基于動載試驗模態柔度分析法在大跨連續梁橋狀態評估中應用

蘇交科集團股份有限公司 / 楊超

引言

全橋承載能力相對可靠評估方法目前主要有傳統的靜載試驗方法，在橋梁中斷交通情況下，對橋梁進行加載試驗，測量與橋梁結構性能相關的靜力參數，如變形撓度、應變、裂縫等，通過分析這些參數，可直接判定橋梁結構的靜承載力。

本文根據一種用于OMA的頻域空間域分解法，將動載試驗與模態柔度方法相結合，在不通車條件下落錘模態試驗或跑車激勵試驗，可以在無需進行有限元建模直接得到較為精確的模態比例因子，獲得橋梁結構的模態柔度矩陣，從而可以僅用對交通干擾很小的動載試驗就可用實測動力特性參數直接推算得到在靜載試驗各工況下的結構控制點撓度，從而大大簡化了該方法后期分析的難度；項目還將研究采用簡單工程有限元模型，并結合模型修正技術，通過運行狀態模態分析技術，求取橋梁結構靜柔度的方法。

1 工程實例分析

北澄子河大橋主橋上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，主橋箱梁0號塊位置處橫隔梁厚度為2.5m，邊跨端部處的橫隔梁厚度為1.8m。箱梁在底板橫橋向保持水平，頂板有2%的橫坡，并通過左右側腹板來調整橫坡。

在橋址附近，無規則振源的情況下，通過動力測試采集系統，測定橋址處地脈動隨機荷載激振而引起橋梁結構的振動響應，測得結構的振動頻率、振型等動力學特征。為了保證測試安全，北澄子河大橋的模態測試在封閉交通的單幅橋面上進行，其激勵主要來自于地脈動。由于對面的另一幅橋面處于正常通車狀態，因此激勵能量良好。測試中共設置了34個測點，布置于橋面兩側，使用13個單向加速度傳感器，采用16通道動態信號分析儀分三批進行數據采集，其中還設置了兩個參考測點（見圖1）。同時為了確保測試的準確，通過建立有限元仿真模型來與模態實測值進行對比，對比表見表1。

圖1 北澄子河大橋振動測點布置圖

表1 北澄子河大橋模態實測值與理論計算值對比表

2 模態撓度計算

利用北澄子河大橋的有限元模型，對實驗模態振型質量歸一化，按如下兩種方法計算靜載試驗荷載作用下二個截面的試驗模態撓度或靜力分析撓度，與其靜撓度實測值比較，說明采用動載試驗模態柔度分析法應用于橋梁結構狀態評估的可行性和有效性。利用有限元模型對實驗模態振型質量歸一化，通過計算兩輛重載車加載作用三個荷載工況下二個截面的試驗模態撓度和靜力分析撓度，與其靜撓度實測值比較，結果如表2所示，其中各撓度值的單位為mm，誤差為相對誤差。

表2 有限元模型的試驗模態撓度和靜力分析撓度與靜撓度實測值的比較

圖2 跨中加載狀態下各個測點撓度實測值

圖3 跨中加載狀態下有限元模擬撓度實測值

在北澄子河大橋修正后有限元模型中進行跨中加載，得到跨中有限元模型計算值。從表2中可見，主跨跨中截面、邊跨跨中截面靜力實測值和模態分析值已相當接近，誤差小于10%，這對大跨度連續梁橋梁結構來說是完全可以接受范圍。

3 結語

本文研究了從識別的復模態中提取實模態、以及基于簡單工程有限元模型實現振型歸一和模態撓度計算等關鍵技術。針對江蘇省揚州市省道S237北澄子河大橋，利用有限元通用分析軟件，建立了工程有限元模型，并基于試驗結果進行了模型修正。利用修正后的有限元模型求得了模態比例因子，并估算了特定載荷下的撓度，得到良好結果。