沖刷深度對(duì)簡(jiǎn)支橋模態(tài)參數(shù)影響的模型試驗(yàn)

梁發(fā)云 ， 王　琛 ， 賈承岳 ， 王　玉

(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海　200092)

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沖刷深度對(duì)簡(jiǎn)支橋模態(tài)參數(shù)影響的模型試驗(yàn)

梁發(fā)云1,2， 王琛1, 2， 賈承岳1, 2， 王玉1, 2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092)

摘要：大多數(shù)的橋梁損毀是由于橋梁基礎(chǔ)受到?jīng)_刷，使橋墩埋深減小，降低了橋墩基礎(chǔ)的承載能力所致。對(duì)于橋梁基礎(chǔ)沖刷深度的直接量測(cè)比較困難，而在簡(jiǎn)支橋的橋墩系統(tǒng)中，橋樁基礎(chǔ)的裸露程度直接影響到橋墩系統(tǒng)的整體剛度，進(jìn)而影響系統(tǒng)的模態(tài)頻率。基于該測(cè)試原理，采用瞬時(shí)激勵(lì)的方式，通過(guò)三跨簡(jiǎn)支橋動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究簡(jiǎn)支橋樁基礎(chǔ)的沖刷深度與其動(dòng)力特性，揭示簡(jiǎn)支橋中同跨下兩墩不均勻沖刷時(shí)簡(jiǎn)支橋振動(dòng)特性的變化規(guī)律。試驗(yàn)研究表明，易受沖刷影響的是扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)和側(cè)向彎曲模態(tài)，這兩個(gè)模態(tài)頻率值隨著沖刷深度的增加而逐漸減小，且側(cè)向彎曲模態(tài)(低頻模態(tài))頻率值降低相對(duì)較快，扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)(高頻模態(tài))頻率值降低相對(duì)較慢；當(dāng)簡(jiǎn)支橋同跨下兩墩受到不同程度沖刷時(shí)，橋墩沖刷程度可以采用峰值頻率的幅值變化進(jìn)行判斷，越靠近沖刷程度更嚴(yán)重的橋墩測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的模態(tài)頻率值相同，但是頻率值對(duì)應(yīng)的幅值卻有著明顯差別，可以作為判斷橋墩沖刷程度的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖刷深度；模態(tài)參數(shù)；簡(jiǎn)支橋；模型試驗(yàn)；有限元分析

沖刷是水流作用引起河床剝蝕的一種自然現(xiàn)象，近幾十年來(lái)，世界范圍內(nèi)許多地區(qū)均有橋梁損毀的事故發(fā)生，造成相當(dāng)大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，統(tǒng)計(jì)資料表明，超過(guò)半數(shù)的橋梁破壞與洪水沖刷有關(guān)[1-2]?？偟臎_刷通常包括三個(gè)部分：一般沖刷(General scour)、收縮沖刷(Contraction scour)和局部沖刷(Local scour)[3]，其中局部沖刷深度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般沖刷和收縮沖刷，相差在一個(gè)數(shù)量級(jí)(10倍以上)[4-5]。因此,在沖刷分析中，局部沖刷深度的確定是最主要的。大多數(shù)的橋梁損毀是由于橋梁基礎(chǔ)受到?jīng)_刷，使橋墩埋深減小，進(jìn)而降低了橋墩基礎(chǔ)的承載能力造成的。因此，對(duì)橋墩基礎(chǔ)局部沖刷深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)其沖刷安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估預(yù)警，及時(shí)對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行維護(hù)或限制使用，從而減少災(zāi)害的發(fā)生。

然而，由于沖刷剝蝕過(guò)程往往處于湍急的洪流條件下，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)存在相當(dāng)?shù)碾y度。直接安裝在橋墩基礎(chǔ)上的監(jiān)測(cè)儀器很容易受到洪流沖擊而損壞，現(xiàn)有的測(cè)量方法均存在各自的缺陷。Shaji等[6-7]曾利用彎曲波法測(cè)試了木樁的實(shí)際埋深與裸露長(zhǎng)度，但該方法受土層條件影響過(guò)大，測(cè)試結(jié)果不夠可靠。Lo等[8]則采用平行地震法測(cè)試了臺(tái)灣一座橋梁的橋墩埋深，但這種方法缺點(diǎn)是需要鉆孔，當(dāng)敲擊能力較小或者橋墩尺寸較大時(shí)，傳到鉆孔內(nèi)的能量較小，不能得到足夠有效的數(shù)據(jù)。

為了克服上述測(cè)試方法中的不足，本文采用模態(tài)分析的方法，通過(guò)土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，用測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)的方式來(lái)評(píng)估橋梁基礎(chǔ)的沖刷程度。Watanabe等[9]提出了一種適于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁樁基沖刷狀態(tài)的傳感器布設(shè)方法，證明橋梁沖刷后模態(tài)頻率降低。Ko等[10]對(duì)兩座受沖刷作用的簡(jiǎn)支橋在正常運(yùn)行時(shí)記錄各個(gè)方向振動(dòng)數(shù)據(jù)，找出了易受沖刷影響的方向及對(duì)應(yīng)的模態(tài)。張達(dá)德等[11]以運(yùn)動(dòng)車輛為振動(dòng)源對(duì)一座受沖刷的簡(jiǎn)支橋進(jìn)行測(cè)試，在受沖刷橋墩正上方布置三向加速度傳感器，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法EMD與HHT變換處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。梁發(fā)云等[12-14]基于單樁模型試驗(yàn)，分別研究了沖刷深度對(duì)單樁循環(huán)承載特性以及自振頻率特性的影響規(guī)律，并進(jìn)一步采用ANSYS軟件建立有限元模型，探討簡(jiǎn)支橋橋墩受沖刷后模態(tài)頻率的變化特性。

由于模態(tài)頻率方法不需要將測(cè)試儀器直接埋入水面以下，可以很好地保證洪水條件下傳感器的安性耐性，適于長(zhǎng)期觀測(cè)。本文在前期數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，基于三跨簡(jiǎn)支橋的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究沖刷深度對(duì)簡(jiǎn)支橋樁基礎(chǔ)動(dòng)力特性的影響，揭示簡(jiǎn)支橋中同跨下兩墩不均勻沖刷時(shí)簡(jiǎn)支橋振動(dòng)特性的變化規(guī)律，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較。

1模態(tài)分析法的理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析法是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，研究模態(tài)參數(shù)的分析方法，可以將土體對(duì)橋梁樁基的約束簡(jiǎn)化為彈簧，則橋梁-樁基礎(chǔ)-土體可以被當(dāng)作一個(gè)完整的振動(dòng)系統(tǒng)。沖刷帶走了橋墩附近土體，使得振動(dòng)系統(tǒng)的側(cè)向整體剛度降低，對(duì)各階模態(tài)的頻率值有較大影響，因此可以通過(guò)模態(tài)頻率值的改變來(lái)判斷橋梁是否受到?jīng)_刷。

1.1模態(tài)分析確定沖刷深度問(wèn)題

通常可將振動(dòng)問(wèn)題分為三類：① 已知激勵(lì)和系統(tǒng)特性，求系統(tǒng)響應(yīng)；② 已知激勵(lì)和響應(yīng)，反推系統(tǒng)的特定參數(shù);③ 已知系統(tǒng)的特性和響應(yīng)輸出，反推激勵(lì)作用。

通過(guò)模態(tài)分析推斷沖刷深度問(wèn)題，既包含了振動(dòng)力學(xué)中的第2類問(wèn)題：特定參數(shù)(沖刷深度)未知；又包含了振動(dòng)力學(xué)中的第3類問(wèn)題：體系所受的激勵(lì)未知。通過(guò)簡(jiǎn)化激勵(lì)，體系中的未知量只剩下橋墩的沖刷深度。此時(shí)，簡(jiǎn)支橋模態(tài)測(cè)試與常規(guī)模態(tài)測(cè)試在試驗(yàn)過(guò)程中有明顯的區(qū)別，常規(guī)模態(tài)測(cè)試需在試驗(yàn)時(shí)同時(shí)記錄激勵(lì)信號(hào)與體系的振動(dòng)信號(hào)，而簡(jiǎn)支橋模態(tài)測(cè)試只需記錄振動(dòng)信號(hào)。

1.2激勵(lì)作用及其簡(jiǎn)化

橋梁-樁基礎(chǔ)-土體系中的激勵(lì)作用難以準(zhǔn)確探測(cè)，現(xiàn)有的研究中通常把激勵(lì)簡(jiǎn)化為白噪聲[10,15]。瞬時(shí)沖擊可作為白噪聲被廣泛應(yīng)用在模態(tài)試驗(yàn)中，并且持續(xù)時(shí)間越短、能量越大的瞬時(shí)沖擊，所產(chǎn)生的白噪聲頻域帶寬越寬[15]。圖1為持續(xù)0.1 s，大小為10 000的瞬時(shí)沖擊功率幅值譜，近似可以作為白噪聲。

圖1　激勵(lì)作用的簡(jiǎn)化Fig.1 Simplification of the effect

1.3模態(tài)分析與識(shí)別

通過(guò)模態(tài)分析確定了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或外部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。相應(yīng)地，采用模態(tài)分析確定橋梁-樁基礎(chǔ)-土體系易受沖刷影響的頻率范圍及各階主要模態(tài)特性，即可預(yù)測(cè)橋梁沖刷前后的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。傅里葉原理表明：任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序或信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。從試驗(yàn)中測(cè)得的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)很難讀出系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，需將系統(tǒng)振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，以得到模態(tài)頻率。

在研究橋梁模態(tài)識(shí)別問(wèn)題時(shí)，先建模計(jì)算橋梁易受沖刷影響的特定模態(tài)，比較這些模態(tài)與其它模態(tài)的區(qū)別，得到在特定模態(tài)下位移較大而在其它模態(tài)下位移較小的位置即為適合布設(shè)傳感器的位置。

2模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1單樁模型試驗(yàn)

賈承岳等[13]對(duì)單樁的模態(tài)分析方法進(jìn)行了模型試驗(yàn)，試驗(yàn)基于單樁動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究了沖刷深度和沖刷范圍對(duì)單樁模態(tài)特性的影響規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)論表明，單樁模態(tài)頻率隨沖刷深度的增加而逐漸減小，且基本呈線性變化。樁-土體系受到?jīng)_刷后樁局部沖刷減少，造成了樁土體系的剛度降低，且剛度降低直接影響單樁頻率。當(dāng)沖刷深度不變，沖刷范圍增大時(shí)，單樁模態(tài)頻率也會(huì)降低，這是因?yàn)闆_刷范圍不斷變大，同樣減弱了土體對(duì)單樁的約束力以至于減小體系的剛度，使得單樁模態(tài)頻率降低，但沖刷范圍的影響比沖刷深度要小，為本文提供了前期的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

2.2簡(jiǎn)支橋模型試驗(yàn)

本次簡(jiǎn)支橋試驗(yàn)采用敲擊方式施加簡(jiǎn)支橋結(jié)構(gòu)激勵(lì)，利用固定在橋面、橋側(cè)和橋墩處的加速度傳感器記錄橋梁振動(dòng)的加速度時(shí)程信號(hào)，通過(guò)頻域分析研究三跨簡(jiǎn)支橋中間兩個(gè)橋墩處于不同沖刷深度時(shí)，在不同位置處采集數(shù)據(jù)的差異，分析簡(jiǎn)支橋的整體模態(tài)頻率的變化，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2.2.1試驗(yàn)設(shè)備

(1) 模型槽：本試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)軟土物理模型試驗(yàn)槽中進(jìn)行的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?凈)幾何尺寸為3 000 mm(L)×2 100 mm(B)×3 200 mm(H)，槽底及槽壁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚300 mm，模型槽地下1.8 m，地上1.4 m。

(2) 模型樁：試驗(yàn)所用模型樁為鋼管，長(zhǎng)800 mm、直徑40 mm、壁厚4 mm鋼管，下部封口。模量212 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3。鋼管樁的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量較大，受傳感器的附加質(zhì)量影響較小。

(3) 簡(jiǎn)支橋模型：由于鋁合金材料較鋼材加工簡(jiǎn)便，同時(shí)質(zhì)量較大不易受傳感器附加質(zhì)量的影響，本次試驗(yàn)采用鋁合金制作簡(jiǎn)支橋，如圖2(a)所示，三跨簡(jiǎn)支橋分為橋面板、橋墩承臺(tái)和橋墩三部分，具體尺寸如圖2(b)，其中圓圈為傳感器位置。鋁合金彈性模量70 GPa，泊松比0.3，密度2.7 g/cm3。

圖2　簡(jiǎn)支橋模型設(shè)計(jì)Fig.2 Design of simply supported bridge

(4) 數(shù)據(jù)采集設(shè)備：本次試驗(yàn)用6個(gè)相同的加速度傳感器安裝在不同位置共同測(cè)試，采用美國(guó)朗斯(Lance) LC0120內(nèi)裝IC芯片壓電加速度傳感器，該傳感器靈敏度較高為1 000 mV/g，量程為5 g，抗沖擊極限為500 g，頻率適應(yīng)范圍為0.35～6 000 Hz，足夠包含待測(cè)試橋梁模態(tài)頻率范圍，分辨率精度較高為2×10-5g，質(zhì)量較小為19 g，通過(guò)M5螺紋安裝在模型上，連接方式為旋進(jìn)剛接，對(duì)簡(jiǎn)支橋動(dòng)力特性產(chǎn)生的影響較小。

(5) 土樣參數(shù)：本次試驗(yàn)所用砂土含水率為6.3%，密度為1.55 g/cm3。采用同濟(jì)大學(xué)電動(dòng)直剪儀對(duì)試驗(yàn)砂土進(jìn)行快剪試驗(yàn)，測(cè)得砂土的內(nèi)摩擦角為33.7°，內(nèi)聚力為0.5 kPa。對(duì)試驗(yàn)用砂土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)得此次試驗(yàn)砂土的側(cè)限壓縮模量可取兩組試驗(yàn)結(jié)果的平均值為Es1-2=11.6 MPa。

2.2.2試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繘_刷對(duì)簡(jiǎn)支橋動(dòng)力特性的影響，為減少動(dòng)力邊界影響，制作三跨簡(jiǎn)支橋，外側(cè)兩跨是對(duì)中間一跨的邊界擴(kuò)展，使得中間跨邊界受動(dòng)力邊界影響較小。通過(guò)改變中間兩墩沖刷深度及沖刷范圍，觀測(cè)簡(jiǎn)支橋模態(tài)頻率的變化趨勢(shì)及對(duì)沖刷影響最敏感的位置。分別在中間兩墩正上方橋面處水平放置③號(hào)、④號(hào)傳感器，用以測(cè)量橋面垂直位移；橋面?zhèn)冗吿庁Q向放置①號(hào)、②號(hào)傳感器，用以測(cè)量橋面?zhèn)认蛞苿?dòng)；橋墩外側(cè)處豎向放置⑤號(hào)、⑥號(hào)傳感器，用以測(cè)量橋墩側(cè)向移動(dòng)。具體試驗(yàn)位置見(jiàn)圖3。

圖3　試驗(yàn)方案及傳感器編號(hào)Fig.3 Test scheme and the sensors

(1) 加載方式：試驗(yàn)采用力錘垂直于橋梁方向進(jìn)行橫向敲擊。安裝在墩頂?shù)募铀俣葌鞲衅鲗⒄駝?dòng)信號(hào)傳入數(shù)據(jù)采集儀，由電腦記錄振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4。

圖4　敲擊位置Fig.4 Tap position

(2) 開(kāi)挖步驟：南京長(zhǎng)江三橋[16]和錢江四橋[17]的實(shí)測(cè)沖刷深度表明，大部分橋梁的各個(gè)橋墩的沖刷深度并不相同。因此在三跨簡(jiǎn)支橋試驗(yàn)中讓中間一跨下兩個(gè)橋墩處于不同的沖刷深度，記錄數(shù)據(jù)并總結(jié)規(guī)律。模擬不均勻沖刷過(guò)程如下：

步驟1橋墩初始埋深為60 cm，土層以上20 cm;

步驟2首先第1組模擬，保持其中一根橋墩未沖刷，另一根橋墩從未沖刷狀態(tài)每次沖刷5 cm至埋深35 cm共6步；

步驟3第2組模擬，保持其中一根橋墩沖刷5 cm，另一根橋墩從沖刷5 cm狀態(tài)一直沖刷到埋深35 cm共5步；

步驟4以此類推共6組模擬，21步，見(jiàn)圖5。

每步進(jìn)行一次模態(tài)分析并記錄簡(jiǎn)支橋在各個(gè)方向的前20階模態(tài)數(shù)據(jù)，觀察受沖刷影響最大的模態(tài)并比較與其它模態(tài)在振型上的差別，受沖刷影響明顯的模態(tài)位移較大而其它模態(tài)位移較小的位置即為適合在實(shí)測(cè)中布設(shè)傳感器。

圖5　挖深步驟Fig. 5 Step of dig depth

2.3簡(jiǎn)支橋模型數(shù)值模擬

作者曾采用ANSYS有限元軟件模擬簡(jiǎn)支橋模型受沖刷后模態(tài)頻率的變化，通過(guò)數(shù)值模擬分析，探討簡(jiǎn)支橋橋墩受沖刷后模態(tài)頻率的變化特性，探討了簡(jiǎn)支橋同跨下兩墩在受到不同程度沖刷時(shí)模態(tài)頻率的變化特點(diǎn)。數(shù)值模擬過(guò)程、幾何尺寸和材料參數(shù)與模型試驗(yàn)保持一致。在有限元分析時(shí)，采用Beam188單元模擬橋墩。橋墩與承臺(tái)假定為剛接，具體參數(shù)和分析過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬

3.1模型試驗(yàn)結(jié)果

分析各傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，①、②、⑤、⑥號(hào)傳感器得到的數(shù)據(jù)都能較好地讀出扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)和側(cè)向彎曲模態(tài)的峰值頻率。表1列出經(jīng)過(guò)分析整理后得到的這兩個(gè)模態(tài)頻率值隨沖刷步驟(圖5)的變化規(guī)律，分別為B墩未沖刷以及受沖刷5～20 cm的五組試驗(yàn)中簡(jiǎn)支橋的扭轉(zhuǎn)彎曲與側(cè)向彎曲的模態(tài)頻率變化。

3.2對(duì)比分析

將數(shù)值模擬與簡(jiǎn)支橋模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)與側(cè)向彎曲模態(tài)的頻率值對(duì)比如圖6所示，分別為B墩未沖刷，B墩沖刷5～20 cm的情況。

圖6　不同沖深時(shí)簡(jiǎn)支橋模態(tài)頻率Fig.6 Modal frequency of bridge with various scour depth

3.3模態(tài)幅值分析

上述分析雙墩不均勻沖刷后受影響明顯的模態(tài)及其頻率值變化，但是僅僅依靠頻率值的變化無(wú)法準(zhǔn)確推斷哪個(gè)橋墩受沖刷程度更大。因此在有限元模型上加載白噪聲，觀測(cè)兩墩振動(dòng)的具體差異。

在有限元模型中，使中間跨的一個(gè)橋墩沖刷10 cm，另一個(gè)橋墩未受沖刷影響，如圖7(a)所示。所加瞬時(shí)激勵(lì)可近似當(dāng)作白噪聲，如圖7(b)所示。對(duì)受沖刷簡(jiǎn)支橋模型進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，響應(yīng)記錄的持續(xù)時(shí)間為1 s，每0.000 5 s進(jìn)行一次計(jì)算，共2 000 步。計(jì)算完成后，記錄中間兩墩的墩頂一點(diǎn)及墩頂正上方橋面一點(diǎn)的Y向位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到結(jié)果如圖7(c)所示。

表1　模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7　簡(jiǎn)支橋模態(tài)幅值分析Fig.7 Mode amplitude analysis of bridge

簡(jiǎn)支橋同跨下兩墩受到不同程度沖刷時(shí)，在墩頂及橋面均可測(cè)得相同的側(cè)向彎曲模態(tài)頻率值(69.10 Hz)和扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)頻率值(87.34 Hz)，但是在不同的位置測(cè)得的兩個(gè)模態(tài)頻率的幅值有差異，接近沖刷嚴(yán)重一側(cè)的低頻模態(tài)即側(cè)向彎曲模態(tài)的幅值大，高頻模態(tài)即扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)的幅值小。試驗(yàn)中改變瞬時(shí)激勵(lì)的位置重復(fù)試驗(yàn)，得到同樣的頻率及幅值規(guī)律，由此可見(jiàn)模態(tài)幅值與激勵(lì)加載位置無(wú)關(guān)而與測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)。

4結(jié)論

本文進(jìn)行了簡(jiǎn)支橋的動(dòng)力模型試驗(yàn)，利用模態(tài)參數(shù)對(duì)橋墩沖刷狀況進(jìn)行評(píng)估，旨在提出一種沖刷深度評(píng)估的新思路及其可行性探討。但需要指出的是，目前的研究與實(shí)際工程應(yīng)用還有很大的距離。本文研究可以得到如下主要結(jié)論：

(1) 兩個(gè)易受沖刷影響的模態(tài)頻率值隨簡(jiǎn)支橋任意一墩沖刷深度的增加而逐漸減小，且側(cè)向彎曲模態(tài)(低頻模態(tài))頻率值降低相對(duì)較快，扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)(高頻模態(tài))頻率值降低相對(duì)較慢；

(2) 激振器激振加載方式不適用于模態(tài)試驗(yàn)，瞬時(shí)激振方式更加可靠簡(jiǎn)便，而在工程實(shí)際中需要由實(shí)測(cè)或者模型試驗(yàn)來(lái)確定適合布置傳感器的位置；

(3) 當(dāng)簡(jiǎn)支橋同跨下兩墩受到不同程度沖刷時(shí)，橋墩沖刷程度可以采用峰值頻率的幅值變化進(jìn)行判斷，越靠近沖刷程度更嚴(yán)重的橋墩測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的模態(tài)頻率值相同，但是頻率值對(duì)應(yīng)的幅值卻有著明顯差別，越接近沖刷嚴(yán)重一側(cè)的低頻模態(tài)即側(cè)向彎曲模態(tài)幅值越大，高頻模態(tài)即扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)幅值越小，可以作為判斷橋墩沖刷程度的重要依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Lagasse P F, Clopper P E, Zevenbergen L W, et al. NCHRP Report 593: Countermeasures to protect bridge piers from scour [R]. Washington DC, USA: Transportation Research Board, 2007.

[2] Wardhana K, Hadipriono F C. Analysis of recent bridge failures in the United States [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, ASCE, 2003, 17(3): 144-150.

[3] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG C30—2002) [S]. 中華人民共和國(guó)交通部, 2002.

[4] Melville B W, Coleman S E. Bridge Scour [M]. Colorado, USA:Water Resources Publications, 2000.

[5] Liang F Y, Bennett C R, Parsons R L, et al. A literature review on behavior of scoured piles under bridges [C]//The 2009 International Foundation Congress and Equipment Expo.Orlando:GSP186, ASCE, 2009:482-489.

[6] Shaji T, Somayaji S, Mathews M S. Ultrasonic pulse velocity technique for inspection and evaluation of timber [J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2000,12(2):180-185.

[7] Douglas R A, Holt J D. Determining length of installed timber pilings by dispersive wave propagation methods [R]. Center for Transportation Engineering Studies, North Carolina State University, 1993.

[8] Lo K F, Ni S H, Huang Y H, et al. Measurement of unknown bridge foundation depth by parallel seismic method [J]. Experimental Techniques, 2009, 33(1): 23-27.

[9] Watanabe S, Samizo M, Fuchiwaki A, et al. Evaluation of the structural integrity of bridge pier foundations under flood condition by the natural frequencies measured with a micro-tremor [J]. RTRI Report, 2007, 21(1): 31-36.

[10] Ko Y Y, Lee W F, Chang W K. Scour evaluation of bridge foundations using vibration measurement [C]//International Conference on Scour and Erosion.San Francisco, CA, 2010: 884-893.

[11] 張達(dá)德, 陳柏麟, 黃鋼. 沖刷橋墩基礎(chǔ)的HHT振動(dòng)頻譜特性分析與判讀研究[J]. 巖土力學(xué), 2010,31(7):2241-2246.ZHANG Da-de, CHEN Bo-lin, HUANG Gang. Characteristics analysis and judgment of vibrating frequency for scoured pier foundation by Hilbert Huang transform [J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31 (7): 2241-2246.

[12] 梁發(fā)云, 李彥初, 陳海兵. 沖刷作用下單樁循環(huán)加載特性的模型試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,42(10):1511-1515.

LIANG Fa-yun, LI Yan-chu, CHEN Hai-bing. Influence of scour depth on vertically cyclic behaviors of singe pile with model tests[J].Journal of Tongji University,2014,42(10):1511-1515.

[13] 賈承岳, 梁發(fā)云, 王玉. 沖刷深度對(duì)單樁自振頻率影響的試驗(yàn)分析初探[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2013,29(1): 114-117.

JIA Cheng-yue, LIANG Fa-yun, WANG Yu. A preliminary investigation on the influences of scour depth on natural frequencies of a single pile [J]. Structural Engineering, 2013,29(1): 114-117.

[14] 王玉, 賈承岳, 梁發(fā)云, 等. 橋墩不均勻沖刷對(duì)簡(jiǎn)支橋模態(tài)影響的數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(增刊2): 779-782.

WANG Yu, JIA Cheng-yue, LIANG Fa-yun, et al. Numerical simulation of influence of non-uniform scour depth on modes of simply supported bridge [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Sup2): 779-782.

[15] 姚錦寶, 夏禾, 戰(zhàn)家旺. 鐵路橋梁基礎(chǔ)受沖刷對(duì)橋墩模態(tài)特性的影響分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué),2008,29(1):31-35.

YAO Jin-bao, XIA He, ZHAN Jia-wang. Analysis on the influence of the bridge foundation under scouring on the natural vibration characteristics of piers [J]. China Railway Science, 2008,29(1):31-35.

[16] 盧中一, 高正榮, 吳麗華, 等. 南京長(zhǎng)江三橋橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷[J]. 人民長(zhǎng)江, 2005, 36(10): 48-50.

LU Zhong-yi, GAO Zheng-rong, WU Li-hua, et al. Local scour at pier foundation of Nanjing Yangtze 3rd bridge [J]. Yangtze River, 2005, 36(10): 48-50.

[17] 伍冬領(lǐng), 邢艷, 謝曉波, 等. 錢江四橋橋墩局部沖刷試驗(yàn)研究[J]. 橋梁建設(shè), 2005(2): 19-21.

WU Dong-ling, XING Yan, XIE Xiao-bo, et al. Experimental study of local scour at piers of the Qianjiang 4th bridge [J]. Bridge Construction, 2005(2): 19-21.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172246)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB036304)

收稿日期：2015-02-02修改稿收到日期：2015-07-09

中圖分類號(hào):TH212；TH213.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.024

Model test on the influence of scour depth on modal parameters of simply supported bridge

LIANG Fa-yun1,2, WANG Chen1,2, JIA Cheng-yue1,2, WANG Yu1,2

(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China；2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract:Many failures of bridges are caused by the scour around foundation，which enlarges the scour depth and reduce the bearing capacity of piers. However, the monitoring of the scour is difficult according to practical experiences. For a simply supported bridge system, the scour depth also has its influence on the stiffness and modal parameters of the bridge. Based on the theory of modal parameters and the test on a simply supported bridge, the relationship of the depth and dynamic characteristics with the response of the bridge under instant impulse excitation was discussed. In conclusion, the torsional and lateral bending modes are vulnerable to the scour, and the modal frequencies of both of them decrease with the increase of scour depth. The frequency of the lateral bending mode (low-frequency mode) decreases faster than that of the torsional mode (high-frequency mode). When the scours around two piers are different, their degrees can be judged by the amplitude of the peak frequency. The scour process can be detected by the analysis on the modal modes and its amplitude.

Key words:scour depth; modal parameter; simple-supported bridge; model test; finite element analysis

第一作者 梁發(fā)云 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1976年生

E-mail：fyliang@#edu.cn