工程橋梁多方向振動的測量與模態(tài)分析探述

李偉杰

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

橋梁進行荷載試驗，是為了在實際橋梁施工中，能夠?qū)崟r檢測結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變以及分布，從而判斷出實際的橋梁結(jié)構(gòu)的性能，驗證橋梁設(shè)計和施工的合理性，確保施工質(zhì)量能夠達到施工設(shè)計的標(biāo)準，符合橋梁結(jié)構(gòu)的實際承載等級，同時還能對橋梁的使用壽命和狀況加以了解。通過在橋梁上面分別布設(shè)振動的測試點，得到信息并加以記錄，通過記錄這些測量信息，能夠得到振動時產(chǎn)生的靜態(tài)、動態(tài)荷載以及特性參數(shù)等，有利于判斷振動產(chǎn)生的損傷大小、位置以及類型。因此，開展橋梁多方向振動的測量，進行承載力的分析是非常有必要的。

1 工程橋梁多方向振動的測量原理

采用壓電式傳感器在橋梁內(nèi)進行布設(shè)的方法，是當(dāng)今進行橋梁振動測量的常見方法。在橋體的表面進行傳感器的埋設(shè)，通過垂直橋面的振動，測量出受激之后豎向、橫向等多方向的橋梁振動后產(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情況，需要在橋梁的建設(shè)過程中，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)，然后測得垂直和水平狀態(tài)下的車載振動，采用有限元的模態(tài)分析的方法，對于橋梁振動的特性進行獲取。將傳感器埋入橋梁內(nèi)層，能夠克服表面波的干擾，便于對不同時期測量的數(shù)據(jù)進行對比，同時能夠在長期開展橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測的同時保護傳感器不受損傷[1]。

2 工程橋梁多方向振動測量應(yīng)用分析

（1） 進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。

測試系統(tǒng)采用的模塊化設(shè)計師高度集成的，一臺計算可以進行128割通道的控制，每個模塊負責(zé)8割模塊，測量采用高可靠性、高精度、多通道的動態(tài)信號測量方式，能夠分析處理時域、頻域、賦值域。

（2） 某工程大橋全橋總長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)橋臺長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，設(shè)計活載等級為“汽車—20級”、“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)，進行鋪裝層的傳感器的埋設(shè)，通過分析程序計算主梁各個控制截面的彎距和撓度的影響線。按照各測試截面的控制彎距和撓度布載，分為多個試驗荷載工況進行測試，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。得到的靜載試驗結(jié)果包括撓度測量和校驗的系數(shù)、各控制截面應(yīng)力校驗系數(shù)、中跨度截面最大負彎矩工況等參數(shù)和數(shù)值。

（3） 車載實驗，包括對跑車的剎車中主橋中跨中及變跨中截面豎向振幅測試結(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撓度實測值、邊跨跨中最大動撓度過的實測值，主橋中跨中最大活載沖擊系數(shù)的實測值、最大活載沖擊系數(shù)實測值等。測試結(jié)果表明，橋面平整度和橋梁線形的平順度較差，車輛對橋梁產(chǎn)生的沖擊以及荷載大于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論計算值[2]。勻速跑車實驗采用一輛重型車分別以不同的速度沿著橋面進行中線對稱過橋，來回均使用埋設(shè)的傳感器進行測量，包括急速剎車等。經(jīng)過傳感器測量，對于橋面的20m跨的40km/h速度的剎車以及右跨橋面的剎車分別進行了豎向、橫向的低頻振動的測量，采用的頻率設(shè)定為50Hz，電荷放大器輸出的靈敏度為1000。

索力測試主要針對自振特性的參數(shù)和數(shù)值進行計算，根據(jù)索力測試采集到的模態(tài)包括：豎向?qū)ΨQ振動頻率、理論計算值、豎向反對稱振動頻率、理論計算值、豎向?qū)ΨQ振動頻率、理論計算值。根據(jù)實測結(jié)果報名，理論計算頻率與橋鋼結(jié)構(gòu)以及總體的動力特性有密切聯(lián)系，對主橋進行加固維修后就可以滿足使用要求[3]。

3 數(shù)據(jù)分析

（1） 對于橋面的垂直的振動，采用的是沿著中軸前進的車輛在進入16m跨的時候，產(chǎn)生了橋梁豎向微小振動，當(dāng)進入20m跨的時候，達到一定的峰值，駛離之后，橋梁的振動形成了豎向加速度的峰值，通過加速器的測量，機型剎車的時候達到了最大加速度為311mm/s2。

（2） 對于橋面的水平橫向的振動，分別采用橋面的左右跨布設(shè)的傳感器進行振動的測量，當(dāng)車進入16m跨的時候，橋面的鋪裝層是連續(xù)的，可以看到微弱的橫向振動，達到20m的時候，在車載作用下，可以看到一個具有沖擊特性的振動波形，經(jīng)過多次車載后的振動的額測試，可以這個振動波形產(chǎn)生了不利于橋梁結(jié)構(gòu)的安全隱患。

圖1 汽車傳感器測量

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

表1 不同的車速對應(yīng)的通道主頻率

4 模態(tài)分析

采用有限元分析的方法，對于橋面結(jié)構(gòu)的彈性模量、密度單元等進行分析；在邊界條件添加的基礎(chǔ)上，預(yù)設(shè)支座的底面；對鋪裝層邊界進行豎向和縱向的模態(tài)分析，采用模態(tài)分析軟件進行選項分析和結(jié)果的計算。分別得到了4階頻率，包括支座水平橫向評議、豎向振動、豎向扭轉(zhuǎn)、豎向二階振動的模態(tài)振型。經(jīng)過實驗測得的第一、二主導(dǎo)頻率分別與彎曲振型吻合，經(jīng)過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

在車載作用下，橋面板的振動分別由水平橫向、垂直橋面、扭轉(zhuǎn)振動三種模態(tài)構(gòu)成，經(jīng)過車輛行駛的振動模式的實驗，采用有限元分析的方法，得到的結(jié)論是：在水平橫向振動測量中發(fā)現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象，具有擴大振動頻率的作用，采用橋梁橡膠墊圈的簡單支護的方法能夠顯著改變橋梁的振動模態(tài)。在小于40km/h的車速下，車輛的行駛速度進行影響振動的幅值，不會影響橋梁的振動模式。

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

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

[3 ]馬文卓.基于PQCr-PSI傳感器的橋梁振動無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西南交通大學(xué)，2017.