基于時域法橋梁自振特性參數(shù)的識別技術(shù)探討

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽 550000）

1 理論分析

橋梁自振特性測試中，采用環(huán)境隨機(jī)激勵法、跳車自振、跑車余振得到結(jié)構(gòu)的自振信號，時域法是通過分析自振信號的幅值衰減規(guī)律，識別自振頻率、阻尼參數(shù)的一種方法，具有主觀明了、計(jì)算簡單方便的特點(diǎn)。

時域法計(jì)算自振特性參數(shù)的過程如下。

（1）自振頻率

根據(jù)自振頻率的定義： （1）

式中，f為自振頻率(Hz)；T為周期(s)。為提高分析精度，通常選若干個周期進(jìn)行平均處理：

式中，n為參與平均的波形周期數(shù)；t為n個周期波形的時間長度(s)。

（2）阻尼比

自由振動信號是按指數(shù)規(guī)律衰減的周期振動，阻尼特性反映了自振信號衰減的快慢程度，對數(shù)衰減率為：

式中，Ai和Ai+1為相鄰兩個波的峰值，為保證精度，通常取若干個波作平均計(jì)算，則對數(shù)衰減率為：

式中，Ai+n為間隔n個波的峰值。因自振信號中通常會或多或少地包含直流分量，如按上述計(jì)算會存在一定誤差，按下式計(jì)算可消除直流分量的影響：

式中， Ai’和 Ai+n’分別為首波和第 n個波的波谷值。根據(jù)振動理論可知，對數(shù)衰減率與阻尼比D的關(guān)系為：橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比較小，則阻尼比近似計(jì)算為：

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某一座橋梁上部構(gòu)造3×35m連續(xù)T梁，梁高2.3米。單幅橋?qū)挘?.0m（人行道）+14.5m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）；橋臺均為重力式U臺，承臺樁基礎(chǔ)，橋墩為鋼筋砼圓形雙柱式墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載等級：城—A級，人群荷載:3.5kN/m2。

2.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)信號采用環(huán)境隨機(jī)激勵法在橋面無交通荷載、橋梁附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動或水流等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，主要測定橋跨結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼比。

在環(huán)境隨機(jī)激勵法作用下采集的時域信號及分析圖見圖2。

圖2 多階疊加信號自振參數(shù)計(jì)算圖（f1=4.211Hz，D=0.0193）

對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，濾波后時域信號及分析圖見圖3。

圖3.1 濾波后信號頻譜分析圖（f1=4.141Hz）

圖3.2 濾波后信號自振參數(shù)計(jì)算圖（f1=4.118Hz，D=0.0354）

分析圖2及圖3可知：

對于多階疊加信號，直接采用公式計(jì)算得到的頻率與頻譜分析所得頻率相比數(shù)值偏大，與濾波后自振信號所計(jì)算得到的頻率數(shù)值也偏大，相對偏差為5.28%；與濾波后自振信號所計(jì)算得到的阻尼比數(shù)值偏小，相對偏差為84.34%。利用多頻率疊加的非規(guī)則信號所計(jì)算的頻率數(shù)值偏大，阻尼比數(shù)值偏小。因此，在應(yīng)用時域法識別自振特性參數(shù)時，應(yīng)對采集信號進(jìn)行濾波處理，得到單一頻率的自振信號，再計(jì)算參數(shù)值。

3 結(jié)論

（1）對多頻率疊加的非規(guī)則信號所計(jì)算的頻率數(shù)值偏大，相對偏差為5.28%；阻尼比數(shù)值偏小，相對偏差為84.34%。

（2）通過對濾波后自振信號進(jìn)行分析，得到的頻率與頻譜分析得到的數(shù)值較接近。

（3）在對測試振動信號數(shù)據(jù)處理過程中，時域法采用多頻率疊加信號處理得到的自振特性參數(shù)，并不能反映橋梁真實(shí)的自振性能，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，得到單一頻率的自振信號，再進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

（4）在應(yīng)用時域法計(jì)算前，應(yīng)先用頻譜分析確定信號的頻率成分，有針對性地采用帶通或低通數(shù)字濾波器分離各階自振信號。

[1]舒紹云.動測參數(shù)評定梁式橋結(jié)構(gòu)性能方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[2]JTG/T J21-01-2015公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程[S].