工程橋梁多方向振動(dòng)的測(cè)量與模態(tài)分析探述

李偉杰

蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241000

橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，是為了在實(shí)際橋梁施工中，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變以及分布，從而判斷出實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)的性能，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)和施工的合理性，確保施工質(zhì)量能夠達(dá)到施工設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，符合橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載等級(jí)，同時(shí)還能對(duì)橋梁的使用壽命和狀況加以了解。通過(guò)在橋梁上面分別布設(shè)振動(dòng)的測(cè)試點(diǎn)，得到信息并加以記錄，通過(guò)記錄這些測(cè)量信息，能夠得到振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)荷載以及特性參數(shù)等，有利于判斷振動(dòng)產(chǎn)生的損傷大小、位置以及類型。因此，開(kāi)展橋梁多方向振動(dòng)的測(cè)量，進(jìn)行承載力的分析是非常有必要的。

1 工程橋梁多方向振動(dòng)的測(cè)量原理

采用壓電式傳感器在橋梁內(nèi)進(jìn)行布設(shè)的方法，是當(dāng)今進(jìn)行橋梁振動(dòng)測(cè)量的常見(jiàn)方法。在橋體的表面進(jìn)行傳感器的埋設(shè)，通過(guò)垂直橋面的振動(dòng)，測(cè)量出受激之后豎向、橫向等多方向的橋梁振動(dòng)后產(chǎn)生的信息。由于橋面上的車載偏心作用，要研究出車載狀況下的橋梁的多方向振動(dòng)情況，需要在橋梁的建設(shè)過(guò)程中，預(yù)先沿著水平、橫向、垂直的方向?qū)⒓铀俣葌鞲衅髀袢氲綐蛄旱匿佈b層內(nèi)，然后測(cè)得垂直和水平狀態(tài)下的車載振動(dòng)，采用有限元的模態(tài)分析的方法，對(duì)于橋梁振動(dòng)的特性進(jìn)行獲取。將傳感器埋入橋梁內(nèi)層，能夠克服表面波的干擾，便于對(duì)不同時(shí)期測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)能夠在長(zhǎng)期開(kāi)展橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)的同時(shí)保護(hù)傳感器不受損傷[1]。

2 工程橋梁多方向振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用分析

（1） 進(jìn)行加速度傳感器的埋設(shè)，選用的壓電式加速度傳感器的特性為：①靈敏度13PC/g；②可測(cè)量頻率范圍0.3～0.5Hz；③質(zhì)量38g；④系統(tǒng)硬件高度集成的模塊化設(shè)計(jì)。

測(cè)試系統(tǒng)采用的模塊化設(shè)計(jì)師高度集成的，一臺(tái)計(jì)算可以進(jìn)行128割通道的控制，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)8割模塊，測(cè)量采用高可靠性、高精度、多通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量方式，能夠分析處理時(shí)域、頻域、賦值域。

（2） 某工程大橋全橋總長(zhǎng)337.18m，其中主跨130.48m，廣州側(cè)引橋101.35m，新沙側(cè)引橋101.35m，橋跨兩側(cè)橋臺(tái)長(zhǎng)5.2m。全橋跨度組成為：（32.75+2×32.7+2×65.24+2×32.7+32.75）m。主跨上部結(jié)構(gòu)為T構(gòu)帶2孔32m預(yù)應(yīng)力混凝土雙掛梁和2孔16m預(yù)應(yīng)力混凝土單掛梁；每孔掛梁由5片T梁組成。引橋跨均為簡(jiǎn)支梁，上部結(jié)構(gòu)為32m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，每孔由5片T梁組成。橋面寬共12m，其中，汽車道寬9m，按兩車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)活載等級(jí)為“汽車—20級(jí)”、“掛—100”、人群荷載350kg/m2；兩側(cè)人行道寬1.5m，人行道下布置Φ600過(guò)江水管，橋面鋪裝層從中心向兩側(cè)設(shè)1.5%斜坡。

利用橋梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)行鋪裝層的傳感器的埋設(shè)，通過(guò)分析程序計(jì)算主梁各個(gè)控制截面的彎距和撓度的影響線。按照各測(cè)試截面的控制彎距和撓度布載，分為多個(gè)試驗(yàn)荷載工況進(jìn)行測(cè)試，包括縱橋向中跨跨中截面的彎距和撓度不利位置的布載等。得到的靜載試驗(yàn)結(jié)果包括撓度測(cè)量和校驗(yàn)的系數(shù)、各控制截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、中跨度截面最大負(fù)彎矩工況等參數(shù)和數(shù)值。

（3） 車載實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)跑車的剎車中主橋中跨中及變跨中截面豎向振幅測(cè)試結(jié)果和活載沖擊系數(shù)的分析結(jié)果，得到各工況主橋中跨跨中的動(dòng)撓度實(shí)測(cè)值、邊跨跨中最大動(dòng)撓度過(guò)的實(shí)測(cè)值，主橋中跨中最大活載沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值、最大活載沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)值等。測(cè)試結(jié)果表明，橋面平整度和橋梁線形的平順度較差，車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的沖擊以及荷載大于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算值[2]。勻速跑車實(shí)驗(yàn)采用一輛重型車分別以不同的速度沿著橋面進(jìn)行中線對(duì)稱過(guò)橋，來(lái)回均使用埋設(shè)的傳感器進(jìn)行測(cè)量，包括急速剎車等。經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量，對(duì)于橋面的20m跨的40km/h速度的剎車以及右跨橋面的剎車分別進(jìn)行了豎向、橫向的低頻振動(dòng)的測(cè)量，采用的頻率設(shè)定為50Hz，電荷放大器輸出的靈敏度為1000。

索力測(cè)試主要針對(duì)自振特性的參數(shù)和數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)索力測(cè)試采集到的模態(tài)包括：豎向?qū)ΨQ振動(dòng)頻率、理論計(jì)算值、豎向反對(duì)稱振動(dòng)頻率、理論計(jì)算值、豎向?qū)ΨQ振動(dòng)頻率、理論計(jì)算值。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果報(bào)名，理論計(jì)算頻率與橋鋼結(jié)構(gòu)以及總體的動(dòng)力特性有密切聯(lián)系，對(duì)主橋進(jìn)行加固維修后就可以滿足使用要求[3]。

3 數(shù)據(jù)分析

（1） 對(duì)于橋面的垂直的振動(dòng)，采用的是沿著中軸前進(jìn)的車輛在進(jìn)入16m跨的時(shí)候，產(chǎn)生了橋梁豎向微小振動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入20m跨的時(shí)候，達(dá)到一定的峰值，駛離之后，橋梁的振動(dòng)形成了豎向加速度的峰值，通過(guò)加速器的測(cè)量，機(jī)型剎車的時(shí)候達(dá)到了最大加速度為311mm/s2。

（2） 對(duì)于橋面的水平橫向的振動(dòng)，分別采用橋面的左右跨布設(shè)的傳感器進(jìn)行振動(dòng)的測(cè)量，當(dāng)車進(jìn)入16m跨的時(shí)候，橋面的鋪裝層是連續(xù)的，可以看到微弱的橫向振動(dòng)，達(dá)到20m的時(shí)候，在車載作用下，可以看到一個(gè)具有沖擊特性的振動(dòng)波形，經(jīng)過(guò)多次車載后的振動(dòng)的額測(cè)試，可以這個(gè)振動(dòng)波形產(chǎn)生了不利于橋梁結(jié)構(gòu)的安全隱患。

圖1 汽車傳感器測(cè)量

（3） 測(cè)量得到的振動(dòng)波形，采用FFT分析，得到的主導(dǎo)頻率，能夠顯示出車輛行進(jìn)的路線，包括橋面不平整度以及橋面的振動(dòng)，通過(guò)不同荷載下出現(xiàn)的通道的主導(dǎo)頻率，可以通過(guò)采用平均值取得的方式，獲得橋梁豎向振動(dòng)的數(shù)值。無(wú)論是左跨還是右跨，在不同車載下激發(fā)出來(lái)的橫向振動(dòng)的主頻率都具有一致性。

表1 不同的車速對(duì)應(yīng)的通道主頻率

4 模態(tài)分析

采用有限元分析的方法，對(duì)于橋面結(jié)構(gòu)的彈性模量、密度單元等進(jìn)行分析；在邊界條件添加的基礎(chǔ)上，預(yù)設(shè)支座的底面；對(duì)鋪裝層邊界進(jìn)行豎向和縱向的模態(tài)分析，采用模態(tài)分析軟件進(jìn)行選項(xiàng)分析和結(jié)果的計(jì)算。分別得到了4階頻率，包括支座水平橫向評(píng)議、豎向振動(dòng)、豎向扭轉(zhuǎn)、豎向二階振動(dòng)的模態(tài)振型。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第一、二主導(dǎo)頻率分別與彎曲振型吻合，經(jīng)過(guò)有限元分析得到的支座橫向水平平移以及橫向主導(dǎo)頻率是一致的[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

在車載作用下，橋面板的振動(dòng)分別由水平橫向、垂直橋面、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種模態(tài)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)車輛行駛的振動(dòng)模式的實(shí)驗(yàn)，采用有限元分析的方法，得到的結(jié)論是：在水平橫向振動(dòng)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象，具有擴(kuò)大振動(dòng)頻率的作用，采用橋梁橡膠墊圈的簡(jiǎn)單支護(hù)的方法能夠顯著改變橋梁的振動(dòng)模態(tài)。在小于40km/h的車速下，車輛的行駛速度進(jìn)行影響振動(dòng)的幅值，不會(huì)影響橋梁的振動(dòng)模式。

[1] 于先文，薛紅琳.基于GPS/加速度計(jì)組合的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2013（z2）：329-333

[2] 馬牛靜，趙國(guó)棟.鋼箱梁正交異性板局部振動(dòng)特性研究[J].橋梁建設(shè)，2017，47（1） ：71-75.

[3 ]馬文卓.基于PQCr-PSI傳感器的橋梁振動(dòng)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西南交通大學(xué)，2017.