超期服役大跨海港鋼棧橋結構動力特性測試分析與安全評估

劉紅彪， 李宏男

(1.大連理工大學 建設工程學部，遼寧　大連　116024；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津　300456)

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超期服役大跨海港鋼棧橋結構動力特性測試分析與安全評估

劉紅彪1,2， 李宏男1

(1.大連理工大學 建設工程學部，遼寧大連116024；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456)

摘要：超期服役大跨海港鋼棧橋結構動力特性方面的研究較少。采用現(xiàn)場測試與有限元數(shù)值模擬分析相結合的方式，對106 m跨度的超期服役大跨海港鋼棧橋結構的動力特性進行了系統(tǒng)研究，明確了不同激勵方式對結構模態(tài)測試結果的影響程度，測試得到了超期服役的106 m跨度的典型簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架棧橋的動力特征參數(shù)，并根據(jù)3a的棧橋結構固有頻率測試結果，基于結構固有頻率變化對棧橋結構的安全狀態(tài)進行了評估。試驗與分析結果表明：初速度激勵法、初位移激勵法與脈動測試法測試得到的棧橋固有頻率基本相同，因此，結構模態(tài)測試時，根據(jù)現(xiàn)場的測試條件靈活選取三種激勵測試方式之一，測試結果一致;現(xiàn)場實測得到的棧橋模態(tài)參數(shù)表明，棧橋結構的阻尼比不超過0.03，其豎向一階固有頻率≈1.70 Hz，豎向一階振型具有一個振型節(jié)點，這是典型簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構振動特性的特殊之處;根據(jù)3a的棧橋結構固有頻率測試結果及變化規(guī)律，評估超期服役棧橋結構的安全狀態(tài)是良好的，結論與現(xiàn)場外觀檢測的結果一致;以上工作和結論可為類似碼頭的簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架棧橋的動力特性測試及結構安全檢測評估提供參考。

關鍵詞：模態(tài)參數(shù)識別；鋼桁架結構；棧橋；油碼頭；安全評估

油碼頭棧橋主要用于輸油管道、輔助管道的架設及連接碼頭與陸域之間的交通，對油品的裝卸及流通至關重要。隨著經濟全球化進程的不斷加快，社會對石油的需求量不斷增加，導致沿海港口油碼頭的生產工作較繁忙。同時，隨著我國水運建設的不斷發(fā)展，水運運輸量大幅增加，許多沿海港口的碼頭及附屬結構進入了老化期，甚至許多結構已處于超期服役狀態(tài)，對碼頭生產安全帶來了威脅[1-2]。

下承式簡支空腹鋼桁架結構因其跨越能力強、施工難度小、結構形式合理、實用性強等特點，成為離岸式油碼頭棧橋及鐵路橋梁的主要橋型，如青島港30 萬t原油碼頭鋼棧橋、大連港30 萬t原油碼頭鋼棧橋等。掌握該類橋梁的動力特性，不僅可以判斷棧橋的剛度是否滿足結構運營要求，同時由于結構的動力特征變化可反映結構的損傷狀態(tài)，基于結構的動力特征及其變化也可以評估結構的安全狀態(tài)[3-4]。因此，為確保超期服役大跨海港油碼頭鋼棧橋的使用安全，對其進行模態(tài)測試，獲取其動力特征及其變化狀態(tài)，對發(fā)展基于結構動力特征參數(shù)的超期服役大跨海港鋼棧橋的安全評估方法是十分必要的。

目前，針對大型原油碼頭的下承式簡支空腹鋼桁架結構棧橋的動力特性及超期服役狀態(tài)下的安全評估方法研究較少。橋梁結構的動力特性參數(shù)是評價橋梁運行狀態(tài)的重要參考指標[5]，結構的質量、剛度與阻尼的變化可反映結構健康狀態(tài)的變化，通過測試結構固有頻率、振型及阻尼比等參數(shù)的變化，可確定損傷引起的結構質量和剛度的變化，進而可對結構的健康狀態(tài)進行評估[6-8]。為了獲取此類結構的動力特征，本文采用現(xiàn)場實測與數(shù)值計算分析相結合的方式，對大連港某大型原油碼頭的下承式簡支空腹鋼桁架結構棧橋進行模態(tài)參數(shù)測試與分析，獲取此類超期服役鋼棧橋的動力特征，判斷其振動薄弱方向，評估此類鋼棧橋的動力性能，為此類結構開展基于動力特征參數(shù)的安全評估方法研究提供數(shù)據(jù)支撐。該研究對大型油碼頭下承式簡支空腹鋼桁架結構棧橋的設計及后期安全檢測評估有參考價值。

1工程概況

大連港某大型原油碼頭系離岸棧橋式布置，由輸油棧橋和原油碼頭兩大部分組成。碼頭始建于20世紀70年代，至今已服役40 a，屬于典型的超期服役碼頭結構。碼頭棧橋采用典型的簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構，共9跨，每跨中心距106 m，總長954 m，結構外觀見圖1。

各跨鋼棧橋的結構形式相同，橋寬12 m，計算跨長100 m，共分12個節(jié)間(1×5 m+10×9 m+1×5 m)，拋物線的高跨比為 1/8，拱中心線矢高12.5 m，兩主桁架的中心距為7.6 m，上、下弦、腹桿及端橫梁均采用由Q345鋼板組成的箱形斷面。一片主桁架側向受風面積為200 m2。

圖1　棧橋結構外觀Fig.1 Outside view of trestle

鋼棧橋的聯(lián)結系由上風架、下風架(包括上、下橫梁)組成。均采用Q235鋼板焊接的工字形斷面，上風架斜桿為交叉型，下風架斜桿為菱型，桿件與節(jié)點板間采用兩條側向焊縫連接，橫向底縫用底漆或膩子密封。油管的載荷通過管支架傳給下橫梁，各個下橫梁均按受力相等設計。

每跨鋼棧橋系簡支結構，每跨設置4個支座(2個固定支座、2個滑動支座)，分別支撐于兩主桁架下弦梁兩端，支座照片見圖2。每個支座最大設計承載力為250 t，設有防震拉板，支座與橋墩采用錨固筋板固定。鋼棧橋采用全焊工藝。單片主桁架平放時跨中預留拱度為200 mm，單片主桁架分為12個組裝單元。主桁架各單元及其它桿件均在工廠制造，然后運至現(xiàn)場組裝。

圖2　棧橋支座Fig.2 Trestle support

2棧橋動力特性測試

2.1測試系統(tǒng)及布置

測試系統(tǒng)主要包括振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀。由于鋼棧橋結構跨度較大，結構第一振型頻率較低，并考慮到現(xiàn)場安裝的方便性及現(xiàn)場無電源供電的限制，選擇采用內置IEPE電路的壓電式低頻加速度傳感器；此傳感器的靈敏度0.5 V/g，通頻帶0.2～2.5 kHz。對于現(xiàn)場的結構振動測試，一般信號較微弱，數(shù)據(jù)采集儀的選擇較為關鍵。根據(jù)測試工況的需求，棧橋振動測試選擇INV3020高性能數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀精度為24 Bit，量程±10.0 V，單通道最高采樣率可達102.4 kHz，并具有衰減陡度達-300 dB/oct的抗混疊濾波功能，對結構外場測試較為合適。

鋼棧橋振動特性測試時，分為橫向振動測試和垂直向振動測試。測試時，在每跨棧橋的跨中及兩側18 m的位置各布置一只加速度傳感器，每跨共計3只，傳感器布置示意圖見圖3。

圖3　傳感器布置圖Fig.3 Transducers setup

數(shù)據(jù)采集時采樣頻率設置為51.2 Hz，采樣時長為30 s，脈動測試時每個測點多次采樣(30次)，然后取平均值，以此來減小外界噪聲對測試結果的影響[9-10]。傳感器布置時，分橫向布置和垂直向布置。測試結構垂直向振動特性時，先沿結構的垂直向，在棧橋下弦桿的相應位置布置傳感器，完成測試后，改變傳感器方向，進行棧橋橫向動力特性測試。

2.2測試方法

結構模態(tài)測試一般可采用環(huán)境脈動測試法、初位移釋放法、初速度激勵法等測試方法。環(huán)境脈動測試法是利用被測結構物在非人為激勵(如大地振動、風載荷)作用下的振動測試其動力特性。初位移釋放法、初速度激勵法均屬于人工激勵測試法，其利用人工或其它輔助設備激勵被測結構振動，通過測試被測結構的動力響應獲取結構的模態(tài)信息。此次鋼棧橋結構的動力特性測試，針對不同結構部分上述三種方法均有采用，并對三種測試方法的測試結果進行了對比分析，其中傳感器布置及現(xiàn)場實測照片見圖4。測試時，初位移釋放法的實施是由兩名工作人員沿橫向用力推鋼棧橋，使之發(fā)生微小的橫向初始位移，然后瞬間釋放，以激發(fā)棧橋振動；初速度激勵法是由一名站于棧橋跨中位置的工作人員沿豎向跳躍一次，賦予棧橋一初始速度，以激發(fā)結構振動。

圖4　傳感器布置及測試Fig.4 Transducers and test setup in the field

由于結構可實施初位移、初速度激勵法，結構的阻尼比可根據(jù)結構自由振動衰減曲線，經式(1)計算得到。

(1)

式中:yk和yk+n為兩個相隔n個周期的結構自由振動的振幅。

2.3測試結果及分析

此油碼頭的9跨棧橋(由陸側向海側分別命名為第1跨～第9跨)中有5跨全部位于海面上，3跨位于陸地上，1跨跨越海陸分界位置。盡管9跨棧橋的結構形式和尺寸完全相同，但由于陸地環(huán)境和海洋環(huán)境不同，造成的鋼材銹蝕程度不同，因此，分別選擇陸上棧橋(第3跨)和海上棧橋(第9跨)各一跨作為被測對象，進行結構振動特性測試，并針對測試結果進行對比分析，總結兩者的差異。

為了對比不同激勵方式下振動測試結果的差異性，針對上述兩跨棧橋分別采用脈動測試法、初速度、初位移激勵法進行結構動力特性測試。根據(jù)現(xiàn)場允許的測試條件，陸域位置棧橋的豎向振動特性采用初速度激勵法測試，橫向振動特性采用初位移釋放法測試，海域位置棧橋的豎向和橫向振動特性均采用初速度激勵法測試，與此同時，脈動法測試一同實施，由此獲取不同激勵方式下的棧橋結構振動時程數(shù)據(jù)。

首先，針對陸域跨棧橋采用脈動法、初速度、初位移激勵法進行了結構動力特性測試，獲得了結構在不同激勵方式下的振動時程曲線，并通過快速傅里葉變換，對時域數(shù)據(jù)進行了頻域處理，具體測試結果見圖5～圖9。根據(jù)測試數(shù)據(jù)處理分析，得到了陸域棧橋垂直向和橫向的一階固有頻率和阻尼比，具體數(shù)據(jù)見表1，其中結構阻尼比計算是根據(jù)初位移或初速度激勵下獲得的有阻尼的自由振動時程曲線經式(1)計算得到。

表1　陸域棧橋模態(tài)參數(shù)測試結果

由表1可知，經脈動法測試得到的結構一階固有頻率與初速度、初位移激勵法測得的結果基本一致，由此表明，在現(xiàn)場結構動力特性測試時，根據(jù)現(xiàn)場的測試條件，可靈活選取三種激勵測試方式，結果基本是一致的。

但根據(jù)測試結果可知，鋼棧橋的一階阻尼比≈0.01，這與《建筑抗震設計規(guī)范》針對鋼結構地震反應計算提供的0.04的阻尼比有一定的差別，此測試值可為碼頭鋼棧橋結構動力時程反應分析中的阻尼比設置提供參考。

同時，根據(jù)棧橋垂直向測試結果，由圖5(b)、圖5(d)可知，CH1位置的振動方向與Cp和Ch1位置的振動方向是相反，相位相差180°，由此可以判斷棧橋垂直向一階振型存在一個振型節(jié)點，即棧橋垂直向一階振型曲線(見圖9(a)所示，這與傳統(tǒng)簡支梁橋無振型節(jié)點的一階振型不同，與其垂直向二階振型相同，這也是簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構振動特性的特殊之處。但由圖6(b)、圖5(d)可知，棧橋CH1～Ch1位置的橫向振動方向均一致，即棧橋橫向一階振型曲線(見圖9(b)，這與常規(guī)簡支梁橋的一階振型是相同的。上述測試結果可為類似碼頭的簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構棧橋的動力特性測試提供參考。

圖5　陸域棧橋垂直向振動的時程曲線及其傅里葉譜(脈動法)Fig.5 Time history and its Fourier spectrum of vibration in vertical direction of trestle in land (ambient measurement)

圖6　陸域棧橋橫向振動的時程曲線及其傅里葉譜(脈動法)Fig.6 Time history and its Fourier spectrum of vibration in transverse direction of trestle in land (ambient measurement)

圖7　陸域棧橋垂直向振動的時程曲線及其傅里葉譜(初速度法)Fig.7 Time history and its Fourier spectrum of vibration in vertical direction of trestle in land (initial velocity exciting method)

圖8　陸域棧橋橫向振動的時程曲線及其傅里葉譜(初位移法)Fig.8Time history and its Fourier spectrum of vibration in vertical direction of trestle in land (initial displacement exciting method)

圖9　棧橋一階振型曲線Fig.9 First mode shape of trestle

采用相同的激勵方式和測試方法，對海域棧橋的振動特性進行了測試，得到了海域棧橋的振動時程曲線及其傅里葉譜，具體詳見圖10和圖11。通過數(shù)據(jù)的處理分析得到了海域棧橋的一階固有頻率(見表2)。

通過對比測試得到的陸域棧橋和海域棧橋的振動特性參數(shù)可知，陸域棧橋和海域棧橋的垂直向一階固有頻率是基本接近的，表明陸域棧橋和海域棧橋的豎向剛度基本一致， 海洋環(huán)境沒有加劇削弱棧橋豎向剛

度的銹蝕發(fā)生，這與棧橋使用氟碳油漆作為防護油漆，并每年進行除銹維護有關。但海域棧橋的橫向一階固有頻率稍小于陸域棧橋，這表明海域棧橋的橫向剛度有所削弱，這與海域棧橋橫向局部構件存在銹蝕破壞有關。因此，應針對銹蝕構件進行加固修復處理并做好防銹措施。

表2　海域棧橋模態(tài)參數(shù)測試結果

圖10　海域棧橋垂直向振動的時程曲線及其傅里葉譜(初速度法)Fig.10Time history and its Fourier spectrum of vibration in vertical direction of trestle in the sea (initial velocity exciting method)

圖11　海域棧橋橫向振動的時程曲線及其傅里葉譜(初速度法)Fig.11 Time history and its Fourier spectrum of vibration in vertical direction of trestle in the sea (initial velocity exciting method)

3棧橋動力特性的有限元模擬分析

為了獲取棧橋結構的振型信息，驗證上述棧橋結構動力特性測試結果的準確性，采用ABAQUS有限元軟件建立了棧橋的三維空間有限元模型，對單跨棧橋進行模態(tài)計算，計算結果見下文所示。

3.1棧橋有限元模型

根據(jù)棧橋結構的外觀尺寸、材料種類及特性，建立了棧橋的有限元模型，模型主要采用梁單元(B31)建立，局部使用殼單元(S4)，模型外觀見圖12。

圖12　棧橋有限元模型Fig.12 Finite element model of trestle

3.2計算結果及分析

采用上述有限元模型對棧橋結構進行了模態(tài)計算分析，獲得了碼頭結構垂直向(豎向)、橫向(垂直棧橋長度方向)和扭轉的振動頻率(見表3),振型模式見圖13。

表3　棧橋固有頻率計算結果

根據(jù)上述計算結果經對比分析可知，棧橋有限元模型的固有頻率計算結果與實測值較為接近，由此證明棧橋固有頻率的實測值是正確的。根據(jù)棧橋振型模式的計算結果可知，通過測試數(shù)據(jù)判斷的棧橋振型模式(圖9)是正確的，同時也證明了棧橋實測振動數(shù)據(jù)及由振動數(shù)據(jù)分析得到的棧橋固有頻率和阻尼比的正確性。而且，由圖13可知，棧橋的振型模式與普通簡支梁橋的振型模式有很大的不同，棧橋垂直向一階振型存在一個振型節(jié)點，與普通簡支梁橋垂直向的二階振型相同，棧橋垂直向二階振型與普通簡支梁橋垂直向的三階振型相同；而且，棧橋的扭轉一階振動頻率值大于其垂直向二階振動頻率值，這與普通簡支梁橋一階扭轉頻率位于垂直向一階和二階頻率之間不同，這均是簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構振動特性的特殊之處。上述計算結果可為類似碼頭的簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構棧橋的動力特性分析提供參考。

圖13　棧橋的振型模式Fig.13 Mode shape of trestle

4基于動力特性測試結果的棧橋安全性評估

基于動力特征變化的結構損傷識別方法研究始于20世紀70年代[11]，最初采用結構固有頻率變化作為判定指標進行結構損傷狀態(tài)的識別[12]，后期陸續(xù)出現(xiàn)了振型曲率法、應變模態(tài)法、DLV法、樂音準則法等動力損傷識別方法，統(tǒng)稱為動力指紋識別法[13]，基于上述方法可進行結構的安全性評估。本文即采用固有頻率變化作為判定指標并結合結構外觀檢測數(shù)據(jù)，對被測棧橋的安全狀態(tài)進行綜合評估。

根據(jù)項目需要，我單位對此大連油碼頭的主體結構及棧橋結構的安全狀態(tài)進行了連續(xù)的跟蹤測量，獲得不同年份的碼頭結構的安全技術參數(shù)，其中包括棧橋結構的動力特性參數(shù)，現(xiàn)將此次測試得到的棧橋動力特性參數(shù)(2014年)與2000年、2002年的測試結果匯總于表4。

表4　棧橋固有頻率實測值對比

由表4可知，現(xiàn)在棧橋的一階固有頻率與2002年和2000年的測試結果相比，陸域棧橋的固有頻率無明顯的突變，結果比較接近；海域棧橋的固有頻率有逐漸降低的趨勢，但變化量很微小。由此判斷，陸域棧橋主要構件不存在明顯損傷，結構是安全的；海域棧橋的局部構件存在輕微損傷，但從頻率的變化量看，結構仍是安全的，具體應結合詳細的結構外觀檢測，確定損傷位置及程度，再加以綜合判斷。

后期，我們對棧橋的外觀進行了詳細檢測，檢測發(fā)現(xiàn)海域棧橋比陸域棧橋的銹蝕位置明顯較多，這與上述判斷是一致。通過鋼材的銹蝕量和焊縫質量檢測可知，鋼材的銹蝕量較小，焊縫質量合格，因此可判斷海域棧橋結構是基本安全的，但應對銹蝕位置及時維修加固。

綜上判斷，棧橋結構的安全狀態(tài)是良好的，這與棧橋使用氟碳油漆作為防護油漆，且碼頭管理部門每年定期進行除銹維護加固有關。但從棧橋維護成本分析，氟碳油漆價格較高，每年的檢修費用較多，造成鋼棧橋每年的防銹維護成本較大，因此，在鋼材極易銹蝕的海洋環(huán)境中，沿海油碼頭棧橋使用鋼結構是否必要有待進一步探討。

5結論

本文通過對大連某油碼頭鋼棧橋動力特性的現(xiàn)場實測與有限元模型的計算分析，討論了不同激勵方式下的結構模態(tài)測試結果的差異性，指出了簡支下承式拋物線型空腹鋼桁架結構的振動特點；基于長期的棧橋固有頻率實測結果，評估了棧橋的安全狀態(tài)，得到如下結論：

(1) 由不同激勵方式下同跨棧橋的振動特性測試結果表明，脈動法、初速度激勵法、初位移激勵法測試得到的結構動力特性參數(shù)是基本一致的。因此，在進行結構動力特性測試時，根據(jù)現(xiàn)場的測試條件，可靈活選取三種激勵測試方式，測試結果基本相同。

(2) 通過合適的測試系統(tǒng)及激勵方式并結合有限元計算，測試得到了棧橋垂直向和橫向的一階固有頻率及其阻尼比，海域棧橋和陸域棧橋略有不同。經分析，棧橋垂直向一階固有頻率≈1.70 Hz，一階振型系一振型節(jié)點振型，阻尼比為0.012；橫向一階固有頻率≈1.40 Hz，最大阻尼比為0.03。由此可知，測試得到的阻尼比與規(guī)范提供的0.04的阻尼比有一定差別。

(3) 基于固有頻率的變化，根據(jù)不同年份的三次棧橋結構固有頻率的測試結果，評估了海域棧橋和陸域棧橋的安全性。評估結果表明海域棧橋的損傷較陸域棧橋嚴重，這與現(xiàn)場進行的結構外觀檢測一致。這也說明服役于海洋環(huán)境中的鋼結構更易銹蝕，防銹維護成本會大幅增加。

參 考 文 獻

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Modal parameter identification and safety assessment of a typical long-span steel trestle under extended service in sea port

LIUHong-biao1,2,LIHong-nan1(1. Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China; 2. National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, MOT, Tianjin 300456, China)

Abstract:There are less studies on dynamic properties of a long-span steel trestle under extended service in sea port. Adopting field modal testing and calculation analysis of finite element numerical simulation, the dynamic properties of a long-span steel trestle with a span of 106m under extended service in sea port were studied, and the influences of different exciting mamers on the results of modal parameter identification were cleared. Then the modal parameters of the steel trestle with a span of 106m under extended service were obtained, the trestle was a typical simply-supported through-type parabolic vierendeel truss structure. Based on the natural frequencies of the steel trestle measured in three years, the safety state of the trestle was assessed with the variation of natural frequencies of the trestle. The filed test results and their analysis showed that the results of the trestle’s natural frequencies measured with the ambient measurement method are the same as those measured with the initial velocity exciting method and the initial displacement exciting method; so the three test methods can be selected freely based on field conditions; the damping ratio of the trestle is not more than 0.03, the first modal natural frequency in vertical direction is about 1.70 Hz, and its modal shape has a node of vibration mode; all the above are the special features of the simply-supported through-type parabolic vierendeel steel truss structure; the safety state of the trestle is good based on the safety assessment with the natural frequencies of the trestle measured in three years, this conclusion agrees well with the visual inspection results of the trestle. The study results provided a reference for engineers to perform modal test and safety inspection assessment for simply-supported through-type parabolic vierendeel steel truss trestles of oil wharf.

Key words:modal parameter identification; steel truss structure; trestle; oil wharf; safety assessment

中圖分類號:U656.1+16；U656.1+32

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.010

收稿日期：2015-06-26修改稿收到日期：2015-10-14

基金項目：交通運輸部重大科技專項(2014328224040);中央科研院所基本科研業(yè)務費(TKS140101;TKS130214);中國博士后科學基金(2015M571305)

第一作者 劉紅彪 男，博士，副研究員，1981年生