大跨度斜拉橋動(dòng)力特性實(shí)測(cè)
2018-05-07
0引言
斜拉橋由于其跨越能力大、結(jié)構(gòu)新穎高效而成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一【1】，特別是在跨江跨海大橋這面優(yōu)勢(shì)更加巨大。隨著科技的發(fā)展，從近年來(lái)所建的斜拉橋來(lái)看，斜拉橋的建造正在向著跨度越來(lái)越大，主梁越來(lái)越輕柔方向發(fā)展。斜拉橋跨度增大，主梁輕柔導(dǎo)致其剛度變小，對(duì)橋梁在車輛荷載、風(fēng)荷載和地震荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)尤為敏感，嚴(yán)重的會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。因而有必要對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行研究，為其抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考，是一項(xiàng)很有意義的工作【2】。
1 工程概括
某跨海大橋主橋?yàn)橹骺?80m的五跨連續(xù)半漂浮體系雙塔雙索面斜拉橋，其跨徑布置為95+230+780+230+95=1430m。索塔采用鉆石型，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、和下橫梁，塔柱采用空心箱型斷面，采用C50混凝土，塔柱頂高程230.70m。主橋斜拉橋鋼箱梁含風(fēng)嘴全寬38m，不含風(fēng)嘴寬34.108m，中心線高度3.5m。主橋斜拉索采用1670 MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共25×4×2=200根斜拉索。
2 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介
為了分析大橋的動(dòng)力特性，本次實(shí)測(cè)選取了4個(gè)加速度傳感器。分別測(cè)量大橋的豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)，加速度傳感器布置在跨中截面，傳感器布置位置如圖1。由于此次沒(méi)有布置扭轉(zhuǎn)加速度傳感器，故扭轉(zhuǎn)加速度信號(hào)則由這兩個(gè)豎向加速度信號(hào)的差值除以其橫向間距28m。加速度傳感器采用北戴河蘭德科技的BC00-19超低頻振動(dòng)傳感器，其最低采樣頻率為0.1HZ；采集模塊采用的是美國(guó)恩艾公司的NI-9234，其具有抗混疊濾波強(qiáng)、精度高等、4通道同步采集等特點(diǎn)。另外，采用美國(guó)NI公司的LabviewSignlaExpress信號(hào)采集系統(tǒng)。測(cè)試圖框如圖2
圖1傳感器布置
圖2 NI動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)儀器連接
3 動(dòng)力特性分析
在此次加速度實(shí)測(cè)過(guò)程中，外在環(huán)境為：最小風(fēng)速為6.1m/s，最大風(fēng)速為10.8m/s，平均風(fēng)速為10.5m/s，環(huán)境溫度為28.2。加速度信號(hào)的采樣頻率為2000Hz，采集時(shí)間為18分鐘。
3.1 自振頻率的計(jì)算
進(jìn)行頻譜分析時(shí)可采用隨機(jī)子空間法（SSI）或多參考最小二乘復(fù)頻域法（Polymax）等，這里采用隨機(jī)子空間法。一般來(lái)說(shuō)大跨度斜拉橋自振頻率較低，通過(guò)有限元分析可知其前12階固有模態(tài)頻率范圍為0.072Hz-0.523Hz，而傳感器的測(cè)量范圍為0.1Hz-100Hz，為了獲得一個(gè)合理的實(shí)測(cè)結(jié)果，在此分析自振頻率時(shí)頻帶范圍為0Hz-2Hz。通過(guò)分析可得主梁前幾階頻率分別為0.1807 Hz、0.2051 Hz、0.2393 Hz、0.3662 Hz。通過(guò)與有限元計(jì)算出的結(jié)果相比較得出與其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)類型見(jiàn)表1。
3.2 阻尼比的計(jì)算
橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼是確定橋梁振動(dòng)的重要參數(shù)之一，阻尼消耗能量，使振動(dòng)衰減，對(duì)橋梁安全是有利的【3】。由于直接根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的大小以及所用材料的阻尼特性來(lái)計(jì)算阻尼矩陣的系數(shù)是不切實(shí)際的。因此通常用振型阻尼比的數(shù)值確定阻尼【4】。橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比可以根據(jù)跳車激振試驗(yàn)或行車試驗(yàn)測(cè)記的測(cè)點(diǎn)余振相應(yīng)信號(hào)（振動(dòng)衰減曲線），也可以根據(jù)頻譜分析得出的測(cè)點(diǎn)自功率譜圖，用半功率點(diǎn)帶寬法按下式計(jì)算：
式中， ——第i階自振頻率相應(yīng)的半功率點(diǎn)帶寬，即0.707倍功率譜峰值所對(duì)應(yīng)的頻率差；
—第i階自振頻率。
通過(guò)此方法可得此橋的前幾階模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻尼比為0.046、0.03、0.019、0.005。
通過(guò)有限元軟件分析計(jì)算可得出其前12階自振頻率，見(jiàn)表1
表1 振動(dòng)固有頻率和模態(tài)阻尼比
注：表中“/”表示在實(shí)測(cè)中沒(méi)有識(shí)別出的模態(tài)，有些模態(tài)頻率過(guò)于接近，或者加速度傳感器過(guò)于接近模態(tài)振型的駐點(diǎn)而使測(cè)試信號(hào)太弱，使得一些模態(tài)的阻尼比沒(méi)有識(shí)別出來(lái)。
4 結(jié)論
通過(guò)實(shí)測(cè)和有限元軟件分析發(fā)現(xiàn)其豎向振動(dòng)頻率和橫向振動(dòng)頻率都較低，模態(tài)相對(duì)密集，在第2階出現(xiàn)主梁側(cè)彎。
通過(guò)有限元分析和實(shí)測(cè)可知，前5階未出現(xiàn)主梁扭轉(zhuǎn)，主梁扭轉(zhuǎn)具體出現(xiàn)在哪階有待進(jìn)一步研究。
從總體來(lái)看，有限元軟件計(jì)算得出的自振頻率與實(shí)測(cè)得到的自振頻率這兩者相差較小，都在6.5%以內(nèi)。
實(shí)測(cè)各階模態(tài)阻尼比相差比較大，最大值出現(xiàn)在主梁橫彎為0.046，而最小值出現(xiàn)在主梁二階對(duì)稱豎彎為0.005。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉士林. 侯金龍.斜拉橋.北京：人民交通出版社，2002.8.
[2]嚴(yán)國(guó)敏. 現(xiàn)代斜拉橋.成都:西南交通大學(xué)出版社，1996.7.
[3]李國(guó)豪. 橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng).北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.
[4]謝禮立. 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué).北京：高等教育出版社，2005.
作者簡(jiǎn)介：黃正輝（1988-），碩士研究生，研究方向：橋梁抗風(fēng)
