基于環境振動的橋梁結構使用性能評價

朱翔雷，王明偉，李廣慧

(鄭州航空工業管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州 450046)

1 引 言

橋梁結構在長期服役過程中，在各種因素作用下，往往會產生一定的損傷，導致結構抗力大幅度的衰減，對交通安全產生嚴重影響；因此需要對橋梁結構進行實時監測對其安全性進行評估，防止事故的發生。我國在大部分橋梁均安裝有健康監測系統，如蔡家嘉陵江特大橋[1]、東江大橋[2]、南廣鐵路西江特大橋[3]、南京大勝關長江大橋[4]、青銀線濟南黃河大橋[5]。

常規的橋梁健康監測，均是借助預埋在橋梁關鍵截面上的應力計、應變計或位移計，以關鍵斷面應力或位移為監測對象，通過采集到的橋梁結構截面上的技術參數(應力、應變、位移)與設定參數閾值對比，來進行橋梁結構使用性能或健康狀況的評價，但是這種橋梁使用性能評價方法有兩個致命的缺陷：

一是在橋梁關鍵截面預埋的應力計等元件的壽命一般只有15年，服役壽命遠低于橋梁壽命(120年)；其次，對于高次超靜定的多跨連續橋梁來說，個別截面的應力和變形超限或破壞未必會造成橋梁結構體系的性能降低，也并不會影響整個橋梁結構體系的健康或安全。正是這兩個明顯缺陷的存在，嚴重制約了常規橋梁健康監控技術的推廣和應用。

基于振型的橋梁安全性評估是基于結構動力響應的整體評估方法[6]。橋梁結構的質量、阻尼等物理參數與橋梁結構的模態參數存在著明確的對應關系，模態參數反映了結構固有的動力性能，若結構發生了損傷，其物理參數必然會發生改變，物理參數的變化又會引起結構模態參數的改變。因此，通過對結構物進行激振獲取模態參數的變化，可對橋梁的健康狀態進行評估。基于此，本文建立有限元模型獲取結構設計狀態的振型和頻率等模態參數，對橋梁現場采樣利用環境振動模態分析的方法獲取橋梁結構的模態參數，并對橋梁進行外觀檢測。通過對比綜合評價橋梁安全狀況。

2 橋梁結構模態健康監測

橋梁結構模態健康監測主要是通過對橋梁振動的監測得到橋梁結構動力響應的時間歷程，通過對數字信號的分析求得橋梁結構的頻響函數、脈沖響應函數，從而得到橋梁結構的非參數模型，通過參數識別方法求得橋梁結構的模態參數、物理參數，根據長期觀測這些參數變化[8]，進而由這些變化判定結構的健康狀態。

2.1 結構振動的模態分析基本理論

多自由度體系結構的動力特征可用運動微分方程表示[9]：

(1)

若無外荷載作用則：

(2)

式(2)為自由振動，解此方程可得：n個自振頻率以及與之相應的n個振型，則稱這一頻率與振型的組合為該結構的動力模態。

由上知，結構動力模態是結構固有動力性能。結構振動模態分析是結構動力性能分析的一種手段。

2.2 實驗模態分析

多自由度系統頻響函數為一函數矩陣：

H(ω)中對角元素Hee(ω)表示僅在第e個物理坐標上施加單位激勵而引起該坐標的位移響應。Hee(ω)稱為第e個物理坐標上的原點頻響函數或驅動點頻響函數。H(ω)中非對角元素Hef(ω)表示僅在第f個物理坐標上施加單位激勵而引起第e個物理坐標的位移響應[10]。Hef(ω)稱為第e、f個物理坐標之間的跨點頻響函數[11]。

由于頻響函數可直接測得。從理論上講，對于具有相同自由度的系統，模態參數數量遠少于物理參數數量，因此辨識模態參數相對于辨識物理參數更加簡單。由此促進了結構模態試驗檢測技術的發展。

2.3 模態參數識別

根據體系振動響應反求振動體系的模態參數、物理參數，即結構動力方程求解的逆過程，是為參數識別。結構振動參數識別屬于系統參數識別這一大課題的一分支，現代意義上的系統識別都是建立在最優控制原則上的，按照一定的最優控制準則和算法，使實驗數學模型和理論數學模型誤差最小，從而得到反映系統特性的最優數學模型。結構振動模態分析可在頻域、時域內進行，因借助的數學手段不一樣，形成多種分析方法。

2.4 環境振動模態分析

借助參數識別方法的發展，傳統的試驗模態分析方法發展為工作模態分析。橋梁結構在環境擾動作用下亦會發生輕微的振動，其振幅雖小，但頻率振型仍很明確[12]，這種隨機振動可借高精度測振設備測得；利用環境激勵作復點響應測量，即可測得運行狀態下的結構模態，對之作結構模態分析稱為環境激勵模態分析。其最大優點為無須停車，無須預埋件，無須現場操作。

2.5 結構使用性能評價

與正常結構比較，結構受損傷后，其性能必會發生某些變化，根據這些變化，亦可判別結構損傷，基于結構動力性能檢測的結構損傷判別，有如下判別方法：

(1)基于動力指紋的判別；

(2)基于小波變換的損傷診斷；

(3)基于人工智能的損傷判別。

神經網絡是模擬人腦識別的網絡，以積累的結構動力測試、損傷判斷、損傷處理為樣本，以結構體系為分類依據，用多層神經網絡可編制結構損傷診斷的人工智能搜索系統。基于環境振動的橋梁使用性能評價方法主要是利用橋面上布置的加速度傳感器采集環境振動條件下的橋梁結構振動信號，通過模式轉換分析給出橋梁的振動模態，對橋梁整體健康狀況做出科學合理的評價。

3 實例分析

3.1 項目概況

某橋梁為75m+135m+75m的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，分上、下行兩幅。支點處梁高7.5米，跨中梁高3.5米，從支點到跨中箱梁下緣按1.8次拋物線變化。主梁采用單箱單室斷面，單幅箱梁頂板寬16.25m，箱梁底板寬9m，箱體寬度在國內同類型橋梁中居領先地位，如圖1、圖2所示。為提高箱梁的抗扭剛度，同時滿足體外束轉向的需要，因此在邊跨設置四道橫隔板，中跨設置八道橫隔板，橫隔板間距9.6—17.6m。為了提高橋面板的橫向抗彎剛度，適當加厚了頂板厚度。橋梁共劃分節段68段，除0#塊外，其余節段長度分為3.2m和4.8m兩種。梁體建造采用支架現澆和掛籃懸澆的方式進行施工。

圖1 跨中截面圖

圖2 支點截面圖

3.2 橋跨主體結構外觀檢測

3.2.1橋面系檢查

在右幅橋梁橋面系伸縮縫錨固區混凝土順向開裂30道，可見裂縫長度達0.4m，最大寬度達到0.3mm。止水帶開裂，長度達8.0m。左幅橋梁橋面系未發現明顯病害。

3.2.2上部結構檢查

右幅橋梁上部結構箱室鋼混結合處距墩3.4m，距底板1.4m處斜向裂縫1道，長1.4m，寬0.2mm。左幅橋梁：在距墩3.5m箱室內鋼混結合處，出現長度達1.1m，寬度達0.2mm的橫向裂縫并在附近出現斜裂縫，長度達1.9m，最大寬度達到0.15mm(見圖3)。在梁板底跨中處距左側腹板1.1m處附近出現混凝土不密實，露筋，面積約為1.8m×0.4m(見圖4)。梁左側腹板距墩3.4m，距腹板底1.2m處出現斜向裂縫，長度達2.8m，寬度0.2mm；距墩1.4m，距腹板底1.0m處出現斜向45°裂縫1道，長1.5m，寬0.18mm。

3.2.3下部結構檢查

左右幅橋梁下部結構并未發現明顯的破損現象。

圖3 腹板斜裂縫

圖4 混凝土破損

3.3 基于環境振動的模態分析

3.3.1有限元模型建立

利用有限元軟件Midas/civil建立三維橋梁結構模型，對結構進行動力特性和地震反應分析。考慮相鄰結構的耦聯作用，建立包括相鄰連續箱梁的三維有限元模型，如圖5所示。

圖5 橋梁有限元模型

3.3.2現場動態加速度測試

為提高大跨橋梁結構健康監測的模態參數的模態分辨率，傳感器采用非均勻布置的方案。全橋共三跨，邊跨在跨中、中跨在四分點處設置加速度測點，共計5個加速度測點；采樣頻率為100Hz，采集時間為20min。對橋梁振動信號進行時域和頻域分析。該橋梁體實測自振頻率和理論頻率如表 1所示,測點布置如圖6所示。

圖6 測點布置圖

3.3.3振動模態分析

表1 結構體系基本動力特征

圖7 橋梁振型圖

根據現場測試結果表1、圖7所示：橋梁實測一階對稱豎向彎曲頻率為1.074Hz，計算值為0.76205Hz；橋梁一階反對稱豎向彎曲頻率為2.051Hz，計算值為1.2386Hz。阻尼比為6.592%；橋梁橫向對稱彎曲頻率為2.051Hz，阻尼比為6.853%。

3.4 使用性能評價

在橋梁外觀檢測中可以看到，雖然在伸縮縫錨固區出現開裂、部分混凝土不密實，鋼混結合處出現斜裂縫，但橋梁結構的完整性強，橋梁的檢測振型和設計振型保持一致，橋梁實測一階頻率1.074Hz大于一階設計頻率0.76205Hz，二階頻率2.05Hz大于二階設計頻率1.2386Hz；結構的豎向動力剛度滿足安全性要求，橋梁整體健康。

4 結 語

對于高次超靜定的多跨連續橋梁來說，個別截面的應力和變形超限或破壞未必會造成橋梁結構體系的性能降低，也并不會影響整個橋梁結構體系的健康或安全。目前橋梁健康評價體系中難以反映局部損傷對結構整體健康狀態的影響情況。本文提出基于環境振動的橋梁使用性能評價是基于結構動力響應的整體評價方法，通過外觀檢測和環境振動模態分析綜合評估橋梁健康狀態，對結構健康狀況的評估具有借鑒意義。