基于监测的跨海索桥动态特性受环境影响分析

苗祥泰，孙宗光，赵洪伟

(大连海事大学道路与桥梁研究所，辽宁 大连 116023)

桥梁结构的动态特性代表了结构的固有特性，是宏观评价桥梁结构整体刚度、运营性能和健康状态的重要指标。由于环境与运营条件的变化，桥梁结构动态特性具有一定的时变特征，当基于动态特性对桥梁结构进行评价时，必须要了解、掌握甚至量化这种变异特征，以便将动力特性的正常变化与结构损伤等导致的异常变化区分开来。随着桥梁长期监测技术的应用和发展，桥梁结构在环境因素影响下动态特性的变异性引起学者的关注。Peerters等[1]对一小型混凝土箱梁桥在人工损伤试验之前进行了监测，通过将新的监测数据与模型比较，得到除温度之外结构损伤也导致固有频率的变化。张启伟等[2]基于徐浦大桥连续24 h的环境振动监测数据，研究了斜拉桥在正常运营条件下动力特性的变化。付光来[3]以新沂河大桥第九联连续梁桥为研究对象，论述了温度、车辆荷载等环境因素对结构模态频率影响的机理。对于大跨度桥梁台风会诱发结构的非稳态响应[4]，Fujino等[5]就风速对Hakucho悬索桥基本模态特性的影响进行研究，表明第一阶竖向弯曲模态的固有频率随着风速的增加而明显降低。对大跨度矮塔斜拉桥的研究[6]表明，温度主要通过改变混凝土材料的弹性模量从而对桥梁的动力特性产生影响。车辆和温度对桥梁的动力特性影响研究[7]表明，温度和车辆以及其它因素都对桥梁动力特性产生影响。海洋环境呈现一定的特殊性，选择三座特殊类型的跨海索桥，分别为稀索斜拉桥、独柱式三塔斜拉桥、独柱式单塔自锚悬索桥，基于实际运营条件下的监测数据对全年不同季节的温度影响和强风环境下振动频率的变异性进行了分析。

1 温度对频率的影响

1.1 温度对模态频率的影响机理分析

环境温度是长期影响结构动力特性的一个主要环境因素。胡涛[8]研究了环境温度对上承式钢管混凝土拱桥自振特性的影响，指出环境温度对桥梁结构自振频率的影响是由材料的温变特性、结构几何尺寸的温变特性、结构初始温度内力、支座刚度的温变特性、结构边界类型的温变特性共同作用的结果。

Xia，Y[9]等所做研究表明，在桥梁的边界条件、约束不发生变化的前提下，几何尺寸的改变对模态频率的影响与弹性模量改变带来的变化相比非常小。假设弹性模量随温度的变化为[10]

E1=E0+β(T1-T0)=E0+βθ

(1)

式中：θ=T1-T0=ΔT；β为弹性模量随单位温度的变化幅度。在环境温度作用下，结构会产生一定的膨胀和收缩效应

L1=L0(1+αθ)

(2)

在θ≤100 ℃，对于混凝土材料可取β=-4.5×10-3E0，而对于钢材取β=-1.8×10-4E0。同时取混凝土材料的α=1.0×10-5，钢材的α=1.1×10-5。

文献[11]以简支梁为例，分析了频率随着温度变化规律。对于给定的某阶频率，ω和θ具有近似直线关系，可以采用线性回归分析。

1.2 胶州湾全年温度的统计特征

这里有关温度对跨海索桥模态频率的影响，将基于胶州湾跨海大桥的两座索桥加以讨论。图1(a)所示为连续一年的胶州湾跨海大桥桥面气温时程记录，其概率分布如图1(b)所示。

图1 桥址年气温监测值

f(x)=γf1(x)+(1-γ)f2(x)

(3)

(4)

(5)

采用上述概率密度模型，对温度的概率分布进行拟合，并且采用显著性水平。

α=0.1的皮尔逊-检验，得到的拟合参数如表1所列。呈现了海洋环境下总体温差较小，温度变化和缓的特征。

表1 四年气温概率密度拟合参数

1.3 稀索斜拉桥

桥梁结构振动特性的变异性主要与环境条件和交通荷载的变化有关，其中温度是影响桥梁动态特性的最重要因素，尤其是对于中、小跨径桥梁。温度变化可能会影响结构的边界条件和材料属性。根据实际测量的结果已经证实，通常情况下随着温度的升高，桥梁的固有频率会随之下降。

图2 沧口斜拉桥同一传感器不同季节加速度频谱的比较

通常情况下，随着桥梁跨度的增大，频率对温度的敏感性会降低。胶州湾跨海大桥沧口斜拉桥为一座钢箱梁稀索斜拉桥。主梁跨中竖向加速度在不同季节的FFT谱比较如图2所示。可见，和低温时段相比，高温时段的加速度谱明显向低频方向移动，其中部分频段较为显著。

基于该加速度传感器在年周期内进行若干次频率识别，图3所示为识别的几个频率与气温之间的关系。不同频率对温度的敏感性是不同的，频率的年变化范围在3%～5%以内。

图3 沧口斜拉桥的几个频率与气温的关系

表2 沧口斜拉桥监测系统识别的自振频率与温度关系

1.4 单塔自锚悬索桥

胶州湾跨海大桥大沽河桥为独柱式单塔自锚式悬索桥。图4为主梁跨中竖向加速度在不同季节的FFT谱比较，图5所示为识别的几个频率与气温之间的关系。

图4 大沽河悬索桥同一传感器不同季节加速度频谱的比较

图5 大沽河悬索桥几个频率与气温的关系

表3 大沽河桥监测系统识别的自振频率与温度关系

温度对低阶频率影响较小，频率对温度的敏感性随着频率阶次的升高而增大，并呈现显著的线性负相关。

2 强风对频率的影响

香港汀九桥为三塔四跨单层桥面跨海斜拉桥，跨径布置为127 m+448 m+475 m+127 m。由模态分析和试验测试得到的前4个竖向弯曲模态频率如表4所列[11]。在台风York(1999年9月16日)影响下，桥址最大风速接近40 m/s。由监测系统记录的桥面水平风速15 min平均值如图6所示。采用桥面一点竖向加速度数据分析，0∶ 00、9∶ 00、13∶ 00的加速度频谱如图7所示。从中可见，上述两阶竖弯模态频率在三个时段存在显著差异。从三个时段的风速和温度影响综合相关分析，可以看出这种差异主要来自风速。

表4 汀九桥前4阶竖向弯曲模态频率

图6 台风“York”15 min平均风速

图7 台风期间不同时段的加速度谱

图8 台风期间频率与风速的关系

为考察台风期间汀九桥频率受风速的影响情况，对多个时段的加速度数据进行了分析，上述第1和第4两阶频率与对应时段的平均风速之间的关系如图8所示。可见，平均风速和频率之间的关系存在较大的离散性，但是随着平均风速的增大，频率总体上呈下降趋势。就本例分析而言，当平均风速从10 m/s增大到35 m/s时，第1阶竖弯模态频率平均下降约6%，第4阶平均下降约4%。

3 结 论

温度对低阶频率影响较小，频率对温度的敏感性随着频率阶次的升高而增大，并呈现显著的线性负相关。平均风速和频率之间的关系存在较大的离散性， 但是随着平均风速的增大， 频率总体上呈下降趋势。就斜拉桥实例分析表明，当平均风速从10 m/s增大到35 m/s时，第1阶竖弯模态频率平均下降约6%，第4阶平均下降约4%。桥梁结构的动态特性是宏观评价桥梁结构整体刚度、运营性能和健康状态的重要“指纹”。这一变异性是运营中桥梁的正常行为，在基于结构动力指纹分析评价结构状态时必须给予充分考虑。