某大跨徑斜拉橋自振特性研究

柳江濤，楊光哲

(1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112)

自斜拉橋出現以來，在設計理論、施工材料、機械及施工方法等方面都有了很大的發展。斜拉橋的這些改進和發展，與斜拉橋的試驗檢測密不可分。斜拉橋試驗檢測對于推動和發展其結構設計計算理論，解決工程實踐中出現的難題具有積極的重要作用。大橋自振特性試驗是大跨徑橋梁動載試驗檢測的主要試驗內容之一，主要測試橋梁各階振動形式、固有自振頻率及阻尼值。橋梁的自有振動特性與橋梁結構的本身剛度，結構質量及其分布有關，它是反映橋梁結構整體振動狀況的量。通過對橋梁整體結構自有振動特性的測試，可以從整體上把握橋梁結構的運營狀況。例如，在橋梁正常運營過程中，如果經測試發現橋梁結構的整體振動頻率降低，則反映橋梁結構的整體剛度變小，橋梁結構某部位可能存在損傷。另外如果橋梁某一階的振動頻率變化不大，但其發現局部振動形式發生變化，這表明橋梁可能有局部損傷并導致局部剛度退化。大跨徑斜拉橋的振動特性較一般常規橋型更為復雜，因此對此類橋型的的振動特性開展分析研究具有重要的意義。

1 工程概況

某大橋主橋全長756 m，橋梁為雙塔雙索面組合梁斜拉橋。大橋主橋跨徑布置為60.8 m+117.2 m+400 m+117.2 m+60.8 m，邊跨設置輔助墩，橋梁主橋支撐系統采用半漂浮體系，橋梁設計荷載：公路-I級。

橋梁主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結合橋面板的整體斷面，兩邊主梁橫向中心距為34.5 m，全寬36.5 m，梁高3.6 m(主梁中心線處)，其中邊主梁中心線梁高2.7 m。主塔采用H型索塔，塔高167.5 m，下，中，上塔柱均采用鋼筋混凝土結構，主塔兩側各布置17對斜拉索，整座橋上共有68對136根索。橋梁示意圖如圖1所示。

圖1 主橋平面布置圖(單位：m)

2 計算模型

斜拉橋結構體系比較復雜，橋梁結構動力特性分析一般包括橋梁的豎向、橫向及扭轉幾個方面的特征分析，因此必須利用空間有限元分析程序來進行分析，本橋利用橋梁結構分析專用軟件Midas/Civil對橋梁進行結構計算分析，將橋梁各個構件離散不同受力特性的單元，通過不同的邊界條件進行約束連接，在動力特性分析時將自重及二期荷載均轉換為質量。橋梁主塔及主梁結構均采用梁單元模擬，本橋共計離散為833個梁單元；斜拉索采用桁架單元模擬，本橋共計離散為136個桁架單元；斜拉索與主塔，主塔與主梁，主梁與小縱梁間采用剛性連接，斜拉索與主梁采用共節點建立連接，主塔塔底采用固結，全部約束。

圖2 橋梁有限元模型

圖3 橋梁結構離散圖

3 測試方法及儀器

3.1 試驗方法

對于大跨徑橋梁結構，主要采用脈動法(環境隨機振動法)測試其動力特性參數。橋梁結構動力特性參數主要由結構本身的具體形式、所用材料的性能等結構所具有的固有特性所決定的，與外界荷載無關。脈動法用于在沒有任何激勵設備或裝置的情況下測量橋梁結構的動態特性，僅使用環境隨機振動源作為激發源，采用高靈敏度振動測試儀器與高分辨率分析設備分析橋梁結構的固有自振頻率、阻尼比和振動形式。具體的測量過程如圖4所示。

3.2 試驗儀器

測試儀器由信號采集系統及傳感器組成，計算機通過無線傳輸控制多臺采集儀進行在線測量，其中信號采集采用INV3062型24位分布式采集儀，測試傳感器采用941B型超低頻測振儀。具體儀器的連接方式見圖5所示。

圖5 采集儀網絡連接示意圖

3.3 測點布置

橋梁測試點的布置應根據橋梁結構的振動特性進行布設，并且測量點應布設在位移大的位置，同時各階振型的節點要被盡可能避免。為了減少測試工作的量，要盡量利用結構的對稱性。本橋在橋梁兩側的主梁頂面布置測振儀，測點縱向布置具體情況見圖6所示。

圖6 脈動試驗傳感器布置示意圖(單位：m)

4 分析原理及方法

4.1 動力性能試驗分析方法

(1)功率譜分析：功率譜分析是隨機信號處理的第一步，也稱為信號一次處理；(2)確定頻率、阻尼：由功率譜可直接讀取頻率，頻率的確定是信號二次處理所必須的工作。通過功率譜分析還可以計算阻尼比；(3)相位分析：信號的二次分析，由相位函數進行相位分析；(4)振型確定：通過自功率譜的峰值和互功率譜的相位，就能夠獲得振型曲線。

4.2 試驗結果評定

通過動力性能測試，比較橋梁結構自振頻率的理論計算值與實際測試值，以及理論振型與實測振型的符合情況，如實際測試值大于理論計算值，則說明橋梁結構的實際剛度較大，如實測振型與理論振型差異較大，應對橋梁結構的實際狀況進行分析。

5 測試結果及分析

5.1 理論振型與實測振型對比

由于斜拉橋豎向及橫向剛度均不同，各階振動形式的布置順序可能會改變。對應的，斜拉橋不同振型測試點的布置也更復雜，要全面反映橋梁的振動特性，要綜合考慮各測點測試儀器的布置方向。本橋部分理論振型與實測振型如圖7～圖14所示。

圖7 理論一階豎向正對稱振型(頻率為0.356 Hz)

圖8 實測一階豎向正對稱振型(頻率為0.366 Hz)

圖9 理論五階豎向正對稱振型(頻率為0.902 Hz)

圖10 實測五階豎向正對稱振型(頻率為0.968 Hz)

圖11 理論一階扭轉振型(頻率為0.575 Hz)

圖12 實測一階扭轉振型(頻率為0.586 Hz)

圖13 理論一階橫向振型(頻率為0.574 Hz)

圖14 實測一階橫向振型(頻率為0.549 Hz)

5.2 自振頻率

橋梁的自振頻率實測值與理論計算值如表1所示。

表1 橋梁自振特性實測值與理論計算值對比表

6 結 論

(1)通過以上分析可以看出，斜拉橋的振動形式比較復雜，橫向一階振動介于豎向2階及扭轉1階之間，而扭轉的前兩階介于橫向1階及及豎向4階之間，中間還豎向3階的振動；橋梁的豎向、橫向及扭轉頻率均較小，說明斜拉橋有別于一般傳統橋型，橋梁剛度較小，屬于柔性結構，另外橋梁各階之間的差值較小，說明結構易與其他動荷載引起共振，應加強橋梁的防共振工作；

(2)橋梁豎向振動一階頻率實際測試值比理論計算值高2.8%，扭轉一階頻率實際測試值比理論計算值高1.9%，并且橫向振動頻率比理論計算值低4.4%，實測一階扭轉頻率與實測一階豎向彎曲頻率的比值為1.601，這有利于提高大橋的顫振臨界風速、同時增加橋梁抗風的穩定性，大橋實際測試頻率與理論計算值基本一致；

(3)橋梁豎向第一階固有振動頻率實測值為0.366 Hz，橋梁固有振動振型階次與理論計算結果一致，實際測試頻率高于理論計算值，說明結構剛度整體較大，滿足設計及規范要求；由于橋梁固有振動頻率是橋梁結構的固有特性，反映結構的整體剛度，因此該特征參數可作為今后橋梁運營養護的一個參考指標。