微動(dòng)測試技術(shù)在古建筑拱橋結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用①

范巖旻， 車愛蘭， 陳 峰， 曹永康

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

微動(dòng)測試技術(shù)在古建筑拱橋結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用①

范巖旻， 車愛蘭， 陳 峰， 曹永康

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

在古橋梁建筑結(jié)構(gòu)保護(hù)中，無損高精度檢測一直是一個(gè)重要的研究課題。為識(shí)別古橋梁拱橋的結(jié)構(gòu)損傷問題，以上海青浦迎祥橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用全站儀對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行觀測及分析，評(píng)價(jià)橋梁的變形及受力狀態(tài)；采用微動(dòng)測試技術(shù)，獲取結(jié)構(gòu)的損傷動(dòng)力特性參數(shù)，包括固有頻率及振動(dòng)模態(tài)。通過分析現(xiàn)有橋梁的模態(tài)分布，觀測振動(dòng)模態(tài)的突變位置確定結(jié)構(gòu)損傷位置，比較結(jié)構(gòu)的變形特性，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

古建筑拱橋； 損傷識(shí)別； 微動(dòng)測試； 固有模態(tài)

0 引言

中國地域廣闊，河道縱橫交錯(cuò)，在歷史的長河中，中華民族建造了數(shù)以萬計(jì)的橋梁，其結(jié)構(gòu)多樣，材質(zhì)豐富。古橋梁歷經(jīng)百年風(fēng)雨，在長期諸多載荷的作用、自然的風(fēng)化作用以及其他人為、自然突發(fā)性外力的作用下，面臨著損傷和損傷積累問題[1]。這些損傷的積累有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的使用性能降低或發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。為保證古橋梁結(jié)構(gòu)的安全，需要建立既不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生不良影響又方便快捷的檢測和識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的方法，以便盡早地探測結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)、發(fā)生損傷的位置及程度，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。

中國古橋梁大多為石材、木材及磚砌及其混合結(jié)構(gòu)，橋梁在承重的同時(shí)也受到水流的作用以及水質(zhì)的侵蝕。在經(jīng)受了各種地震等自然災(zāi)害和船撞擊等人為損壞的情況下，結(jié)構(gòu)的損傷形態(tài)非常復(fù)雜，不僅表現(xiàn)在外部材料破損，結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)部也存在損傷。目前傳統(tǒng)的橋梁檢測手段如鉆孔取芯、內(nèi)部應(yīng)變檢測等，基于文物保護(hù)的原則，在古橋梁檢測中存在局限性[2]；而其他的無損檢測方法如超聲波、射線檢測法等由于多數(shù)古橋梁結(jié)構(gòu)以及損傷形態(tài)復(fù)雜，檢查的結(jié)構(gòu)部位難以接近[3]。另外由于原始資料的缺失，無法進(jìn)行原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況的對(duì)比，很難有效地對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷進(jìn)行定位和定性。

微動(dòng)測試不需要人為施加震源，其擾動(dòng)來源是大地深處的微小震動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)本身幾乎無影響；另外微動(dòng)測試設(shè)備輕巧、操作簡單，便于在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用[4]。通過一定的分析手段可以良好地推斷建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(特征值、阻尼系數(shù)及振動(dòng)模態(tài)等)[5]。本文通過微動(dòng)觀測和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)測量相結(jié)合的方法，對(duì)古橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)。

1 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法

結(jié)構(gòu)損傷即結(jié)構(gòu)的剛度或質(zhì)量的損傷，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，如固有頻率、固有模態(tài)和阻尼等發(fā)生變化[6]。一般來說，結(jié)構(gòu)損傷的存在會(huì)使結(jié)構(gòu)整體固有頻率降低，模態(tài)阻尼比升高，因此通過固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型的變化可以判斷結(jié)構(gòu)損傷[7]。結(jié)構(gòu)固有頻率反映結(jié)構(gòu)整體性能，但不太適合反映結(jié)構(gòu)局部損傷反映。相對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率而言，結(jié)構(gòu)的固有振型包含更多的損傷信息，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷能夠更加準(zhǔn)確地定位[8]。利用結(jié)構(gòu)振型的變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別易于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷定位，但也存在測量的振型不完整和測量誤差較大，損傷程度的定量評(píng)價(jià)等問題[9]。

古橋梁建筑大多為石材或木材，其承壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部多有裂縫，損傷情況較為復(fù)雜，并且古橋梁結(jié)構(gòu)原始資料缺失，部分進(jìn)行過局部修復(fù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)不明確。這些都給結(jié)構(gòu)損傷定位定量帶來了很大的困難。本文采用微動(dòng)測試的方法，對(duì)古橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)，具體分析步驟如下：

(1) 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，盡可能全面布設(shè)檢測點(diǎn)。對(duì)于簡支梁結(jié)構(gòu)，布設(shè)于主要承重構(gòu)件處。通過微動(dòng)測試，獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率及固有模態(tài)。

(2) 采用全站儀等測量設(shè)備對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形觀測，獲得變形參數(shù)。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行變形及受力特性分析。

(3) 根據(jù)各觀測點(diǎn)的模態(tài)分布，評(píng)價(jià)響應(yīng)突變位置，對(duì)損傷進(jìn)行定位。

(4) 由于結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量和剛度的函數(shù)，所以將測試得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)變形特性進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)損傷程度。

2 迎祥橋損傷現(xiàn)狀

2.1 迎祥橋概況

迎祥橋位于在金澤南首(今上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn))，于元至元年間(1335-1340)興建，是江南著名的元式橋梁。明朝天順六年(1462)重建，清朝乾隆三十三年(1748)修繕，公元2000年再次修繕。該橋近似現(xiàn)代的公路橋，當(dāng)代橋梁專家稱其為“連續(xù)簡支”梁橋的鼻祖。

迎祥橋?yàn)槲蹇绾喼Я?，石柱式磚、木、石混合結(jié)構(gòu)。全長約34.5 m，橋墩跨度約24.5 m，橋面寬2.45 m，中孔跨徑約6.4 m，兩側(cè)跨徑不一，約4～5 m。橋柱用青石鋪成，石柱架條石作為橫梁，橫梁上密排楠木，橋面兩邊外側(cè)、覆貼水磨方磚，以保護(hù)木梁，如圖1所示。迎祥橋整體結(jié)構(gòu)較規(guī)則，荷載傳遞路徑簡單、合理，橋體受力較均勻。

圖1 迎祥橋全貌Fig.1 Overview of the Yingxiang Bridge

迎祥橋經(jīng)過數(shù)次修繕，承壓結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，橋墩的變化尤為顯著。為減小橋墩石柱間的不均勻沉降，修繕中將角鋼固定于橋墩側(cè)面，將各石柱連接為一整體。并將條石橫向架設(shè)于橋墩各石柱之上，作為橫梁以支撐橋面及通行帶來的荷載。在與楠木搭接處，為充分利用楠木的受力截面，對(duì)條石上表面進(jìn)行了挖鑿處理，以滿足楠木近似圓形的外剖面，達(dá)到準(zhǔn)確貼合。由于船舶通行時(shí)對(duì)中間橋墩的撞擊，中間兩個(gè)橋墩發(fā)生斷裂，后期增設(shè)了輔助混凝土支護(hù)，如圖2所示。

圖2 迎祥橋后期加固Fig.2 Post-reinforcement of the Yingxiang Bridge

雖然迎祥橋設(shè)計(jì)科學(xué)合理，結(jié)構(gòu)精巧堅(jiān)固，但歷經(jīng)600多年風(fēng)雨，該橋已出現(xiàn)了諸多結(jié)構(gòu)、外觀等方面的問題：(1) 橋面出現(xiàn)兩條縱向裂縫，說明青磚下受力磚石已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損壞；(2) 楠木雖為千年不朽的珍貴木材，但橋面底部環(huán)境潮濕，搭接處較為陰暗，使得楠木端部出現(xiàn)了一定程度的腐蝕現(xiàn)象；由于木材橫、縱向受力特征迥異，沿木材縱向出現(xiàn)了一定程度的裂縫，特別是東側(cè)的木梁腐蝕嚴(yán)重；(3) 橋墩下土質(zhì)不均，橋墩間存在較為嚴(yán)重的不均勻沉降，進(jìn)一步導(dǎo)致了木梁、橋面受力不均，出現(xiàn)裂縫；石柱間受力、沉降不均勻，存在傾斜、橫向大裂縫。

2.2 變形測量及分析

測量儀器采用尼康NPL-350型全站儀。高程測量測點(diǎn)布置在橋墩上邊緣、跨中及橋兩端。根據(jù)建筑測繪結(jié)果，以橋下某一面為零標(biāo)高，測得橋墩、橋面的標(biāo)高如圖3所示。根據(jù)標(biāo)高測量結(jié)果，將橋梁南北兩側(cè)的高程及其二次曲線繪制于圖4?？梢钥吹綐蛄簷M向(南北方向)變形分布不同，兩側(cè)出現(xiàn)不同程度的不均勻沉降現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致橋面的縱向斷裂。在跨中附近出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)，可以認(rèn)為跨中橋墩不均勻沉降量較大，與周圍橋墩剛度相差亦比較大，易導(dǎo)致該部位的應(yīng)力集中。

圖3 迎祥橋標(biāo)高示意圖(單位：m)Fig.3 Elevation of the Yingxiang Bridge (unit：m)

圖4 結(jié)構(gòu)南北側(cè)標(biāo)高分布Fig.4 Distribution of elevations in the south and north of the structure

3 迎祥橋微動(dòng)測試

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用日本東京測振株式會(huì)社生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)型三分量速度型地震儀(CV-374AV)，其儀器參數(shù)如表1所示。其他設(shè)備包括筆記本電腦和供電電瓶(12 V)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

3.2 測點(diǎn)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)迎祥橋拱橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將微動(dòng)測試點(diǎn)布設(shè)在各個(gè)橋墩上部的橋面上，共布置6個(gè)測點(diǎn)，實(shí)施多點(diǎn)同時(shí)觀測(圖6)。

表1 速度型地震儀主要參數(shù)指標(biāo)

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Data collection system

圖6 測點(diǎn)布置圖(單位：m)Fig.6 Measurement points (unit：m)

本次檢測數(shù)據(jù)采集以正東方向?yàn)椤皒”軸，正南方向?yàn)椤皔”軸，沿橋墩縱向豎直方向?yàn)椤皕”軸。測試時(shí)為避免走動(dòng)等干擾，所有人員撤離橋面。采樣間隔0.004 s，采集時(shí)間45 min。圖7為采集到的波形例。可以看到，由于拱橋橋面的坡度問題，數(shù)據(jù)波形存在規(guī)律性干擾，總體來說數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

圖7 采集波形例(測點(diǎn)4)Fig.7 Recorded waves (point-4)

3.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

首先，從45 min觀測數(shù)據(jù)中篩選出5段噪音少、振幅平穩(wěn)的數(shù)據(jù)段，每組數(shù)據(jù)時(shí)間長60 s，如圖7所示；然后，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉(FFT)分析，計(jì)算觀測數(shù)據(jù)的傅里葉譜，對(duì)傅里葉譜加Hanning窗口10次，進(jìn)行平滑化(Band=約0.1 Hz)之后，對(duì)5組數(shù)據(jù)的傅里葉譜進(jìn)行加權(quán)平均，作為此觀測點(diǎn)的傅里葉譜;最后，根據(jù)傅里葉譜曲線讀取卓越頻率及其對(duì)應(yīng)的譜峰值。圖8為測點(diǎn)4在南北、東西方向的頻譜分布，圖中的實(shí)線為頻譜的平均值。圖9為各觀測點(diǎn)在南北、東西方向的傅里葉譜平均值?？梢钥闯龈鱾€(gè)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)一致的卓越特性，即結(jié)構(gòu)的1，2，3次特征值。一次固有頻率約為4.5 Hz，二次固有頻率約為6.3 Hz，三次固有頻率約為7.2 Hz。結(jié)構(gòu)南北方向的卓越特征明顯大于東西方向。

讀取各卓越頻率對(duì)應(yīng)的卓越頻譜，以橋墩F為坐標(biāo)原點(diǎn)，繪制對(duì)應(yīng)不同特征值的頻譜分布，可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)分布，如圖10所示?？梢钥吹?，結(jié)構(gòu)的1、2、3階固有模態(tài)呈非對(duì)稱分布形式，由于中間兩橋墩(C、D)的剛度較大，導(dǎo)致其兩側(cè)的模態(tài)分布復(fù)雜。特別是橋梁東側(cè)的橋墩B響應(yīng)明顯大于橋梁西側(cè)，可以認(rèn)為東側(cè)的橋墩剛度明顯降低。這與實(shí)際現(xiàn)場觀測結(jié)果一致，B橋墩上部的木梁腐蝕最嚴(yán)重，其橋墩結(jié)構(gòu)與橋墩E差距亦較大。

圖8 FFT頻譜(測點(diǎn)4)Fig.8 Distribution of the FFT spectrum (point-4)

圖9 各測點(diǎn)頻譜分布Fig.9 Distribution of the FFT spectrum at each point

圖10 迎祥橋模態(tài)分布Fig.10 Model distribution of the Yingxiang Bridge

4 結(jié)論

(1) 利用對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響的微動(dòng)測試技術(shù)，測試結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)作為損傷識(shí)別參數(shù)，通過觀測振動(dòng)模態(tài)的突變位置確定結(jié)構(gòu)損傷位置。

(2) 對(duì)上海青浦迎祥橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行微動(dòng)測試，在考慮結(jié)構(gòu)特性及殘損現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上布設(shè)觀測點(diǎn)，充分把握結(jié)構(gòu)的整體損傷狀況，通過FFT頻譜分析得到結(jié)構(gòu)的1, 2, 3次特征值及振動(dòng)模態(tài)。

(3) 通過比較結(jié)構(gòu)變形觀測結(jié)果與微動(dòng)測試固有模態(tài)分布，分析結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理。迎祥橋各部位有著不同程度的損傷，以東側(cè)橋墩周邊損傷最為嚴(yán)重，該損傷可以認(rèn)為是中間橋墩的后期混凝土支護(hù)引起了剛度分布的不均衡導(dǎo)致的。

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Application of Microtremor Measurement Techniques to Detection of Structural Damage of an Ancient Arch Bridge

FAN Yan-min， CHE Ai-lan， CHEN Feng， CAO Yong-kang

(SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)

There are vast territorial and crisscrossing rivers in China.During thousands of years，the Chinese people have built hundreds of thousands of bridges.With diverse structures composed of various materials，these bridges，which are treasures of Chinese architecture，represent，to some extent，the history of Chinese culture.These ancient bridges，though witnessing extreme weather，have been，and are being，damaged due to construction limitations，long time of loading，and the continuous dynamics of erosion and other natural and human factors.Given this situation，it is critical to protect these ancient bridges with detection technology that does not damage the bridges.For the protection of ancient bridge structures，high precision detection technology that does not damage the detected targets has been an important research topic.To identify damages to ancient bridges with arch-bridge structures，the Shanghai Yingxiang Bridge in the Qingpu District is analyzed in this study.The structural features are analyzed and the deformed part of the structure is determined with the help of a total station device to evaluate the deformation and stress states of the bridge.Furthermore，with the application of micro-motion testing technology，the dynamic characteristic parameter of the structural damage，which includes the intrinsic frequency and vibration mode，is determined.After the analysis of the mode distribution of existing bridges and the observation of mutation of the vibration mode，quantitative evaluation of the structural damage is performed by comparing the deformation features of the structure after locating where the structural damage has occurred.Based on the experimental analysis of this study and considering the structural characteristics and the present situation of the damage，the observation point is set.The location and form of the damage is qualitatively delimited and the three modal distributions of the Yingxiang Bridge are obtained using microtremors.Comparing the three natural frequencies of the numerical results with the microtremor measurements，the significant weaknesses in the whole structure are determined.There is some damage to the Yingxiang Bridge.According to the measurement results，the bridge pier D is damaged most seriously.This indicates that the concrete curing of the middle bridge pier caused the imbalance of stiffness.The Yingxiang Bridge needs reinforcement by concrete，with large amounts in the middle pier of the bridge，to ensure sufficient stiffness to load bearing.In conclusion，microtremor measurements are useful in the detection of damage to ancient arch-bridges.

ancient arch bridge； damage identification； microtremor measurement； natural mode

2014-08-20

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13ZR1419900)

范巖旻(1994-)，男，上海人，本科生，現(xiàn)主要從事振動(dòng)測試技術(shù)研究.

曹永康(1969-)，男，副教授，博士，主要從事建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)的理論與實(shí)踐研究.E-mail: ykcao@sjtu.edu.cn

U446

A

1000-0844(2015)02-0606-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0606