劉江黃河大橋主橋運行環境下的振動測試

王潔WANG Jie

（重慶交通大學，重慶 400074）

（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

1 劉江黃河大橋主橋概況

劉江黃河大橋是京港澳高速公路的關鍵工程，全長近10km，雙向八車道高速公路設計。主橋采用8×100m 下承式鋼管混凝土系桿拱橋，上下行分離，雙向8 車道。單幅橋面凈寬21m，主橋每跨兩墩中心距100m，計算跨度95.5m，矢跨比1/4.5。采用懸鏈拱軸線，拱軸系數1.347[1]。

上部結構上下行為分離式的兩座橋。每座橋有兩片拱肋，每片拱肋采用兩根Ф1000×16mm 焊接鋼管，之間用兩塊厚16mm 腹板焊接形成高2.4m、寬l.1m 的雙啞鈴型斷面。為加強拱肋的橫向聯系，保證橋梁的橫向穩定性，由三道橫撐聯系兩拱肋，形成空間結構。

吊桿采用91 根Ф7mm 鍍鋅高強鋼絲，雙層PE 保護，采用OVM 冷鑄鐓頭錨。每跨設12 對吊桿，吊桿縱橋向間距7.1m。

系梁、端橫梁采用預應力混凝土箱梁，中橫梁采用預應力混凝土工字形組合梁，兩端與預應力鋼筋混凝土箱形截面系桿梁整澆在一起，系桿梁通過吊桿懸吊在鋼管混凝土拱肋上。橋面板為普通鋼筋混凝土Π 形板，上鋪80mm厚鋼筋混凝土現澆鋪裝層。

主橋下部結構為空心墩，群樁基礎。當柱高在7m 以上時，樁頂設置橫梁系，橋面橫坡由樁柱調整。

2 環境振動下的系統識別

2.1 系統識別的概念及原理 橋梁、高層建筑等工程結構可視為“系統”，“識別”則意味著由靜力、動力實驗數據求得結構的靜力、動力特性。這些實測的結構靜力、動力特性可作為結構有限元模型修正、結構損傷檢測、結構狀態評定、結構控制和結構實時監測的基礎。

系統識別的基本原理是建立在已知系統的輸出和輸入來求得頻率響應函數（頻域）或脈沖響應函數（時域），從而實現對系統特性的識別[2]。對工程結構而言，結構振動響應可以由安置在結構各部位的傳感器采集得到，現場實驗條件、結構的復雜性和實測數據質量等因素往往會限制一些激振設備的使用。對劉江黃河大橋進行振動測試，必須是在開放交通的條件下，用環境激勵引起的振動對結構系統進行識別很好地滿足這一要求。為消除非激勵因素導致的干擾成分，應保證原始數據采集的足夠長，保證足夠多的平均次數。

2.2 系統識別方法 目前常用的一些環境振動系統識別方法有：基于功率譜密度的峰值法、基于離散時間數據的ARMA 模型、自然激勵技術（NEXT）和隨機子空間法等[3]。在進行劉江黃河大橋主橋工作條件下的環境振動試驗采用頻域識別的峰值法和時域識別的隨機子空間方法，分析該主橋的動力特性，并對計算結果進行分析比較。

2.2.1 峰值法 峰值法是一種簡單的識別結構模態參數的方法，基于結構自振頻率在其頻率響應函數上會出現峰值，能通過峰值較好地估計結構的特征頻率。特征頻率僅由平均正則化了的功率譜密度（ANPS-Ds）曲線上的峰值來確定，功率譜密度是用離散傅里葉變換（DFT）將實測加速度數據轉換到頻域后直接求得。振型分量由傳遞函數在特征頻率處的值確定。峰值法是一種頻域識別方法，計算簡單且處理速度快。但峰值法也存在不足：①僅限于實模態和比例阻尼結構；②阻尼估計結果可信度不高；③峰值的攝取往往是主觀的；④峰值法得到的是工作撓曲形狀而不是振型。

2.2.2 隨機子空間法

結構系統可以被描述成如下狀態方程：

另一方面，系統的輸出矢量可以寫成系統狀態的線性組合形式

以上兩公式構成了一個動力學系統的連續時間狀態空間模型[4]，在引入各種假定及系統的不確定性后，得到環境振動時域內系統識別的基本方程：

隨機子空間識別算法是用以上方程實現環境振動系統識別較為先進的方法。其核心是把“將來”輸出的行空間投影到“過去”輸出的行空間上，投影的結果是保留了“過去”的全部信息，并用此預測“將來”。

3 劉江黃河大橋環境振動試驗

3.1 試驗儀器 劉江黃河大橋主橋環境振動測試采用中國地震局工程力學研究所生產的891-4 型拾震器，根據需要測定測點的加速度、速度或位移參量。橋梁振動信號通過信號線、放大器和USB 口連接到筆記本電腦，用動力數據測試系統進行采集和記錄。

3.2 試驗測點布置 劉江黃河大橋主橋共有8 跨，且上下行分離，相當于由16 座簡支下承式鋼管混凝土拱橋組成，它們除坡度不同外，其它尺寸均相同。為此，選取其中鄭州至新鄉方向第6 跨進行動力測試和分析。在拱腳支座和剛性系桿上每根吊桿的位置布置加速度傳感器，在測點2、3 位置處設置參照點。

3.3 測試結果及結論分析 將試驗所測數據導入相關模型系統，分別用頻域識別的峰值法和時域識別的隨機子空間法對測試信號進行分析，得到64Hz、128Hz 頻率下豎向、橫向加速度響應振動穩定圖，橫向、豎向、扭轉、橋面前10 階振型圖，兩種模型下的橋梁自振頻率等。實測橋梁動力特性與數值模擬值比較如表1。

由各階振型圖得知，劉江黃河大橋主橋豎向二階和扭轉振動對該橋吊桿的損傷比較敏感，同時吊桿的損傷對橋面橫向振動影響也較大。由表1，主橋結構豎向二階、橋面橫向振動自振頻率計算值與實測值分別相差-0.603%和4.3349%，誤差相對較小。

通過振型圖可看出，實測模擬振型與通過結構理論得到的振型基本相似，能夠比較好的表現該橋目前的運行狀況，初步推知劉江黃河大橋主橋整體結構基本處于完好狀態。

峰值法和隨機子空間結構法模擬出來的該橋各階自振頻率走勢與橋梁完好狀態下計算出的自振頻率是一致的，說明在不中斷繁忙的正常交通情況下所進行的環境激勵振動試驗是成功的。

同時，可看到結構扭轉頻率的實測值與計算值誤差相對較大，可能為部分吊桿承載能力下降所造成的，應進一步對全橋吊桿的索力進行檢測，保證橋梁的通行安全。

[1]李玉亭，劉國杰，等.新鄉至鄭州高速公路竣工驗收文件[Z].河南省新鄉至鄭州高速公路建設有限公司，2010.

[2]任偉新.環境振動系統識別方法的比較分析[J].福州大學學報（自然科學版），2001，29（6）：80-88.

[3]劉宇飛，辛克貴，樊建生，等.環境激勵下結構模態參數識別方法綜述[J].工程力學，2014，31（4）：46-52.

[4]陶杰.基于隨機子空間方法的結構模態分析及損傷識別[D].重慶大學.