公鐵兩用斜拉橋豎向動力特性長期監(jiān)測分析

趙瀚瑋，丁幼亮，2，李愛群，岳青，吳來義

(1．東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構教育部重點實驗室，江蘇南京210096;2．河北省大型結(jié)構健康診斷與控制實驗室，河北石家莊050043;3．北京建筑大學，北京100044;4．中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210032)

公鐵兩用斜拉橋豎向動力特性長期監(jiān)測分析

趙瀚瑋1，丁幼亮1，2，李愛群3，岳青4，吳來義4

(1．東南大學混凝土及預應力混凝土結(jié)構教育部重點實驗室，江蘇南京210096;2．河北省大型結(jié)構健康診斷與控制實驗室，河北石家莊050043;3．北京建筑大學，北京100044;4．中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210032)

基于黃岡公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)2015年1月—9月的主梁豎向加速度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了橋梁豎向振動的長期頻譜特征，研究了橋梁豎向動力特性與溫度的相關性，得到了橋梁豎向振動前4階固有頻率與環(huán)境溫度的相關性擬合曲線，給出了橋梁豎向動力特性在長期服役過程中的預警閾值。研究結(jié)果表明:黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的豎向振動固有頻率與溫度具有明顯的線性相關性;根據(jù)橋梁豎向振動的歸一化頻率與橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)所識別頻率的殘差，能夠有效制定橋梁豎向動力特性預警指標，以用于橋梁服役過程中的動力性能長期監(jiān)測。

公鐵兩用斜拉橋;豎向動力特性;溫度相關性;預警閾值

黃岡公鐵兩用斜拉橋是武漢至黃岡城際高速鐵路及黃岡至鄂州高速公路的關鍵性控制工程，橋梁全長約4 km，主橋為雙塔鋼桁梁斜拉橋，主跨跨度為567 m。橋梁設計為雙層橋面，上層橋面為設計速度100 km/h的4車道高速公路，下層橋面為設計速度200 km/h的通行雙線高速鐵路［1-2］。黃岡公鐵兩用斜拉橋長期處于列車荷載、汽車荷載與環(huán)境溫度的共同作用下，橋梁結(jié)構在服役過程中的振動問題值得關注［3-4］。通過研究結(jié)構振動，可以準確獲得其結(jié)構振動特性并了解其長期演化規(guī)律。

許永吉等［5］通過橋梁縮尺模型試驗，探討了環(huán)境溫度對橋梁結(jié)構動力特性的影響。陳策等［6］建立了三塔兩跨懸索橋結(jié)構的ANSYS有限元模型，分析了環(huán)境溫度對大跨懸索橋結(jié)構靜動力特性的影響。焦志欽等［7］基于吉昌特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討了環(huán)境因素變化與結(jié)構損傷引起的結(jié)構動力特性的變異性。閔志華等［8］基于東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了環(huán)境溫度場對大跨斜拉橋動力特性的影響分析。

黃岡公鐵兩用斜拉橋結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)通過在橋梁結(jié)構和路面安裝傳感器獲取橋梁結(jié)構在長期服役過程中的結(jié)構振動加速度與結(jié)構溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。在橋梁日常服役過程中，環(huán)境溫度與結(jié)構本身力學性能(如剛度、邊界條件)的變化都將影響橋梁的動力特性［9-10］。如果能準確了解橋梁動力特性與溫度的關系，就能夠通過結(jié)構動力特性的變化掌握橋梁結(jié)構服役性能的變化過程。進而憑借已安裝的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，對結(jié)構的動力特性與其演化規(guī)律進行長期的監(jiān)測與分析。最終達到掌握橋梁性能劣化的演變規(guī)律，并及時采取相應的改善措施，延長橋梁使用壽命的目的。

本文以黃岡公鐵兩用斜拉橋結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)2015年1月—9月的主梁實測豎向振動加速度數(shù)據(jù)為對象，研究了主梁豎向動力特性的季度變化規(guī)律，得到了主梁豎向動力特性與溫度的相關性特征，并設定了相應自振頻率預警閾值，為公鐵兩用斜拉橋的維護、加固與長期監(jiān)測提供依據(jù)。

1　黃岡公鐵兩用斜拉橋振動加速度監(jiān)測系統(tǒng)

黃岡公鐵兩用斜拉橋主橋結(jié)構的孔跨布置為(82.71+243+567+243+82.79)m，全長1 218.5 m，見圖1。為了監(jiān)測黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的振動加速度響應，分別在主梁1～7監(jiān)測截面上各安裝2個豎向加速度傳感器，其中監(jiān)測截面1，7位于橋梁輔助跨跨中，監(jiān)測截面2，6位于橋梁邊跨跨中，監(jiān)測截面3，5分別位于橋梁主跨的1/4截面與3/4截面，監(jiān)測截面4位于橋梁主跨跨中截面。監(jiān)測截面3測點布置如圖2所示，其余截面布置方式相似。振動加速度傳感器的采樣頻率為200 Hz。本文采用這7個監(jiān)測截面的實測豎向振動加速度數(shù)據(jù)進行分析。

圖1　黃岡公鐵兩用斜拉橋振動加速度監(jiān)測截面(單位:m)

圖2　監(jiān)測截面3測點布置

2　主梁豎向振動加速度典型監(jiān)測結(jié)果

采用小波包降噪技術與20 Hz低通數(shù)字濾波手段對黃岡公鐵兩用斜拉橋豎向加速度傳感器采集所得的加速度信號進行降噪處理，獲取橋梁主梁服役過程中的豎向振動加速度響應。黃岡公鐵兩用斜拉橋在主梁日常服役過程中，主跨1/4跨(監(jiān)測截面3)某時段的豎向加速度典型監(jiān)測結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，橋梁在日常服役過程中主梁振動加速度呈明顯的非平穩(wěn)振動特性，這些非平穩(wěn)振動來自于高速列車荷載和高速公路汽車荷載。虛線圈內(nèi)的非平穩(wěn)段信號為列車通過時的主梁加速度響應，實線圈內(nèi)的非平穩(wěn)段信號為汽車通過時的主梁加速度響應。進一步提取該日的豎向加速度典型監(jiān)測結(jié)果，見圖4。從圖中可以看出，振動加速度峰值長期變化曲線呈明顯的隨機性，振動時程曲線的非平穩(wěn)段幅值較大，且集中在白天列車運營期間，主要是由列車荷載引起的。

圖3　典型時段主梁豎向振動加速度監(jiān)測結(jié)果

圖4　典型日主梁豎向振動加速度監(jiān)測結(jié)果

3　基于豎向振動加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)的動力特性分析

3.1橋梁豎向振動頻譜特性長期分析

橋梁結(jié)構動力響應的頻率響應函數(shù)在結(jié)構固有頻率處達到極值，在僅有輸出的結(jié)構振動測試中，拾取自功率譜密度圖上的峰值可以確定結(jié)構的自振頻率。通過上一節(jié)分析可知黃岡公鐵兩用斜拉橋的豎向振動響應在每日0:00—4:00受列車荷載與汽車荷載的影響較小，采用峰值法對橋梁結(jié)構的實測加速度響應信號進行了模態(tài)參數(shù)識別［11-13］。

黃岡公鐵兩用斜拉橋某日0:00—4:00時段主梁的加速度響應自功率譜見圖5。通過對黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的豎向加速度長期分析，得到可以穩(wěn)定識別大橋主梁豎向振動的4階固有頻率。

圖5　主梁豎向振動加速度自功率譜

對黃岡公鐵兩用斜拉橋2015年1月—9月主梁振動頻率進行長期識別和分析。主梁第1階豎向振動頻率至第4階豎向振動頻率日平均值的長期監(jiān)測結(jié)果見圖6。從圖中可以看出主梁第1階豎向振動頻率至第4階豎向振動頻率主要分布于0.355～0.367 Hz，0.575～0.605 Hz，1.14～1.17 Hz和1.23～1.26 Hz，且隨著季度變化呈較明顯變化特性。

圖6　2015年1月—9月主梁振動頻率的長期監(jiān)測結(jié)果

3.2橋梁豎向動力特性-溫度相關性分析

由3.1節(jié)中的分析結(jié)果可知，黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁豎向振動頻率具有明顯的季度特征。因此，本節(jié)進一步對黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁振動頻率與環(huán)境溫度的相關性進行分析。為避免列車荷載與汽車荷載作用時產(chǎn)生的噪聲干擾，選取通車量相對較少的時段，即每日0:00—4:00主梁豎向振動加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。通過這些數(shù)據(jù)得到主梁每日的豎向第1階至第4階振動頻率值，以及對應的結(jié)構平均溫度，從而研究主梁豎向振動固有頻率與結(jié)構溫度的相關性。采用最小二乘法對橋梁主梁振動特性與環(huán)境溫度的相關性進行多項式擬合，如下

式中:fm為實測頻率，即通過振動加速度數(shù)據(jù)得到的主梁豎向振動固有頻率;T為環(huán)境溫度;p0～pn為多項式擬合系數(shù)。

黃岡公鐵兩用斜拉橋2015年1月—9月，主梁的豎向第1階、第2階、第3階和第4階固有頻率與結(jié)構溫度的相關性散點圖見圖7。

圖7　主梁豎向振動固有頻率與溫度的相關性散點

主梁豎向前4階固有頻率與環(huán)境溫度的相關性擬合曲線見表1。

表1　主梁豎向振動固有頻率與溫度的相關性擬合曲線

從圖7與表1中可以看出:黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的豎向振動固有頻率與溫度具有明顯的線性相關性。

3.3橋梁豎向動力特性預警域值

根據(jù)3.2節(jié)主梁頻率溫度相關性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁振動固有頻率與溫度有明顯的相關性。基于擬合出的橋梁豎向振動固有頻率與溫度的相關性擬合曲線，根據(jù)式(2)對從監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲得的橋梁豎向振動固有頻率做歸一化處理［14-15］，以消除環(huán)境溫度對橋梁豎向振動固有頻率的影響。

式中:f為溫度歸一化后的頻率;fr為每一階模態(tài)頻率的參考頻率(一般為理論計算值);ft為由擬合曲線計算所得的模態(tài)頻率計算值。

同時，可以得到橋梁結(jié)構固有頻率在排除溫度干擾后的變化曲線，并根據(jù)式(3)得到橋梁主梁豎向振動固有頻率值在長期服役過程中，受到非溫度因素影響(如結(jié)構損傷、性能退化)的頻率殘差r。

主梁豎向振動固有頻率預警閾值見圖8，黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁豎向振動固有頻率殘差落在一個微小變化范圍內(nèi)，如果橋梁結(jié)構的動力性能發(fā)生較大變化，則表示橋梁的力學性能發(fā)生退化或橋梁結(jié)構出現(xiàn)了損傷?；跇蛄航Y(jié)構固有頻率殘差長期監(jiān)測，可以設定反應結(jié)構動力性能正常變化范圍的限值，即結(jié)構固有頻率的預警閾值。

圖8　主梁豎向振動固有頻率預警閾值

在黃岡公鐵兩用斜拉橋的長期服役過程中，如果固有頻率殘差值超過該預警閾值，這表示橋梁動力性能發(fā)生非正常變化，則橋梁結(jié)構性能需要進一步關注。

4　結(jié)論

1)基于黃岡公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，少量通車時段的豎向振動加速度數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定識別橋梁主梁前4階豎向振動固有頻率。

2)黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的豎向動力特性，隨著一年中各個季度的變化，存在較明顯的變化特性。

3)黃岡公鐵兩用斜拉橋主梁的豎向振動固有頻率與溫度具有明顯的線性相關性。

4)根據(jù)橋梁豎向振動的歸一化頻率與橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)所識別頻率的殘差，能夠有效制定橋梁豎向動力特性預警指標，以用于橋梁服役過程中的振動性能長期監(jiān)測。

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(責任審編 鄭冰)

Long-term M onitoring and Analysis of Vertical Dynam ic Characteristic of Rail-cum-road Cable-stayed Bridge

ZHAO Hanwei1，DING Youliang1，2，LI Aiqun3，YUE Qing4，WU Laiyi4
(1．Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China;2．Structural Health Monitoring and Control Key Laboratory of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050043 China;3．Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China; 4．China Railway Major Bridge(Nanjing)Bridge and Tunnel Inspect＆Retrofit Co．，Ltd．，Nanjing Jiangsu 210032，China)

Based on the long-term monitoring data(from January to Septem ber 2015)o f girders vertical acceleration on the structure health m onitoring system of the Huanggang rail-cum-road cable-stayed bridge，the longterm spectral performance of bridge vertical vibration was analyzed．T he correlation between the vertical dynamic characteristic of bridge and the environm ental temperature was studied，and the fitting curves of which were presented．The early warning thresholds of bridge vertical dynamic characteristic in serving were given in this paper．The results show that he natural frequencies of vertical vibration at the main girder o f the Huanggang rail-cum-road cable-stayed bridge have significant linear correlation withtem perature．The residual of the norm alized frequency and measured frequency can effectively make a contribution to the early warning indicators of vertical dynamic characteristic of bridge，which can be used for the long-term monitoring of the dynamic characteristic of bridge in service．

Rail-cum-road cable-stayed bridge;Vertical dynamic characteristic;Correlation between dynamic characteristic and temperature;Early w arning threshold

U448．12+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．07

1003-1995(2016)11-0026-05

2016-05-14;

2016-09-24

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2015CB060000);國家自然科學基金(51438002，51578138);河北省大型結(jié)構健康診斷與控制重點實驗室開放課題(201502);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2014G004-B)

趙瀚瑋(1990—)，男，博士研究生。

丁幼亮(1979—)，男，研究員，博士。