基于动载试验模态柔度分析法在大跨连续梁桥状态评估中应用

苏交科集团股份有限公司 / 杨超

引言

全桥承载能力相对可靠评估方法目前主要有传统的静载试验方法，在桥梁中断交通情况下，对桥梁进行加载试验，测量与桥梁结构性能相关的静力参数，如变形挠度、应变、裂缝等，通过分析这些参数，可直接判定桥梁结构的静承载力。

本文根据一种用于OMA的频域空间域分解法，将动载试验与模态柔度方法相结合，在不通车条件下落锤模态试验或跑车激励试验，可以在无需进行有限元建模直接得到较为精确的模态比例因子，获得桥梁结构的模态柔度矩阵，从而可以仅用对交通干扰很小的动载试验就可用实测动力特性参数直接推算得到在静载试验各工况下的结构控制点挠度，从而大大简化了该方法后期分析的难度；项目还将研究采用简单工程有限元模型，并结合模型修正技术，通过运行状态模态分析技术，求取桥梁结构静柔度的方法。

1 工程实例分析

北澄子河大桥主桥上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，主桥箱梁0号块位置处横隔梁厚度为2.5m，边跨端部处的横隔梁厚度为1.8m。箱梁在底板横桥向保持水平，顶板有2%的横坡，并通过左右侧腹板来调整横坡。

在桥址附近，无规则振源的情况下，通过动力测试采集系统，测定桥址处地脉动随机荷载激振而引起桥梁结构的振动响应，测得结构的振动频率、振型等动力学特征。为了保证测试安全，北澄子河大桥的模态测试在封闭交通的单幅桥面上进行，其激励主要来自于地脉动。由于对面的另一幅桥面处于正常通车状态，因此激励能量良好。测试中共设置了34个测点，布置于桥面两侧，使用13个单向加速度传感器，采用16通道动态信号分析仪分三批进行数据采集，其中还设置了两个参考测点（见图1）。同时为了确保测试的准确，通过建立有限元仿真模型来与模态实测值进行对比，对比表见表1。

图1 北澄子河大桥振动测点布置图

表1 北澄子河大桥模态实测值与理论计算值对比表

2 模态挠度计算

利用北澄子河大桥的有限元模型，对实验模态振型质量归一化，按如下两种方法计算静载试验荷载作用下二个截面的试验模态挠度或静力分析挠度，与其静挠度实测值比较，说明采用动载试验模态柔度分析法应用于桥梁结构状态评估的可行性和有效性。利用有限元模型对实验模态振型质量归一化，通过计算两辆重载车加载作用三个荷载工况下二个截面的试验模态挠度和静力分析挠度，与其静挠度实测值比较，结果如表2所示，其中各挠度值的单位为mm，误差为相对误差。

表2 有限元模型的试验模态挠度和静力分析挠度与静挠度实测值的比较

图2 跨中加载状态下各个测点挠度实测值

图3 跨中加载状态下有限元模拟挠度实测值

在北澄子河大桥修正后有限元模型中进行跨中加载，得到跨中有限元模型计算值。从表2中可见，主跨跨中截面、边跨跨中截面静力实测值和模态分析值已相当接近，误差小于10%，这对大跨度连续梁桥梁结构来说是完全可以接受范围。

3 结语

本文研究了从识别的复模态中提取实模态、以及基于简单工程有限元模型实现振型归一和模态挠度计算等关键技术。针对江苏省扬州市省道S237北澄子河大桥，利用有限元通用分析软件，建立了工程有限元模型，并基于试验结果进行了模型修正。利用修正后的有限元模型求得了模态比例因子，并估算了特定载荷下的挠度，得到良好结果。