基于Wi-Fi測試技術的橋梁動力特性試驗

梁 麗， 李順才,b， 喻 秋

(江蘇師范大學 a. 機電工程學院; b. 江蘇圣理工學院, 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

橋梁結構的動力特性主要包括橋梁結構的固有頻率、振型、阻尼比以及沖擊系數等，橋梁結構在運動車輛作用下的動力特性是橋梁結構動力學研究的重要內容之一。文獻[1-4]中應用軟件Midas/Civil建立橋梁的三維動力有限元模型，對橋梁模型進行相應動力特性分析；盧彭真等[5-6]利用空間梁格理論以及有限元軟件SPA2000分別對叉形梁及人字形橋梁結構的振動頻率及振型進行了模擬分析；汪維安等[7]分析推導了鋼-混凝土組合結構橋梁的等效阻尼比的計算公式，通過有限元計算發現樁-土相互作用對大跨度組合結構橋梁的動力特性影響明顯；包龍生等[8]以遼寧省沈陽四環西蘇堡特大橋跨越渾河為對象，建立實橋模型，運用反應譜法在模型中輸入動力特性值運行分析，得出橋梁基本自振頻率；劉雨青等[9]在環境激勵下，重點測試了武漢理工大學理工一橋的振動特性，采用頻差法和新基頻法識別斜拉索的基頻，由導納圓擬合法識別出橋梁的模態參數，通過實測與理論計算的比較研究，分析該橋的動力特性；宋廣君等[10]從激勵信號特征分析和振動相關性的角度對利用“車輛隨機激勵”檢測大型橋梁動力特性的可行性進行了分析研究，并通過實際橋梁的振動試驗測試(功率譜和相干函數)，證實了該方法的實踐可行性；田文杰[11]采用有限元分析軟件ANSYS對公路橋梁結構進行動力特性分析，計算得到橋梁的自振頻率和主振型，并和脈動試驗所得結果進行對比分析；宋郁民等[12]以擬建的某鐵路貨運專線曲線橋梁為例, 對全橋的動力特性進行了分析, 并運用專業的車橋耦合振動程序完成了車輛-橋梁耦合振動的數值分析, 評價了該橋梁的動力特性, 給出了適合橋梁動力特性的合理行車速度；彭大文等[13-14]、汪新惠等[15]針對無伸縮縫橋梁的結構特點，提出一個土-結構的非線性相互作用模型；馮文煥[16]以港珠澳大橋江海直達船航道橋三塔斜拉橋為工程背景，采用有限元分析軟件進行建模，對斜拉橋進行了自振特性分析；陳春東[17]對收集到的大量簡支梁橋、連續剛構橋及拱橋的實測頻率、實測沖擊系數等數據進行了分析研究，對比分析了各影響因素對沖擊系數的影響程度及影響規律，并給出了優化的沖擊系數近似計算公式；王燕華[18]以典型異形梁模型為研究對象，分別利用MATLAB軟件與ANSYS軟件進行有限元模擬，比對驗證其結果，確保準確性；然后，計算結構在各種動態子結構算法下動力特性，以驗證各種動態子結構法在異形橋梁動力分析中的可行性及精確度，并結合各類方法的求解精度和操作的復雜程度，對其在不同類型異形橋中的適用性進行探討。

本文通過TST5925EV無線遙測動態應變測試分析系統，以校內玉泉橋為研究對象進行動載試驗，主要通過基頻模態測試、跑車及剎車試驗確定橋梁的固有頻率、振型、阻尼以及沖擊系數等動力特性。

1 測試原理及設備

在各種振動試驗中，需振源來激發測試對象，使測試對象產生振動。根據振源產生原因可分為天然振源和人為振源。人為振源主要包括機械式激振器和偏心式起振機、電動力式振動臺和激振器、力錘、地震模擬振動臺、車輛振動、爆破以及人體晃動等。其中，車輛振動常用于公路、鐵路橋梁及結構物的振動測試。

以江蘇師范大學校內的玉泉橋為測試對象，該橋橋長約60 m、寬度約7 m，雙向單車道，有約3°的坡度，該橋為4孔拱橋，下層為花崗巖，上層為平鋪型混凝土板梁(見圖1)。首先，基于環境激勵法，采用江蘇泰斯特集團生產的TST5926EV大型結構動態特性測試分析系統(見圖2)進行基頻及模態測試分析。其次，通過人為振源——車輛振動，利用TST5925EV無線遙測動態應變測試分析系統(見圖3)進行玉泉橋的剎車及跑車試驗，以確定該橋的沖擊系數。

圖1 玉泉橋圖2 TST5926EV大型結構動態特性測試分析系統

圖3 TST5925EV無線遙測動態應變測試分析系統

本次試驗主要采用泰斯特集團生產的兩套設備：① TST5926EV大型結構動態特性測試分析系統，該系統主要由測試分析軟件、多個TST5926E采集器、電腦、無線路由器、同步線、天線等組成。采集器內置高靈敏度、水平和垂向的雙低頻速度傳感器，具有完善的信號適調、電壓放大、抗混濾波、數據采集功能，內嵌Linux操作系統，標配2GB存儲器，高速Wi-Fi無線數據傳輸，傳輸距離遠，傳輸質量高。每個采集器具有Z、X兩個通道，分別采集結構沿垂直和水平兩個方向的振動。② TST5925EV無線遙測動態應變測試分析系統，該系統主要由測試分析軟件、多個TST5925EV無線遙測動態應變采集模塊、TST126傳感器、天線、無線路由器，移動電源及筆記本電腦等組成。該系統采用Wi-Fi 無線傳輸技術，可靠傳輸距離約200 m，每臺計算機可同時控制16個采集模塊；可程控切換1/4橋(三線制)、半橋、全橋3種橋路方式進行應變測量，具有實時回收、事后采集多種采樣方式可供選擇，滿足不同的現場需要；可外接磁電式低頻拾振器、橋式傳感器實現振動信號測量，采用嵌入式GPS模塊，實現多臺同步采樣，可連續工作8 h。

2 基頻及模態測試分析

2.1 試驗步驟

沿玉泉橋長度方向6等分該橋，將5個TST5926E采集器放置在橋梁的一側靠邊處，相鄰兩個采集器之間間隔為10 m(見圖4)，底端用橡皮泥與地面固定以保證受力均勻。將天線及及同步線分別接入采集器及路由器，以保證振動信號接收良好。儀器正確連接至計算機，仔細檢查所有接口是否接觸良好，所有裝置是否安全、可靠后，接通并打開儀器電源；測量時，在配套的TST5926EV大型結構動態特性測試分析軟件上設置工程單位為中速度mm/s，采樣頻率為200 Hz，分析頻率78.13 Hz，采樣時間15 min。

(a) 示意圖

(b) 試驗圖

2.2 數據分析

TST5926E采集器可采集垂直及水平兩個方向的振動信號，對于橋梁試驗，水平方向振動信號較弱，一般只考慮垂直方向的振動信息。通過分析軟件對所采集的數據進行分析，以1號TST5926E采集器為例，圖5給出了玉泉橋在垂直方向上振動的時域信號圖，再通過軟件對時域信號進行分析處理，得到玉泉橋垂直方向上振動信號的平均譜圖(見圖6)。由圖6可知，玉泉橋的振動基頻為14.45 Hz。

圖5 玉泉橋時域信號圖

利用泰斯特TSTMP模態分析軟件，建立玉泉橋模型，對玉泉橋進行模態分析。首先，根據玉泉橋橋長、橋寬及測點分布構建玉泉橋模型；其次，導入所測得的時域信號進行相應模態分析；最終得到玉泉橋的1階固有頻率為14.26 Hz、阻尼比為5.00%，2階固有頻率為23.63 Hz，阻尼為19.65%，其相應的2階振型如圖7所示。由于節點C2及C4處于橋墩處，阻尼較大，導致振型圖存在一定偏差。結合玉泉橋振動信號的模態分析及平均譜圖，玉泉橋的固有頻率約為14 Hz。

圖6 玉泉橋振動信號的平均譜圖

(a) 1階振型圖(b) 2階振型圖

圖7 玉泉橋前2階模態振型圖

3 跑車、剎車試驗

3.1 沖擊系數計算公式

沖擊系數是指汽車過橋時對橋梁結構產生的豎向動力效應的增大系數，即汽車荷載的動力影響，是評價橋梁結構安全性及行車舒適性的重要指標之一。在運動車輛荷載作用下，橋梁結構的變形和應力明顯高于橋梁在靜止車輛荷載作用下的變形和應力。無論是在橋梁設計還是橋梁承載力評估中，沖擊系數都是一個很重要的參數[17]。在橋梁承載力評估中，橋梁的動力放大效應一般以沖擊系數的形式在檢測報告中體現出來，一般可由下式[17，19-20]計算得出：

(1)

式中：δ為橋梁結構動力系數；μ為沖擊系數；Smax為動載作用下該測點最大應變(或撓度)值；Smean為相應的靜載荷作用下該測點最大應變(或撓度)值，

Smean=0.5(Smax+Smin)

(2)

Smin為與Smean相應的最小應變(或撓度)值。

另外，在測試動應變時域曲線時，由于應變片貼法的正負極性不同，用戶實測的動應變曲線的主峰很可能往下(為負值)，在這種情況下，沖擊系數的計算公式不變，但是Smax、Smean、Smin都將有所改變(Smax為動載作用下該測點最大動應變的絕對值；Smean為相應的靜載荷作用下該測點最大應變的絕對值；Smin為與Smean相應的最小應變的絕對值)。

3.2 試驗步驟

(1) 粘貼應變片。選用型號為BX120-80AA的混凝土應變片，以橋梁正中央為基準，粘貼第1片應變片，其余兩片應變片分別粘貼在距第1片應變片1.7 m的上下兩側處，如圖8所示；粘貼應變片之前先將地面用砂紙打磨，保證粘貼牢固；接著在定位出的十字中心用502膠水粘貼應變片，并再加一層硅膠作為保護膜，以防被來往車輛破壞。

(a) 示意圖

(b) 試驗圖

(2) 根據試驗需求，通過屏蔽線，采用1/4橋(三線制)(見圖9)的方式分別將3片應變片連接到兩臺TST5925EV采集模塊上，儀器通道如表1所示。

TST5925EV機號通道應變片2號機CH13號3號機CH1CH21號2號

(3) 兩臺TST5925EV采集模塊分別接入發射天線，無線路由器插孔內接入網線及接收天線，網線另一端接入筆記本電腦；認真檢查所有接口是否接觸良好，檢查所有裝置是否安全可靠后，接通并打開儀器的電源。

(4) 打開配套的TST5925EV無線遙測動態應變測試分析軟件，設置工程單位為應變με，采樣頻率為200 Hz，分析頻率78.13 Hz，采樣模式為連續采集，觸發方式為自由觸發，測量類型為應變應力；并進行平衡與清零。

(5) 跑車。汽車以給定速度10、20、30、40、60、80(以上)km/h等速度沿橋面正中間駛過，當汽車啟動時點擊開始采集，汽車駛過橋面時點擊停止采集，完成試驗。

(6) 剎車。汽車以給定速度10、20 km/h行駛至橋梁正中間時緊急剎車，當汽車啟動時點擊開始采集，汽車完成急剎后點擊停止采集，完成試驗；由于車速較高時，要在橋中緊急剎車，對車輛損傷較大，所以剎車試驗時只取了兩個較小的車速。

(7) 通過分析所得數據，計算相應沖擊系數。

3.3 數據分析

通過測試系統對所采集的數據進行分析，圖10及圖11分別給出了車速為10 km/h時，跑車及剎車作用下橋梁應變的時域信號圖。根據沖擊系數計算公式，需要獲得動載作用下橋梁產生應變的最大值及最小值，接著代入沖擊系數計算公式計算出相應的沖擊系數。由于試驗過程中，2號采集器中途電量不足，無法工作，故最終采集了3號機的數據(見表2)。

(a) 3號機1通道(通道3-1)(b) 3號機2通道(通道3-2)

圖10 跑車試驗時橋梁應變的時域信號圖(v=10 km/h)

圖11 剎車試驗時橋梁應變的時域信號圖(v=10 km/h)

在《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)的規范中，沖擊系數被界定為結構基頻的函數，《公路橋涵設計通用規范》第 5 條規定[21]：f≤1.5時，μ=0.05；1.5

根據表2可繪制橋梁的沖擊系數隨車載速度的變化曲線，如圖12所示。由圖可知，隨著車載速度的增加，沖擊系數的變化大致呈一個正弦曲線的形式。根據基頻及模態試驗可知，玉泉橋的振動基頻約為14 Hz，則按照《公路橋涵設計通用規范》，沖擊系數應為0.45。實測沖擊系數大致在0.3～0.7之間，兩個測點處各測得了8組數據，若分別取平均值，則1號測點處的沖擊系數為0.41，2號測點處的沖擊系數為0.31，略小于標準值。考慮到因實際跑車荷載效率偏低，實測沖擊系數相對誤差稍大，且該橋結構分布不均，本橋實測沖擊系數可用。

表2 跑車、剎車試驗時橋梁應變的最大值(|Smax|)、最小值(|Smin|)以及沖擊系數

圖12 沖擊系數隨車載速度的變化曲線

由表2可繪制兩個測點處的最大動應變及最小動應變的變化曲線圖，如圖13所示。由圖可知，隨著車載速度的增加，1號測點及2號測點處橋梁的最大動應變、最小動應變總體呈現增加的趨勢，但并非單調變化。

(a) 最大動應變

(b) 最小動應變

圖13 跑車試驗時兩個測點處動應變的變化曲線

4 結 語

基于環境激勵法，通過TST5926EV大型結構動態特性測試分析系統測得江蘇師范大學校內玉泉橋的1階固有頻率為14.26 Hz、阻尼比為5.00%，2階固有頻率為23.63 Hz，阻尼為19.65%，并給出了相應的2階振型圖。

通過跑車及剎車試驗，利用TST5925EV無線遙測動態應變測試分析系統測得了車載不同移動速度下的動態響應，并計算了該橋的沖擊系數。得到1號測點處的沖擊系數為0.41，2號測點處的沖擊系數為0.31。實驗過程中由于一部分采集設備電量不足導致試驗過程中一組數據缺失，最終測得的沖擊系數存在一定的誤差，但對比標準值，可知1號測點沖擊系數接近于標準值。橋梁的沖擊系數隨車載速度的增加大致呈正弦曲線的變化規律。