基于監(jiān)測的跨海索橋動態(tài)特性受環(huán)境影響分析

苗祥泰，孫宗光，趙洪偉

(大連海事大學(xué)道路與橋梁研究所，遼寧 大連 116023)

橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性代表了結(jié)構(gòu)的固有特性，是宏觀評價橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度、運營性能和健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。由于環(huán)境與運營條件的變化，橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)特性具有一定的時變特征，當(dāng)基于動態(tài)特性對橋梁結(jié)構(gòu)進行評價時，必須要了解、掌握甚至量化這種變異特征，以便將動力特性的正常變化與結(jié)構(gòu)損傷等導(dǎo)致的異常變化區(qū)分開來。隨著橋梁長期監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境因素影響下動態(tài)特性的變異性引起學(xué)者的關(guān)注。Peerters等[1]對一小型混凝土箱梁橋在人工損傷試驗之前進行了監(jiān)測，通過將新的監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型比較，得到除溫度之外結(jié)構(gòu)損傷也導(dǎo)致固有頻率的變化。張啟偉等[2]基于徐浦大橋連續(xù)24 h的環(huán)境振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了斜拉橋在正常運營條件下動力特性的變化。付光來[3]以新沂河大橋第九聯(lián)連續(xù)梁橋為研究對象，論述了溫度、車輛荷載等環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率影響的機理。對于大跨度橋梁臺風(fēng)會誘發(fā)結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[4]，F(xiàn)ujino等[5]就風(fēng)速對Hakucho懸索橋基本模態(tài)特性的影響進行研究，表明第一階豎向彎曲模態(tài)的固有頻率隨著風(fēng)速的增加而明顯降低。對大跨度矮塔斜拉橋的研究[6]表明，溫度主要通過改變混凝土材料的彈性模量從而對橋梁的動力特性產(chǎn)生影響。車輛和溫度對橋梁的動力特性影響研究[7]表明，溫度和車輛以及其它因素都對橋梁動力特性產(chǎn)生影響。海洋環(huán)境呈現(xiàn)一定的特殊性，選擇三座特殊類型的跨海索橋，分別為稀索斜拉橋、獨柱式三塔斜拉橋、獨柱式單塔自錨懸索橋，基于實際運營條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)對全年不同季節(jié)的溫度影響和強風(fēng)環(huán)境下振動頻率的變異性進行了分析。

1 溫度對頻率的影響

1.1 溫度對模態(tài)頻率的影響機理分析

環(huán)境溫度是長期影響結(jié)構(gòu)動力特性的一個主要環(huán)境因素。胡濤[8]研究了環(huán)境溫度對上承式鋼管混凝土拱橋自振特性的影響，指出環(huán)境溫度對橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的影響是由材料的溫變特性、結(jié)構(gòu)幾何尺寸的溫變特性、結(jié)構(gòu)初始溫度內(nèi)力、支座剛度的溫變特性、結(jié)構(gòu)邊界類型的溫變特性共同作用的結(jié)果。

Xia，Y[9]等所做研究表明，在橋梁的邊界條件、約束不發(fā)生變化的前提下，幾何尺寸的改變對模態(tài)頻率的影響與彈性模量改變帶來的變化相比非常小。假設(shè)彈性模量隨溫度的變化為[10]

E1=E0+β(T1-T0)=E0+βθ

(1)

式中：θ=T1-T0=ΔT；β為彈性模量隨單位溫度的變化幅度。在環(huán)境溫度作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的膨脹和收縮效應(yīng)

L1=L0(1+αθ)

(2)

在θ≤100 ℃，對于混凝土材料可取β=-4.5×10-3E0，而對于鋼材取β=-1.8×10-4E0。同時取混凝土材料的α=1.0×10-5，鋼材的α=1.1×10-5。

文獻[11]以簡支梁為例，分析了頻率隨著溫度變化規(guī)律。對于給定的某階頻率，ω和θ具有近似直線關(guān)系，可以采用線性回歸分析。

1.2 膠州灣全年溫度的統(tǒng)計特征

這里有關(guān)溫度對跨海索橋模態(tài)頻率的影響，將基于膠州灣跨海大橋的兩座索橋加以討論。圖1(a)所示為連續(xù)一年的膠州灣跨海大橋橋面氣溫時程記錄，其概率分布如圖1(b)所示。

圖1 橋址年氣溫監(jiān)測值

f(x)=γf1(x)+(1-γ)f2(x)

(3)

(4)

(5)

采用上述概率密度模型，對溫度的概率分布進行擬合，并且采用顯著性水平。

α=0.1的皮爾遜-檢驗，得到的擬合參數(shù)如表1所列。呈現(xiàn)了海洋環(huán)境下總體溫差較小，溫度變化和緩的特征。

表1 四年氣溫概率密度擬合參數(shù)

1.3 稀索斜拉橋

橋梁結(jié)構(gòu)振動特性的變異性主要與環(huán)境條件和交通荷載的變化有關(guān)，其中溫度是影響橋梁動態(tài)特性的最重要因素，尤其是對于中、小跨徑橋梁。溫度變化可能會影響結(jié)構(gòu)的邊界條件和材料屬性。根據(jù)實際測量的結(jié)果已經(jīng)證實，通常情況下隨著溫度的升高，橋梁的固有頻率會隨之下降。

圖2 滄口斜拉橋同一傳感器不同季節(jié)加速度頻譜的比較

通常情況下，隨著橋梁跨度的增大，頻率對溫度的敏感性會降低。膠州灣跨海大橋滄口斜拉橋為一座鋼箱梁稀索斜拉橋。主梁跨中豎向加速度在不同季節(jié)的FFT譜比較如圖2所示。可見，和低溫時段相比，高溫時段的加速度譜明顯向低頻方向移動，其中部分頻段較為顯著。

基于該加速度傳感器在年周期內(nèi)進行若干次頻率識別，圖3所示為識別的幾個頻率與氣溫之間的關(guān)系。不同頻率對溫度的敏感性是不同的，頻率的年變化范圍在3%～5%以內(nèi)。

圖3 滄口斜拉橋的幾個頻率與氣溫的關(guān)系

表2 滄口斜拉橋監(jiān)測系統(tǒng)識別的自振頻率與溫度關(guān)系

1.4 單塔自錨懸索橋

膠州灣跨海大橋大沽河橋為獨柱式單塔自錨式懸索橋。圖4為主梁跨中豎向加速度在不同季節(jié)的FFT譜比較，圖5所示為識別的幾個頻率與氣溫之間的關(guān)系。

圖4 大沽河懸索橋同一傳感器不同季節(jié)加速度頻譜的比較

圖5 大沽河懸索橋幾個頻率與氣溫的關(guān)系

表3 大沽河橋監(jiān)測系統(tǒng)識別的自振頻率與溫度關(guān)系

溫度對低階頻率影響較小，頻率對溫度的敏感性隨著頻率階次的升高而增大，并呈現(xiàn)顯著的線性負相關(guān)。

2 強風(fēng)對頻率的影響

香港汀九橋為三塔四跨單層橋面跨海斜拉橋，跨徑布置為127 m+448 m+475 m+127 m。由模態(tài)分析和試驗測試得到的前4個豎向彎曲模態(tài)頻率如表4所列[11]。在臺風(fēng)York(1999年9月16日)影響下，橋址最大風(fēng)速接近40 m/s。由監(jiān)測系統(tǒng)記錄的橋面水平風(fēng)速15 min平均值如圖6所示。采用橋面一點豎向加速度數(shù)據(jù)分析，0∶ 00、9∶ 00、13∶ 00的加速度頻譜如圖7所示。從中可見，上述兩階豎彎模態(tài)頻率在三個時段存在顯著差異。從三個時段的風(fēng)速和溫度影響綜合相關(guān)分析，可以看出這種差異主要來自風(fēng)速。

表4 汀九橋前4階豎向彎曲模態(tài)頻率

圖6 臺風(fēng)“York”15 min平均風(fēng)速

圖7 臺風(fēng)期間不同時段的加速度譜

圖8 臺風(fēng)期間頻率與風(fēng)速的關(guān)系

為考察臺風(fēng)期間汀九橋頻率受風(fēng)速的影響情況，對多個時段的加速度數(shù)據(jù)進行了分析，上述第1和第4兩階頻率與對應(yīng)時段的平均風(fēng)速之間的關(guān)系如圖8所示?？梢?，平均風(fēng)速和頻率之間的關(guān)系存在較大的離散性，但是隨著平均風(fēng)速的增大，頻率總體上呈下降趨勢。就本例分析而言，當(dāng)平均風(fēng)速從10 m/s增大到35 m/s時，第1階豎彎模態(tài)頻率平均下降約6%，第4階平均下降約4%。

3 結(jié) 論

溫度對低階頻率影響較小，頻率對溫度的敏感性隨著頻率階次的升高而增大，并呈現(xiàn)顯著的線性負相關(guān)。平均風(fēng)速和頻率之間的關(guān)系存在較大的離散性， 但是隨著平均風(fēng)速的增大， 頻率總體上呈下降趨勢。就斜拉橋?qū)嵗治霰砻鳎?dāng)平均風(fēng)速從10 m/s增大到35 m/s時，第1階豎彎模態(tài)頻率平均下降約6%，第4階平均下降約4%。橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是宏觀評價橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度、運營性能和健康狀態(tài)的重要“指紋”。這一變異性是運營中橋梁的正常行為，在基于結(jié)構(gòu)動力指紋分析評價結(jié)構(gòu)狀態(tài)時必須給予充分考慮。