基于動力性能指標的巴東大橋震后工作狀態評估

李海玉,黃榮華,邱亞芬

(1.湖北省恩施州交通基本建設質量監督站,恩施 44500;2.巴東長江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070)

基于動力性能指標的巴東大橋震后工作狀態評估

李海玉1,黃榮華2,邱亞芬3

(1.湖北省恩施州交通基本建設質量監督站,恩施 44500;2.巴東長江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070)

如今大跨度橋梁的應用越來越廣泛,其結構的健康監測和工作狀態的評估已成為當今土木工程界研究的熱點。近幾年來,隨著振動測試、模態分析、動力識別等技術的不斷發展,為橋梁工作狀態評估提供了可靠依據。該文以2013年12月16號發生過地震的巴東長江公路大橋為研究背景,采用環境隨機激振法,對橋梁進行基于動力性能指標的振動測試,通過計算機進行模態識別技術得到被測結構的動力特性,進而利用動力性能指標對大橋震后的工作狀態進行評估。

大跨度橋梁; 狀態評估; 環境隨機激振法; 動力性能指標

隨著科學技術的進步和工業水平的提高,我國橋梁建設取得了令人矚目的成就。然而我們卻會面臨新的挑戰,即有越來越多的公路橋梁出現耐久性降低和承載力不足等問題。特別是在遭遇自然災害后,橋梁的養護、維修和加固等方面的問題愈發不容忽視。2013年12月16日13時04分,巴東縣東瀼口鎮(北緯31.1 度,東經110.4度)發生4.8級地震,震源深度5 000 m,隨后發生多次余震。受地震作用,巴東長江大橋有明顯結構響應,有必要對震后的橋梁工作狀態進行檢測評定。目前常用于橋梁結構評定方法[5]主要有基于外觀調查評定法、以設計規范為基礎的驗算評定法、荷載試驗評定法、承載能力的精細有限元模擬分析等,而該文則采用了基于動力測試指標的方法,對主跨為388 m的巴東長江公路大橋進行了振動測試,并與震前的振動測試記錄進行對比研究,評估其震后工作狀態。

1 基于動力測試的橋梁結構評定思想

采用基于動力測試的橋梁損傷與評估理論的基本思想[3]在于:結構的物理參數如幾何尺寸、材料特性等的變化必然會導致結構動力特性的改變,因此可以根據結構的實測動力特性來反演結構物理參數的改變。動力檢測因具有測試速度快,對結構不會產生新的損傷,能夠實時檢測,在總體上把握結構的形態等突出優點而經常用于損傷識別。動力識別方法[3]按照有無激振輸入可分為有激振動力識別和無激振動力識別。按照有無基準參照可分為:依據有限元模型動力識別和無有限元模型動力識別。按照動力識別所采用的不同識別方法及特定動力參數可分為:基于模態參數的損傷準則及指標法、結構模型修正法、時域響應法、神經網絡與遺傳算法識別法,以及其他一些方法。此次采用的是環境激振法(脈動法),通過模態識別分析,根據振動測試的結果對結構的性能進行結構性能的評判,為橋梁結構的養護維修提供可靠的依據。

2 基于動力測試的評定方法

2.1 環境激勵機理

橋梁結構的動力特性是其固有的性質,與結構的質量、剛度、阻尼分布及其材料特性有關,動力特性的測試方法[1]有自振法、共振法和脈動法。其中脈動法也稱環境隨機激振法,即結構在環境擾動作用下,例如自然風、地脈動、機器或車輛引起的擾動等,雖然引起結構振動的振幅極為微小,但脈動響應所包含的頻率成分相當豐富,它不需要任何激振設備,又不受結構形式和大小的限制,特別適用于測量結構整體的自振特性,最后通過計算機進行模態識別分析即可得到被測結構的動力特性。

2.2 環境激勵試驗設計

巴東大橋主橋部分采用全漂浮的結構體系,即主梁在索塔位置無豎向支撐,主梁沿縱橋向可以在一定范圍內自由變位,同時為了限制主梁橫橋向的位移,在塔梁交界處設置主梁橫向限位裝置。根據理論分析,其各個主要自振模態的首階頻率較低。該次試驗采用941B超低頻加速度傳感器作為拾振設備,采用DH5922數據采集和分析系統進行數據采集與分析。通過在橋梁適當位置布置測點并采樣,在時域和頻域分析的基礎上得到結構的頻率、振型和阻尼特性。

為了盡可能測出更多階振型參數,可預先估算結構振型,或分析以前的動測試驗結果,以便在結構的敏感點布置拾振器。擬在斜拉橋主梁上兩側布置加速度傳感器,并進行多點多方向的測量,測出對稱豎彎、反對稱豎彎、扭轉的各個振型。具體如下:在橋上的11個擬定測點,各自沿主橋橫橋向、豎向,分3批次進行布設,橋面測點布置如圖1所示,圖中數字表示測點號。測試時,每次采樣時間不少于30 min。將豎向傳感器、水平向傳感器各一個放置于參考點,作為不同批次試驗的參考點且不可移動。詳見圖1。

該次試驗選擇在晚上進行,試驗時溫度恒定,風速小于5 km/h。受環境干擾比較小,即振動獲取的噪聲比較小。按計劃分3批次進行數據采集,每批采集持續時間約為40 min,水平方向的傳感器擺放的朝向為圖1中Y方向。DH5922設置為外輸入數采,采樣頻率100 Hz,傳感器DIP設為2。

2.3 評定規則

橋梁自振頻率變化能夠反映結構整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化,可以分析橋梁結構性能,評價橋梁工作狀況。按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)的評定方法,根據實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi的比值,按表1的規定確定自振頻率評定標度。

3 實驗數據及分析

圖2表示第一批采集時的部分測點的時程。圖3～圖7橫坐標表示時間單位為秒,縱坐標表示振幅。

經采用不測力法分析計算,巴東長江大橋的模態參數如表2所示。

4 結 語

目前,對橋梁結構的工作狀態評估是一個十分活躍且極具潛力的研究領域,人們對其關注度也逐漸提高。該文以巴東長江公路大橋為研究背景,以如何建立動力評估方法為核心,對涉及到的動力性能參數測試、數據的分析處理以及震后工作狀態綜合評定系統等相關問題進行了探討與研究。通過對振動測試的結果進行理論、數值分析,進行了大跨度斜拉橋震前與震后的振型、頻率、阻尼的對比,說明基于動力性能指標對橋梁工作狀態的評估方法是可行的。

[1] 楊雅勛.基于動力測試的橋梁結構損傷識別與綜合評估理論研究[D].西安:長安大學,2008.

[2] 李詠忠.大跨度斜拉橋動力特性分析及主梁損傷識別[D].南昌:南昌大學,2010.

[3] 施 洲.基于動力測試的橋梁結構損傷識別及性能評定理論與應用研究[D].成都:西南交通大學,2003.

[4] 朱勁松,肖汝誠.橋梁損傷識別的實用模型修正方法研究[J].工業建筑,2006(S1),219-224.

[5] 陸燁佳.斜拉橋結構運營期狀態評級與安全評定方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012.

[6] 閏桂榮,段忠東,鷗進萍.基于結構振動信息的損傷識別研究綜述[J].地震工程與工程振動,2007(3):95-103.

[7] 萬 洪,胡春林.地震荷載作用下巖質邊坡穩定性分析[J].建材世界,2009(3):106-109.

Seismic Condition Assessment of Badong Yangtze River Bridge Based on the Dynamic Index

LI Hɑi-yu1,HUAGN Rong-huɑ2,QIU Yɑ-fen3
(1.Supervising Station of Transport Infrastructure in Enshi Prefecture of Hubei Province,Enshi 445000,China; 2.Badong Yangtze River Bridge Authority,Badong 443000,China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Nowadays,with the application of long-span bridges is becoming more and more widely,the study of structural health monitoring and condition assessment of bridges has become hot issues in civil engineering.In recent years,along with the continuous development of the technologies such as vibration test,modal analysis,dynamic identification and so on provide a reliable basis for the bridge condition evaluation.The paper takes the Badong Yangtze River Bridge which had earthquaked on December 16,2013 as the reach background.We use the environmental random excitation method of the bridge,having a vibration test based on dynamic performance index and getting structures'dynamic characteristics through computers with modal identification technology.Then we can evaluate the seismic working state of the bridge in the use of dynamic performance index.

long-span bridge; condition assessment; environmental random excitation method; dynamic performance index

2014-05-09.

李海玉(1987-),工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.023