某拱壩動力試驗及模態參數識別

楊振琨，路　陽，張　鐸

某拱壩動力試驗及模態參數識別

楊振琨，路陽，張鐸

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450003）

某拱壩經受了超過其設防地震烈度的地震考驗。從外觀和靜力監測數據分析，大壩沒有遭受破壞。為進一步檢測壩體的損傷情況，對其進行了原型動力試驗，取得了大壩的動力特性。此次振動試驗采用環境振動的試驗手段，試驗重復性好，結果可靠。試驗結束后，采用自互功率譜法模態識別技術，對該拱壩的基頻和阻尼比進行了識別。最后，大壩試驗基頻高于用設計參數計算得出的基頻值，從基頻與剛度的關系分析，大壩處于安全狀態。

動力試驗；模態參數識別；拱壩；自互功率譜

1　動力試驗

1.1原型試驗

原型試驗是基礎性的工作，世界各國把原型試驗作為研究大壩動力特性的重要手段，將其與模型試驗和數值分析相結合，對大壩的抗震性能做出綜合評價［1］。大壩原型試驗激振的手段主要有環境振動和強迫振動（爆破、起振機等）。其中，環境振動觀測比較簡單，不需要人工激振，可以快速得到較為精確的大壩基頻。但其具有較寬的頻譜特性和較小的振幅，因此環境振動試驗對記錄及分析儀器要求較高。

1.2試驗概況

拱壩為三心圓重力拱壩，壩頂高程1 867.5 m，最大壩高 130 m、壩頂總長 250.25 m、壩頂厚9.5 m、寬28 m、厚高比為0.238。

為保障試驗測試質量，這次試驗采用從美國進口的12通道K2型數字高精度強震監測儀進行。K2內置一個傳感器，外接3個FBA系列力平衡式加速度計。傳感器x方向沿壩軸線方向，y方向垂直壩軸線，z方向豎直向上。本次實驗在參考點和測量點共布置12個通道，每個通道的采樣頻率為200 Hz，每次采樣為一個文件，包含了12個通道的實時數據。

參考點選擇為大壩右段靠近中心的分縫處，由于布點困難，前3組均只在壩頂的壩軸線方向布置觀測點，第4次試驗時10號～12號測點移至距離壩頂27.5 m的廊道處，水平坐標系與參考點一致。試驗測點布置以右岸拱座為坐標原點，沿頂拱弧長的坐標值見表1，各測試組測點布置見圖1。

表1　試驗測點布置沿弧長值（以右岸拱座為坐標原點）　m

圖1　現場測點布置示意

一般來說對于用脈動信號作結構動力特性的分析，其采樣時間應能在30 min左右，以便能有效地提高試驗信號的信噪比。本次試驗脈動信號的采集時間均超過45 min，而且重復了4次。

2　模態參數識別

2.1模態參數識別原理

自互譜法是一種最為簡單快捷的環境激勵情況下的模態參數頻域識別方法，由峰值法發展而來，它最初是基于結構自振頻率在其頻率響應函數上會出現峰值，峰值的出現成為特征頻率的良好估計［2］。對于環境激勵的情況，由于激勵力未知，此時頻響函數失去意義，將由環境振動響應與參考點響應之間的自互功率譜來取代頻率響應函數，此時，固有頻率僅由平均正則化了的功率譜密度曲線上的峰值來確定。

對于一個實模態系統，由激勵和響應之間的關系，可得出頻響函數為

式中，N為模態階數；φir為第r階模態的振型在i點處的振型矢量；φkr為第r階模態的振型在k點處的振型矢量；λr、λ-r分別為結構的一對共軛特征值（極點）。由式（1）可知，頻響函數中包含了要求的結構的所有模態信息［3］。

在結構的響應可測、激勵力不可測的情況下，可以假想結構上某一參考點的響應為輸入（運動激勵），其他測點的響應與此點響應有某種線性相關性，建立起響應點與參考點之間的傳遞函數來進行系統識別。在結構上取一固定參考點，則傳遞率為

對于結構上任意一點i的動態位移響應xi（ω）可用k點的激勵力fk（ω）和結構系統的傳遞函數hik（ω）表示為

假定結構所施加的激勵力信號為平直譜信號，它的功率譜密度函數在覆蓋結構全部模態的頻率范圍內為近似的均勻分布，則結構各點的激勵力滿足

式中，c1為常數。

則式（3）可寫成

式中，hi（ω）為集總頻響函數。

由式（5）可知，結構的響應譜xi（ω）與結構系統的集總頻響函數hi（ω）（實模態）等價，因此可以直接由響應譜xi（ω）得到結構的固有頻率。

由經典的功率譜估計方法周期圖法的計算公式

式中，pi（ω）為i點響應的自功率譜；pip（ω）為i、p兩點響應的互功率譜；N為響應序列的長度；conj（*）為*的復共軛。

由式（6）可知，pi（ω）與hi（ω）存在著平方關系，兩者具有相同的極點，所以可以用響應點自功率譜線圖代替集總傳遞函數的幅值圖。

將式（1）代入式（5）得

由式（8）可知，集總傳遞函數的極點數值與響應點的位置無關，再由式（6）、（7）相似的形式可知，pi（ω）與pip（ω）具有相同的極點，所以也可以響應點與參考點之間的互功率譜的幅值圖代替集總傳遞函數的幅值圖。

在實際的工程應用中，環境激勵形成的地面脈動都可以近似的看成平穩的白噪聲，其功率譜是平直的。同時，一些大型的結構如大壩等，模態稀疏且阻尼較小，這就基本滿足了前面的3點假定：①對象結構為實模態系統；②激勵信號為平直譜信號；③對象結構的模態不密集且阻尼比較小。因此，對于以上的一些工程應用，自互譜法在理論上是完全可行的。

2.2拱壩模態識別結果

對測試數據進行數據預處理，消除趨勢項。然后進行頻域處理（主要是順河向測點），求出其自互功率譜，繪制幅頻曲線。第1組各通道的自互功率譜見圖2，模態識別的結果列于表2中。

圖2　第1組測試順河向自互功率譜

表2　模態參數識別結果

各個測試組得出的大壩基頻比較接近，表明大壩的基頻比較容易測試且可靠度較高。通過試驗可知拱壩順河向（徑向）基頻為4.05 Hz。各個測試組各個通道的阻尼并不相同，差別也比較大，說明測試出的大壩阻尼并不理想，只能作為計算的參考。

3　結論

環境振動的試驗方法得到的拱壩順河向基頻比較一致，用來進行動態參數模態識別是可行的。通過試驗可知拱壩順河向（徑向）基頻為4.05 Hz。根據大壩混凝土設計參數計算得到的大壩順河向（徑向）基頻是3.35 Hz［5］，大壩試驗基頻高于用設計參數計算得出的基頻值，從基頻與剛度的關系分析，大壩處于安全狀態。試驗識別的阻尼變化范圍較大，在5%～10%左右浮動。如何更有效的識別阻尼，有待進一步的研究。

［1］寇立夯.基于性能的高壩抗震設計若干關鍵問題研究［D］.北京：清華大學，2009.

［2］孫建剛.基于環境振動的實驗模態分析方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［3］李德葆.振動模態分析及應用［M］.北京：宇航出版社，1989：102-118.

［4］彭濤.基于環境激勵的大跨度橋梁模態分析與應用研究［D］.長沙：長沙理工大學，2007.

［5］胡曉.沙牌拱壩抗震性能計算分析報告［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2009.

（責任編輯王琪）

Dynamic Test and Modal Parameter Identification of an Arch Dam

YANG Zhenkun，LU Yang，ZHANG Duo
（Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

An arch dam has stood an earthquake with intensity larger than designed value and there is no damage to the dam telling from the appearance and static monitoring statistics.The prototype dynamic test is performed to further check the damage to dam body and the dynamic properties of dam are obtained.The environmental vibration，which can produce reliable test results，is applied to the test.The modal parameter identification of auto-cross spectrum density method is applied to identify the basic frequency and damping ratio of dam.The basic frequency obtained from the test is larger than that calculated from designed parameters.The dam is under a safe status based on the analysis results of the relation between basic frequency and rigidity.

dynamic test；modal parameter identification；arch dam；auto-cross spectrum density method

TV642.2

A

0559-9342（2016）02-0046-03

2015-02-25

楊振琨（1986—），男，河南安陽人，工程師，碩士，主要從事水工結構設計和研究工作.