微動測試技術在古建筑拱橋結構檢測中的應用①

范巖旻， 車愛蘭， 陳 峰， 曹永康

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

微動測試技術在古建筑拱橋結構檢測中的應用①

范巖旻， 車愛蘭， 陳 峰， 曹永康

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

在古橋梁建筑結構保護中，無損高精度檢測一直是一個重要的研究課題。為識別古橋梁拱橋的結構損傷問題，以上海青浦迎祥橋為研究對象，采用全站儀對橋梁結構的變形進行觀測及分析，評價橋梁的變形及受力狀態；采用微動測試技術，獲取結構的損傷動力特性參數，包括固有頻率及振動模態。通過分析現有橋梁的模態分布，觀測振動模態的突變位置確定結構損傷位置，比較結構的變形特性，對結構的損傷程度進行評價。

古建筑拱橋； 損傷識別； 微動測試； 固有模態

0 引言

中國地域廣闊，河道縱橫交錯，在歷史的長河中，中華民族建造了數以萬計的橋梁，其結構多樣，材質豐富。古橋梁歷經百年風雨，在長期諸多載荷的作用、自然的風化作用以及其他人為、自然突發性外力的作用下，面臨著損傷和損傷積累問題[1]。這些損傷的積累有可能導致結構的使用性能降低或發生結構破壞。為保證古橋梁結構的安全，需要建立既不會對結構本身產生不良影響又方便快捷的檢測和識別結構損傷的方法，以便盡早地探測結構損傷的出現、發生損傷的位置及程度，對結構進行實時修復，避免災難性事故的發生。

中國古橋梁大多為石材、木材及磚砌及其混合結構，橋梁在承重的同時也受到水流的作用以及水質的侵蝕。在經受了各種地震等自然災害和船撞擊等人為損壞的情況下，結構的損傷形態非常復雜，不僅表現在外部材料破損，結構變形，結構內部也存在損傷。目前傳統的橋梁檢測手段如鉆孔取芯、內部應變檢測等，基于文物保護的原則，在古橋梁檢測中存在局限性[2]；而其他的無損檢測方法如超聲波、射線檢測法等由于多數古橋梁結構以及損傷形態復雜，檢查的結構部位難以接近[3]。另外由于原始資料的缺失，無法進行原始設計數據和實際情況的對比，很難有效地對結構內部損傷進行定位和定性。

微動測試不需要人為施加震源，其擾動來源是大地深處的微小震動，對結構本身幾乎無影響；另外微動測試設備輕巧、操作簡單，便于在大型復雜結構中應用[4]。通過一定的分析手段可以良好地推斷建筑結構的振動特性(特征值、阻尼系數及振動模態等)[5]。本文通過微動觀測和傳統結構測量相結合的方法，對古橋進行結構損傷評價。

1 基于結構動力特性的損傷識別方法

結構損傷即結構的剛度或質量的損傷，會導致結構的動態特性，如固有頻率、固有模態和阻尼等發生變化[6]。一般來說，結構損傷的存在會使結構整體固有頻率降低，模態阻尼比升高，因此通過固有頻率、阻尼比和模態振型的變化可以判斷結構損傷[7]。結構固有頻率反映結構整體性能，但不太適合反映結構局部損傷反映。相對結構固有頻率而言，結構的固有振型包含更多的損傷信息，特別是對結構損傷能夠更加準確地定位[8]。利用結構振型的變化對結構損傷進行識別易于對結構損傷定位，但也存在測量的振型不完整和測量誤差較大，損傷程度的定量評價等問題[9]。

古橋梁建筑大多為石材或木材，其承壓結構內部多有裂縫，損傷情況較為復雜，并且古橋梁結構原始資料缺失，部分進行過局部修復，結構參數不明確。這些都給結構損傷定位定量帶來了很大的困難。本文采用微動測試的方法，對古橋梁結構進行損傷評價，具體分析步驟如下：

(1) 根據橋梁結構的特點，盡可能全面布設檢測點。對于簡支梁結構，布設于主要承重構件處。通過微動測試，獲得結構的固有頻率及固有模態。

(2) 采用全站儀等測量設備對橋梁結構進行變形觀測，獲得變形參數。根據橋梁結構特點進行變形及受力特性分析。

(3) 根據各觀測點的模態分布，評價響應突變位置，對損傷進行定位。

(4) 由于結構的自振頻率和振型是結構參數如質量和剛度的函數，所以將測試得到的結構動力特性與結構變形特性進行比較，從而評價損傷程度。

2 迎祥橋損傷現狀

2.1 迎祥橋概況

迎祥橋位于在金澤南首(今上海市青浦區金澤鎮)，于元至元年間(1335-1340)興建，是江南著名的元式橋梁。明朝天順六年(1462)重建，清朝乾隆三十三年(1748)修繕，公元2000年再次修繕。該橋近似現代的公路橋，當代橋梁專家稱其為“連續簡支”梁橋的鼻祖。

迎祥橋為五跨簡支梁，石柱式磚、木、石混合結構。全長約34.5 m，橋墩跨度約24.5 m，橋面寬2.45 m，中孔跨徑約6.4 m，兩側跨徑不一，約4～5 m。橋柱用青石鋪成，石柱架條石作為橫梁，橫梁上密排楠木，橋面兩邊外側、覆貼水磨方磚，以保護木梁，如圖1所示。迎祥橋整體結構較規則，荷載傳遞路徑簡單、合理，橋體受力較均勻。

圖1 迎祥橋全貌Fig.1 Overview of the Yingxiang Bridge

迎祥橋經過數次修繕，承壓結構發生了很大變化，橋墩的變化尤為顯著。為減小橋墩石柱間的不均勻沉降，修繕中將角鋼固定于橋墩側面，將各石柱連接為一整體。并將條石橫向架設于橋墩各石柱之上，作為橫梁以支撐橋面及通行帶來的荷載。在與楠木搭接處，為充分利用楠木的受力截面，對條石上表面進行了挖鑿處理，以滿足楠木近似圓形的外剖面，達到準確貼合。由于船舶通行時對中間橋墩的撞擊，中間兩個橋墩發生斷裂，后期增設了輔助混凝土支護，如圖2所示。

圖2 迎祥橋后期加固Fig.2 Post-reinforcement of the Yingxiang Bridge

雖然迎祥橋設計科學合理，結構精巧堅固，但歷經600多年風雨，該橋已出現了諸多結構、外觀等方面的問題：(1) 橋面出現兩條縱向裂縫，說明青磚下受力磚石已經出現不同程度的損壞；(2) 楠木雖為千年不朽的珍貴木材，但橋面底部環境潮濕，搭接處較為陰暗，使得楠木端部出現了一定程度的腐蝕現象；由于木材橫、縱向受力特征迥異，沿木材縱向出現了一定程度的裂縫，特別是東側的木梁腐蝕嚴重；(3) 橋墩下土質不均，橋墩間存在較為嚴重的不均勻沉降，進一步導致了木梁、橋面受力不均，出現裂縫；石柱間受力、沉降不均勻，存在傾斜、橫向大裂縫。

2.2 變形測量及分析

測量儀器采用尼康NPL-350型全站儀。高程測量測點布置在橋墩上邊緣、跨中及橋兩端。根據建筑測繪結果，以橋下某一面為零標高，測得橋墩、橋面的標高如圖3所示。根據標高測量結果，將橋梁南北兩側的高程及其二次曲線繪制于圖4。可以看到橋梁橫向(南北方向)變形分布不同，兩側出現不同程度的不均勻沉降現象，有可能導致橋面的縱向斷裂。在跨中附近出現較為明顯的拐點，可以認為跨中橋墩不均勻沉降量較大，與周圍橋墩剛度相差亦比較大，易導致該部位的應力集中。

圖3 迎祥橋標高示意圖(單位：m)Fig.3 Elevation of the Yingxiang Bridge (unit：m)

圖4 結構南北側標高分布Fig.4 Distribution of elevations in the south and north of the structure

3 迎祥橋微動測試

3.1 試驗設備

采用日本東京測振株式會社生產的網絡型三分量速度型地震儀(CV-374AV)，其儀器參數如表1所示。其他設備包括筆記本電腦和供電電瓶(12 V)。數據采集系統如圖5所示。

3.2 測點布設及數據采集

根據迎祥橋拱橋結構的特點，將微動測試點布設在各個橋墩上部的橋面上，共布置6個測點，實施多點同時觀測(圖6)。

表1 速度型地震儀主要參數指標

圖5 數據采集系統Fig.5 Data collection system

圖6 測點布置圖(單位：m)Fig.6 Measurement points (unit：m)

本次檢測數據采集以正東方向為“x”軸，正南方向為“y”軸，沿橋墩縱向豎直方向為“z”軸。測試時為避免走動等干擾，所有人員撤離橋面。采樣間隔0.004 s，采集時間45 min。圖7為采集到的波形例。可以看到，由于拱橋橋面的坡度問題，數據波形存在規律性干擾，總體來說數據平穩。

圖7 采集波形例(測點4)Fig.7 Recorded waves (point-4)

3.3 數據處理及結果

首先，從45 min觀測數據中篩選出5段噪音少、振幅平穩的數據段，每組數據時間長60 s，如圖7所示；然后，對每組數據進行快速傅里葉(FFT)分析，計算觀測數據的傅里葉譜，對傅里葉譜加Hanning窗口10次，進行平滑化(Band=約0.1 Hz)之后，對5組數據的傅里葉譜進行加權平均，作為此觀測點的傅里葉譜;最后，根據傅里葉譜曲線讀取卓越頻率及其對應的譜峰值。圖8為測點4在南北、東西方向的頻譜分布，圖中的實線為頻譜的平均值。圖9為各觀測點在南北、東西方向的傅里葉譜平均值。可以看出各個觀測點數據均呈現一致的卓越特性，即結構的1，2，3次特征值。一次固有頻率約為4.5 Hz，二次固有頻率約為6.3 Hz，三次固有頻率約為7.2 Hz。結構南北方向的卓越特征明顯大于東西方向。

讀取各卓越頻率對應的卓越頻譜，以橋墩F為坐標原點，繪制對應不同特征值的頻譜分布，可以認為是結構的固有模態分布，如圖10所示。可以看到，結構的1、2、3階固有模態呈非對稱分布形式，由于中間兩橋墩(C、D)的剛度較大，導致其兩側的模態分布復雜。特別是橋梁東側的橋墩B響應明顯大于橋梁西側，可以認為東側的橋墩剛度明顯降低。這與實際現場觀測結果一致，B橋墩上部的木梁腐蝕最嚴重，其橋墩結構與橋墩E差距亦較大。

圖8 FFT頻譜(測點4)Fig.8 Distribution of the FFT spectrum (point-4)

圖9 各測點頻譜分布Fig.9 Distribution of the FFT spectrum at each point

圖10 迎祥橋模態分布Fig.10 Model distribution of the Yingxiang Bridge

4 結論

(1) 利用對結構不產生影響的微動測試技術，測試結構的動態響應，將結構的振動模態作為損傷識別參數，通過觀測振動模態的突變位置確定結構損傷位置。

(2) 對上海青浦迎祥橋結構進行微動測試，在考慮結構特性及殘損現狀的基礎上布設觀測點，充分把握結構的整體損傷狀況，通過FFT頻譜分析得到結構的1, 2, 3次特征值及振動模態。

(3) 通過比較結構變形觀測結果與微動測試固有模態分布，分析結構損傷機理。迎祥橋各部位有著不同程度的損傷，以東側橋墩周邊損傷最為嚴重，該損傷可以認為是中間橋墩的后期混凝土支護引起了剛度分布的不均衡導致的。

References)

[1] 梁思成.中國建筑史[M].北京：文化出版社，1951.LIANG Si-cheng.A History of Chinese Architecture[M].Beijing：China Cultural Publishing House，1951.(in Chinese)

[2] 張啟偉.大型橋梁健康監測概念與監測系統設計[J].同濟大學學報，2001，29(1)： 65-69.ZHANG Qi-wei.Conception of Long-span Bridge Health Monitoring and Monitoring System Design[J].Journal of Tongji University，2001，29(1)：65-69.(in Chinese)

[3] 王俊青.橋梁無損檢測技術的現狀研究[J].山西建筑，2013，39(28)：143-145.WANG Jun-qing.Research on Status of Undamaged Test Techniques on Bridge[J].Shanxi Architecture，2013，39(28)：143-145.(in Chinese)

[4] 張衛華.常時微動測試在抗震設計上的應用[J].華南地震，2007，27(3)：96-99.ZHANG Wei-ha.The Application of Geomagnetic Pulsation Test to Aseismic Design[J].South China Journal of Seismology，2007，27(3)：96-99.(in Chinese)

[5] 高懷志，王君杰.橋梁檢測和狀態評估研究與應用[J].世界地震工程，2000，16(2)：57-64.GAO Huai-zhi，WANG Jun-jie.A Review of Research of Detective and Evaluation Technology for Bridges[J].World Information on Earthquake Engineering，2000，16(2)：57-64.(in Chinese)

[6] 吳志堅，車愛蘭，王蘭民，等.常時微動測試在汶川地震甘肅災區建筑結構震害調查中的應用[J].西北地震學報，2009，31(1)：86-90.WU Zhi-Jian，CHE Ai-Lan，WANG Lan-min，et al.Application of Micro Tremor Observation on Disaster Investigation of the 2008 Wenchuan Earthquake for Building Structures in the Quake-hit Areas of Gansu Province[J].North Western Seismological Journal，2009，31(1)：86-31.(in Chinese)

[7] 鄧焱，嚴普強.梁及橋梁應變模態與損傷測量的新方法[J].清華大學學報，2000，40(11)：123-127.DENG Yan，YAN Pu-qiang.New approach for Strain Modal Measurement and Damage Detection of Bridges[J].Journal of Tsinghua University，2000，40(11)：123-127.(in Chinese)

[8] 宗周紅，褚福鵬，牛杰.基于響應面模型修正的橋梁結構損傷識別方法[J].土木工程學報， 2013，46(2)：115-122.ZONG Zhou-hong，ZHU-hu Peng，Niu Jie.Damage Identification Methods of Bridges Structures Using Response Surface Based on Finite Element Model Updating[J].China Civil Engineering Journal，2013，46(2)：115-122.(in Chinese)

[9] Ailan Che，Xiurun Ge，Yueming Li.Use of Non-destructive Techniques in Chinese Traditional Timbers[J].Structures and Building，Proceedings of the Institution of Civil Engineers，2012.DOI：10.1680/stb.

Application of Microtremor Measurement Techniques to Detection of Structural Damage of an Ancient Arch Bridge

FAN Yan-min， CHE Ai-lan， CHEN Feng， CAO Yong-kang

(SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)

There are vast territorial and crisscrossing rivers in China.During thousands of years，the Chinese people have built hundreds of thousands of bridges.With diverse structures composed of various materials，these bridges，which are treasures of Chinese architecture，represent，to some extent，the history of Chinese culture.These ancient bridges，though witnessing extreme weather，have been，and are being，damaged due to construction limitations，long time of loading，and the continuous dynamics of erosion and other natural and human factors.Given this situation，it is critical to protect these ancient bridges with detection technology that does not damage the bridges.For the protection of ancient bridge structures，high precision detection technology that does not damage the detected targets has been an important research topic.To identify damages to ancient bridges with arch-bridge structures，the Shanghai Yingxiang Bridge in the Qingpu District is analyzed in this study.The structural features are analyzed and the deformed part of the structure is determined with the help of a total station device to evaluate the deformation and stress states of the bridge.Furthermore，with the application of micro-motion testing technology，the dynamic characteristic parameter of the structural damage，which includes the intrinsic frequency and vibration mode，is determined.After the analysis of the mode distribution of existing bridges and the observation of mutation of the vibration mode，quantitative evaluation of the structural damage is performed by comparing the deformation features of the structure after locating where the structural damage has occurred.Based on the experimental analysis of this study and considering the structural characteristics and the present situation of the damage，the observation point is set.The location and form of the damage is qualitatively delimited and the three modal distributions of the Yingxiang Bridge are obtained using microtremors.Comparing the three natural frequencies of the numerical results with the microtremor measurements，the significant weaknesses in the whole structure are determined.There is some damage to the Yingxiang Bridge.According to the measurement results，the bridge pier D is damaged most seriously.This indicates that the concrete curing of the middle bridge pier caused the imbalance of stiffness.The Yingxiang Bridge needs reinforcement by concrete，with large amounts in the middle pier of the bridge，to ensure sufficient stiffness to load bearing.In conclusion，microtremor measurements are useful in the detection of damage to ancient arch-bridges.

ancient arch bridge； damage identification； microtremor measurement； natural mode

2014-08-20

上海市自然科學基金項目(13ZR1419900)

范巖旻(1994-)，男，上海人，本科生，現主要從事振動測試技術研究.

曹永康(1969-)，男，副教授，博士，主要從事建筑文化遺產保護的理論與實踐研究.E-mail: ykcao@sjtu.edu.cn

U446

A

1000-0844(2015)02-0606-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0606