彎型鋼箱梁動載實驗模態分析

(五邑大學 廣東 江門 529020)

彎型鋼箱梁動載實驗模態分析

付前龍

(五邑大學廣東江門529020)

振動對于橋梁工程來說是一種常見現象，通過對廣佛江快速通道某段輔道工程段進行了動力測試[1]，得出其振動模態參數[2]。然后，在實驗所得的結果數據中，選取最具有分析價值的模態，畫出振型圖并分析在結構振動中占主導作用的模態，試驗結果可以識別彎橋鋼箱梁結構振動頻率密集分布于低頻范圍內，以保證結構的可靠性。

連續鋼箱梁；振動；動載實驗；模態分析

一、引言

隨著社會的日益發展，人們對交通出行的便捷越來越高，在車輛密集度高的城市中心區域和道路交通復雜連接處，常常會設置高架橋作為銜接，以實現車輛的分流，提高通勤效率。而且，大型結構橋梁的破壞大多都是由于振動引起的。每年國內外結構在設計使用年限內由于振動而發生的嚴重事故的例子也是屢見不鮮的。

二、工程概況

廣佛江快速通道某段輔道工程(西環路隧道—五邑路)段輔道位于主線第二標段的兩側，路線走向與廣佛江快速通道江門段(第二標段)主線相同。輔道全長約19.3km(左、右側輔道合計)。本段施工圖范圍為龍灣路—五邑路段(主線樁號范圍：K27+100—K28+710)段，左、右兩側輔道合計全長約3.22km(另含1個五邑路直連式部分互通立交的匝道和被交路工程)。

該論文主要論述鋼箱梁主橋45m+70m+45m部分。本文主要通過試驗分析高架橋的振動模態來評價彎型鋼箱梁結構系統的動態特性—模態振型。來判斷結構的動態特性是否符合要求。

三、模態分析原理

模態分析是了解結構動力特性并以此分析結構動力響應的基礎。其基本思想是將結構振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，解耦方程組，將其變換為一組以模態坐標為模態參數描述的獨立方程，以此得出系統的動力參數。

為了保證已建橋梁正常使用時的安全性和可靠性，對既有橋梁結構的監測與評價越來越引起國內外學者的重視。在車輛動荷載和個別情況下風力和地震地面運動作用下。橋梁結構產生的振動會增大按靜力計算內力，可能引起結構局部疲勞損傷或形成影響橋面行人的舒適與安全的振動變形和加速度，甚至使橋梁完全破壞。

四、振動模態試驗監測步驟

一般地，橋梁模態分析過程大致可分為測試系統建立、響應數據采集、模態參數估計和模態模型驗證這四個步驟。

測試系統建立是模態分析前期準備過程，主要包括橋梁結構的理論模型建立及分析計算，模態試驗方案的確定(包括試驗激振方式的確定、傳感器以及數據采集分析儀器的選擇等)，測試系統的安裝、調試及校準。

(一)試驗儀器選取

試驗現場我們所使用的振動模態測試設備主要是由拾振器、采集器、信號放大器和電腦組成。本次工程采用的是環境隨機振動法。拾振儀采用國家地震局工程力學研究所研制生產891-Ⅱ速度型傳感器，放大裝置采用與之匹配的891-Ⅱ放大器，數據采集系統使用東方所INV數據采集分析儀。拾振器型號選擇、放大器參數設定和數據處理軟件的設置是試驗儀器組裝的重要環節，會直接關系到測試數據成功與否。

(二)試驗方案

本次試驗采用的是載重30t的泥土車，分別以10km/h；20km/h；30km/h；40km/h來回駛過彎型鋼箱梁立交，以及跳車，剎車來激勵出模態振動。跨中鋼箱梁的設計為主橋45m+70m+45m。測點的布置為高架橋彎型鋼箱梁邊跨45m的三等分點處和跨中75m的四等分點處。沿橋梁的橫向在各測試斷面上均布布置1個測點。每個測試點均放置一個豎向振動型壓電式傳感器，以測量橋梁的振動響應數據。

五、振動模態實例分析

(一)模態試驗測試數據分析

利用試驗設備測試到該45+70+45m彎型鋼箱梁主梁結構的前三階振型值，見下表1。

表1 模態試驗結果

(二)模態試驗結果分析

試驗數據采集完成之后，利用Midas/Civil模態分析軟件進行模態參數的估計，辨別以及模態模型驗證。經過分析計算，我們可以得到，該彎型鋼箱梁的一階振型是以兩側橋臺和主跨跨中為基點，主跨L/4和3L/4處為頂點的類正弦曲線狀的變形；二階振型是以兩側橋墩為基點，主跨跨中處為頂點的類懸鏈線曲線狀的變形；三階振型是以兩側橋墩和主跨跨中處為基點，兩側主拱圈與橋面相交處為頂點的兩條類懸鏈線狀的變形。

根據各階振型圖

圖2 一階振型圖

圖3 二階振型圖

可以分析可得出，該橋主跨的L/4、跨中以及3L/4處的振動變形相對較大，因此，在運營階段需要在相應斷面處布置控制點。

六、小結

本文采用的是頻域分解法識別橋梁的模態參數，進而實現對橋梁運行狀態的評定。該方法只需測出橋梁在環境激勵下(包括地脈動、風荷載和車輛激勵)的功率譜響應函數，在此基礎上進行奇異值分解，可以識別出橋梁的模態參數。試驗證明該方法能很有效的用于橋梁承載力和使用狀況評估。

[1]余天慶，王邦楣.工程材料與橋梁結構的力學性能測試[M].北京：國防工業出版社，1997.

[2]鄧炎，嚴普強.橋梁結構損傷的振動模態檢測[J].振動，測試與診斷，1999,19(3)：157—163.

[3]L Fryba.M Pirner.Load test and modal analysis of bridges[J].Engineering Structures.2001.23(1):102—109.

付前龍(1991.04-)，男，漢，湖北荊州人，在職研究生，五邑大學土木建筑學院，研究方向鋼結構。