大跨度連續剛構橋模態分析與測試

李 猛

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640)

大跨度連續剛構橋模態分析與測試

李 猛

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640)

采用大型有限元軟件midas civil 2010對東江南特大橋特征值進行分析，取前3階豎向振動頻率與實際值進行對比，并將橋梁振動模態實驗檢測方法用于無損檢測中，指出采用該方法對橋梁結構進行動力測試，無需封橋，值得推廣。

連續剛構橋，模態分析，模態測試，自振頻率

0 引言

一般地，以振動理論為基礎、以模態參數為目標的分析方法，稱為模態分析。結構振動模態是結構固有的、整體的特性，結構在各種激勵下的動力響應是其整體動力特性的一種量度。當構件的物理、力學特性因損傷而發生變化時，動力特性也將發生變化，這一變化可以通過振動測試方法量測到，因此理論上可以通過模態分析的方法識別損傷。相對一些靜態的無損檢測方法，振動模態分析測量簡便、迅速，節省實驗經費，分析和識別方法比較成熟，數據適宜遠傳，一般無需封橋。近年來，隨著橋梁跨度不斷變大，橋梁的動力問題越來越突出，因此，橋梁振動模態實驗檢測方法受到廣泛關注。

1 分析原理

結構體系的運動方程為：

其中，［M］為質量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣; {u}為節點位移向量;{F(t)}為節點荷載向量。

本文采用了能充分利用［M］和{K}的稀疏帶狀性質的子空間迭代法來求解特征方程。

2 工程背景

東江南特大橋位于廣深沿江高速東莞段沙田鎮內，主橋全長548 m，跨徑為(146+256+146)m的預應力混凝土連續剛構。荷載等級：公路—Ⅰ級。箱梁采用C60混凝土，半幅橋面寬19．85 m，單箱雙室斷面，其中箱底寬12．85 m，兩側懸臂翼緣板寬3．5 m;箱梁根部梁體中心線梁高H根=15．5 m，跨中及端頭梁中心線梁高H中=5．20 m，箱梁梁高采用 1．6 次拋物線變化，H根/L=1/16．516，H中/L=1/49．231，箱梁的腹板厚度0號塊采用90 cm，端頭塊腹板厚度采用45 cm漸變到70 cm，中、邊跨合龍段采用45 cm，其余塊體腹板厚度從45 cm漸變到75 cm。大橋整體圖見圖1。

3 有限元模型的建立

使用midas civil 2010建立該橋的有限元模型(見圖2)，采用空間桿系結構模型，橋墩和主梁都模擬為梁單元。結構的離散除在墩頂受力復雜處、布置了測點的截面及薄壁墩外，其余都按主梁施工梁段劃分。東江南特大橋共劃分239個節點，208個單元，其中主梁計算單元168個，墩單元42個，主梁與墩的連接采用主從節點處理。

圖1 東江南特大橋整體圖

圖2 東江南特大橋有限元模型

對結構進行特征值分析，自振頻率計算結果取前三階頻率，結果見表1，前三階振型圖見圖3。

表1 東江南特大橋主梁豎向振動測試頻率(一)

圖3 東江南特大橋前三階振型圖

4 固有頻率測試

本次測試主要測試主梁沿豎向的振動，沿主梁縱向布設豎向拾振器，整體布置見圖4，其中測點布置在主梁邊跨L/2和主跨L/4，L/2，3L/4 處，共4 個測點。

大跨度橋梁的振動特性測試采用基于環境激勵的模態試驗方法。任何大型結構物都存在一定的振動環境，例如風、水流沖擊、大地脈動、移動的車輛引起的振動等，在這些自然環境的激勵下，結構物都會產生微弱的振動。對于柔性結構拉索橋，在強風或大量汽車不斷行駛的情況下，這種環境振動還可能是很大的。雖然我們對這些激勵特性無法精確定量，但可合理地假定這些激勵是近似的平穩隨機信號，其頻譜是具有一定帶寬的連續譜，在帶寬內基本覆蓋了對結構物感興趣的頻帶，從而在結構物的自然環境激勵下的振動信號中包含了這些模態?；诃h境激勵的模態測試技術就是僅僅通過結構在自然環境下的振動響應來進行的，通過拾取結構在環境激勵下的響應，再進行模態分析，從而得到結構的動力特性。測試流程如圖5所示，測試儀器列于表2。

圖4 健康監測固有頻率測試速度傳感器布置圖

圖5 測試流程圖

表2 測試儀器列表

本次測試由布置在主梁上的4個豎向拾振器測試出主梁豎向振動頻率，結果見表3。本次測試共識別出3階豎向振動頻率。本橋前三階模態測試結果見圖6～圖8。

圖6 東江南特大橋一階模態測試結果圖

圖7 東江南特大橋二階模態測試結果圖

圖8 東江南特大橋三階模態測試結果圖

表3 東江南特大橋主梁豎向振動測試頻率(二)

5 結語

利用大型有限元軟件midas civil 2010對連續剛構橋進行動力特性分析，得到主梁自振頻率和振型。并與實測值進行對比。由于理論計算所取的剛度，彈性模量等值與實際不同，理論值與實際值存在偏差，但偏差不大。通過對橋梁結構自振頻率的測試，可以得知橋梁的動力性能。且使用該方法對橋梁結構進行動力測試，無需封橋，因此橋梁振動模態實驗檢測方法應受到廣泛關注。

［1］張海波，何軍擁．基于MIDAS的大跨度連續剛構橋振動特性分析［J］．廣州航海高等?？茖W校學報，2012(3)：34-35．

［2］李國豪．橋梁結構穩定與振動［M］．北京：中國鐵道出版社，2002．

［3］戴詩亮．隨機振動實驗技術［M］．北京：清華大學出版社，1984．

［4］華南理工大學城市建設研究中心．廣東省西部沿海高速公路崖門大橋施工監控工作總結［R］．2002．

［5］吳天毅．測試技術與測試信號處理［M］．北京：清華大學出版社，1991．

［6］張阿舟．實用振動工程(3)——振動測量與試驗［M］．北京：航空工業出版社，1997．

On modal analysis and test of large-span continuous rigid frame bridge

LI Meng

(Civil Engineering Communications College，South China of Technology，Guangzhou 510640，China)

The paper adopts，midas civil，the large-scale finite element software，to analyze the eigenvalue of Dongjiangnan Super-large Bridge，compares the three selected 3-step vertical frequency with the factual values，adopts the testing methods of the bridge vibration model tests in the nondestructive tests，and points out the method can undertake the dynamic test on the bridge structure without sealing bridges，so it can be further extended．

continuous rigid frame bridge，modal analysis，modal test，self-vibration frequency

U448．23

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.050

1009-6825(2013)10-0146-02

2013-01-07

李 猛(1987-)，男，在讀碩士