淮河特大橋三跨連續鋼桁梁模態試驗及分析

孫超群 同濟大學

1 模態試驗概述

目前，在橋梁上的模態試驗一般有2種，強迫振動試驗和環境振動試驗，然而強迫振動試驗盡管試驗結果可信度高，但是施加激勵花費代價大，而且需要關閉交通，因此大跨度橋梁模態試驗技術一般都是采用了環境激勵的試驗方法。然而它僅能測得環境振動響應的輸出數據，真正的輸入情況是未知的。目前對其模態參數進行識別的方法：一般用較為簡單的頻域識別的峰值法，它對環境隨機載荷特性作了一些假定，簡單、實用、快捷。而模態試驗得到的動力特性參數（自振頻率、阻尼、振型），可以用來確定或者改進結構的計算模型，使其更接近實際結構的受力特性和邊界條件，更進一步，它也可以用來對結構進行安全評估和健康監測。

2 橋梁概況

阜淮線淮河特大橋是一座3×96 m三跨連續公鐵兩用橋梁，桁高12.8 m，節間距為8 m，主桁中心距為10 m；公路橋面寬11 m，兩側各設1.5 m人行道，正橋結構主要采用16 Mnq和相當于16 Mnq的鋼材，主桁桿件采用H型截面。固定支座設于27#墩，其余墩設置活動支座。全橋實景圖如圖1所示。

圖1 淮河特大橋全橋實景圖

3 試驗橋模態測試

3.1 測試理論

脈動測試理論：在被激勵點k的激勵力fk(jw)未知，而僅已知結構上任意點j的位置位移響應xj(jw)的前提下，定義參考點p的位移響應xp(jw)與xj(jw)的比值為響應傳遞率aj(jw)（可直接測得）。根據xj(jw)、xp(jw)以及傳遞函數HJK(jw)的關系，建立aj(jw)與HJK(jw)的近似關系式。

3.2 測試方案

測試方法采用固定參考點移動測試點的模態試驗法（簡稱UINO），它采用具有多通道的采集儀，用分組成批的測量方法，1次測量4點，每點包含豎向和橫橋向拾振器，如圖2所示。參考點設在右片桁架下弦中跨跨中位置，即測點21位置，全橋共設有148個測點，如圖3所示。振動信號采集系統采用941-B型6通道超低頻和DLF-3型兩通道四合一放大器，由中國地震局工程力學研究所生產；動態信號測試分析系統AZ316，南京安正軟件工程有限責任公司生產。橋梁模態參數通過聯合采用互功率譜（PSD）法和峰值拾取法來識別。

圖2 鋼桁梁結構模態試驗測點布置圖

圖3 在節點處安放的測點拾振器

4 結果對比分析

4.1 橋梁的空間有限元模型

對該三跨連續鋼桁梁空間有限元模型的建模中，考慮了公路縱梁和橋面板的受力，使用了梁、殼和質量三種單元。主桁、上下平聯、鐵路、公路縱橫梁及聯結系、楣桿和橋門架用三維梁單元模擬，梁單元的截面特性的計算考慮了填板及焊縫等的影響；公路橋面板用殼單元模擬；主桁各個節點處節點板、填板等的質量用質量單元來模擬。鐵路橋面的質量賦予鐵路橋面系，采用增大材料的密度來實現。未考慮橋梁下部結構的影響。全橋共有2001個節點和4442個單元。各部分屬性依據設計資料和規范取值(見圖4)。

圖4 淮河鐵路特大橋的空間有限元模型

4.2 實測與模型計算結果對比分析

試驗橋自振頻率的部分實測值、計算值比較見表1；圖5為試驗橋前數階振型實測（左）和計算（右）結果。分析表1和圖5可得：(1)理論計算值都小于實測值，說明實際橋梁剛度大，橋梁工作狀態良好。(2)實測值和理論計算值接近，說明計算模型和實際結構受力基本一致，驗證了模態試驗結果的可靠性及有限元模型的合理性。(3)從圖5中可以看出，實測與理論曲線大致相符，但橫向1階和2階振型差別較大，其原因與參考點在該模態下相對振幅小，信噪比較小有關。(4)隨著振型階次的提高，逐漸產生了橫向彎曲和扭轉耦合的振型。

表1 試驗橋固有特性實測值與理論計算值對比

圖5（a） 1階試驗振型和計算振型對比

圖5（b） 2階試驗振型和計算振型對比

圖5（c） 3階試驗振型和計算振型對比

圖5（d） 4階試驗振型和計算振型對比

5 結論

(1)理論計算值都小于實測值，說明橋梁實際剛度大，橋梁工作狀態良好。

(2)試驗橋的自振頻率實空間有限元計算值和測值較接近，誤差在試驗和工程允許范圍內；且相應的振型出現先后順序和形狀吻合良好。不僅說明了利用環境激勵下的脈動測試法可成功進行三跨連續鋼桁梁的模態試驗，同時也證明了建立的有限元計算模型能較好地模擬結構實際的受力與邊界約束條件。

(3)本橋建模時，對桿件截面特性的模擬考慮了焊縫及填板等細節的影響，符合橋梁實際工作狀態。

(4)該橋的振動以一階橫向彎曲為主，隨著振型階次的提高，逐漸產生了橫向彎曲和扭轉耦合的振型。