一般包括桥梁的竖向、横向及扭转几个方面的特征分析，因此必须利用空间有限元分析程序来进行分析，本桥利用桥梁结构分析专用软件Midas/Civil对桥梁进行结构计算分析，将桥梁各个构件离散不同受力特性的单元，通过不同的边界条件进行约束连接，在动力特性分析时将自重及二期荷载均转换为质量。桥梁主塔及主梁结构均采用梁单元模拟，本桥共计离散为833个梁单元；斜拉索采用桁架单元模拟，本桥共计离散为136个桁架单元；斜拉索与主塔，主塔与主梁，主梁与小纵梁间采用刚性连接，斜拉索与主梁采用共节点建立连接，主塔塔底采用固结，全部约束。

图2 桥梁有限元模型

图3 桥梁结构离散图

3 测试方法及仪器

3.1 试验方法

对于大跨径桥梁结构，主要采用脉动法(环境随机振动法)测试其动力特性参数。桥梁结构动力特性参数主要由结构本身的具体形式、所用材料的性能等结构所具有的固有特性所决定的，与外界荷载无关。脉动法用于在没有任何激励设备或装置的情况下测量桥梁结构的动态特性，仅使用环境随机振动源作为激发源，采用高灵敏度振动测试仪器与高分辨率分析设备分析桥梁结构的固有自振频率、阻尼比和振动形式。具体的测量过程如图4所示。

3.2 试验仪器

测试仪器由信号采集系统及传感器组成，计算机通过无线传输控制多台采集仪进行在线测量，其中信号采集采用INV3062型24位分布式采集仪，测试传感器采用941B型超低频测振仪。具体仪器的连接方式见图5所示。

图5 采集仪网络连接示意图

3.3 测点布置

桥梁测试点的布置应根据桥梁结构的振动特性进行布设，并且测量点应布设在位移大的位置，同时各阶振型的节点要被尽可能避免。为了减少测试工作的量，要尽量利用结构的对称性。本桥在桥梁两侧的主梁顶面布置测振仪，测点纵向布置具体情况见图6所示。

图6 脉动试验传感器布置示意图(单位：m)

4 分析原理及方法

4.1 动力性能试验分析方法

(1)功率谱分析：功率谱分析是随机信号处理的第一步，也称为信号一次处理；(2)确定频率、阻尼：由功率谱可直接读取频率，频率的确定是信号二次处理所必须的工作。通过功率谱分析还可以计算阻尼比；(3)相位分析：信号的二次分析，由相位函数进行相位分析；(4)振型确定：通过自功率谱的峰值和互功率谱的相位，就能够获得振型曲线。

4.2 试验结果评定

通过动力性能测试，比较桥梁结构自振频率的理论计算值与实际测试值，以及理论振型与实测振型的符合情况，如实际测试值大于理论计算值，则说明桥梁结构的实际刚度较大，如实测振型与理论振型差异较大，应对桥梁结构的实际状况进行分析。

5 测试结果及分析

5.1 理论振型与实测振型对比

由于斜拉桥竖向及横向刚度均不同，各阶振动形式的布置顺序可能会改变。对应的，斜拉桥不同振型测试点的布置也更复杂，要全面反映桥梁的振动特性，要综合考虑各测点测试仪器的布置方向。本桥部分理论振型与实测振型如图7～图14所示。

图7 理论一阶竖向正对称振型(频率为0.356 Hz)

图8 实测一阶竖向正对称振型(频率为0.366 Hz)

图9 理论五阶竖向正对称振型(频率为0.902 Hz)

图10 实测五阶竖向正对称振型(频率为0.968 Hz)

图11 理论一阶扭转振型(频率为0.575 Hz)

图12 实测一阶扭转振型(频率为0.586 Hz)

图13 理论一阶横向振型(频率为0.574 Hz)

图14 实测一阶横向振型(频率为0.549 Hz)

5.2 自振频率

桥梁的自振频率实测值与理论计算值如表1所示。

表1 桥梁自振特性实测值与理论计算值对比表

6 结 论

(1)通过以上分析可以看出，斜拉桥的振动形式比较复杂，横向一阶振动介于竖向2阶及扭转1阶之间，而扭转的前两阶介于横向1阶及及竖向4阶之间，中间还竖向3阶的振动；桥梁的竖向、横向及扭转频率均较小，说明斜拉桥有别于一般传统桥型，桥梁刚度较小，属于柔性结构，另外桥梁各阶之间的差值较小，说明结构易与其他动荷载引起共振，应加强桥梁的防共振工作；

(2)桥梁竖向振动一阶频率实际测试值比理论计算值高2.8%，扭转一阶频率实际测试值比理论计算值高1.9%，并且横向振动频率比理论计算值低4.4%，实测一阶扭转频率与实测一阶竖向弯曲频率的比值为1.601，这有利于提高大桥的颤振临界风速、同时增加桥梁抗风的稳定性，大桥实际测试频率与理论计算值基本一致；

(3)桥梁竖向第一阶固有振动频率实测值为0.366 Hz，桥梁固有振动振型阶次与理论计算结果一致，实际测试频率高于理论计算值，说明结构刚度整体较大，满足设计及规范要求；由于桥梁固有振动频率是桥梁结构的固有特性，反映结构的整体刚度，因此该特征参数可作为今后桥梁运营养护的一个参考指标。