基于Wi-Fi測試技術(shù)的橋梁動力特性試驗

梁 麗， 李順才,b， 喻 秋

(江蘇師范大學 a. 機電工程學院; b. 江蘇圣理工學院, 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性主要包括橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型、阻尼比以及沖擊系數(shù)等，橋梁結(jié)構(gòu)在運動車輛作用下的動力特性是橋梁結(jié)構(gòu)動力學研究的重要內(nèi)容之一。文獻[1-4]中應(yīng)用軟件Midas/Civil建立橋梁的三維動力有限元模型，對橋梁模型進行相應(yīng)動力特性分析；盧彭真等[5-6]利用空間梁格理論以及有限元軟件SPA2000分別對叉形梁及人字形橋梁結(jié)構(gòu)的振動頻率及振型進行了模擬分析；汪維安等[7]分析推導(dǎo)了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的等效阻尼比的計算公式，通過有限元計算發(fā)現(xiàn)樁-土相互作用對大跨度組合結(jié)構(gòu)橋梁的動力特性影響明顯；包龍生等[8]以遼寧省沈陽四環(huán)西蘇堡特大橋跨越渾河為對象，建立實橋模型，運用反應(yīng)譜法在模型中輸入動力特性值運行分析，得出橋梁基本自振頻率；劉雨青等[9]在環(huán)境激勵下，重點測試了武漢理工大學理工一橋的振動特性，采用頻差法和新基頻法識別斜拉索的基頻，由導(dǎo)納圓擬合法識別出橋梁的模態(tài)參數(shù)，通過實測與理論計算的比較研究，分析該橋的動力特性；宋廣君等[10]從激勵信號特征分析和振動相關(guān)性的角度對利用“車輛隨機激勵”檢測大型橋梁動力特性的可行性進行了分析研究，并通過實際橋梁的振動試驗測試(功率譜和相干函數(shù))，證實了該方法的實踐可行性；田文杰[11]采用有限元分析軟件ANSYS對公路橋梁結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，計算得到橋梁的自振頻率和主振型，并和脈動試驗所得結(jié)果進行對比分析；宋郁民等[12]以擬建的某鐵路貨運專線曲線橋梁為例, 對全橋的動力特性進行了分析, 并運用專業(yè)的車橋耦合振動程序完成了車輛-橋梁耦合振動的數(shù)值分析, 評價了該橋梁的動力特性, 給出了適合橋梁動力特性的合理行車速度；彭大文等[13-14]、汪新惠等[15]針對無伸縮縫橋梁的結(jié)構(gòu)特點，提出一個土-結(jié)構(gòu)的非線性相互作用模型；馮文煥[16]以港珠澳大橋江海直達船航道橋三塔斜拉橋為工程背景，采用有限元分析軟件進行建模，對斜拉橋進行了自振特性分析；陳春東[17]對收集到的大量簡支梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋及拱橋的實測頻率、實測沖擊系數(shù)等數(shù)據(jù)進行了分析研究，對比分析了各影響因素對沖擊系數(shù)的影響程度及影響規(guī)律，并給出了優(yōu)化的沖擊系數(shù)近似計算公式；王燕華[18]以典型異形梁模型為研究對象，分別利用MATLAB軟件與ANSYS軟件進行有限元模擬，比對驗證其結(jié)果，確保準確性；然后，計算結(jié)構(gòu)在各種動態(tài)子結(jié)構(gòu)算法下動力特性，以驗證各種動態(tài)子結(jié)構(gòu)法在異形橋梁動力分析中的可行性及精確度，并結(jié)合各類方法的求解精度和操作的復(fù)雜程度，對其在不同類型異形橋中的適用性進行探討。

本文通過TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，以校內(nèi)玉泉橋為研究對象進行動載試驗，主要通過基頻模態(tài)測試、跑車及剎車試驗確定橋梁的固有頻率、振型、阻尼以及沖擊系數(shù)等動力特性。

1 測試原理及設(shè)備

在各種振動試驗中，需振源來激發(fā)測試對象，使測試對象產(chǎn)生振動。根據(jù)振源產(chǎn)生原因可分為天然振源和人為振源。人為振源主要包括機械式激振器和偏心式起振機、電動力式振動臺和激振器、力錘、地震模擬振動臺、車輛振動、爆破以及人體晃動等。其中，車輛振動常用于公路、鐵路橋梁及結(jié)構(gòu)物的振動測試。

以江蘇師范大學校內(nèi)的玉泉橋為測試對象，該橋橋長約60 m、寬度約7 m，雙向單車道，有約3°的坡度，該橋為4孔拱橋，下層為花崗巖，上層為平鋪型混凝土板梁(見圖1)。首先，基于環(huán)境激勵法，采用江蘇泰斯特集團生產(chǎn)的TST5926EV大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)(見圖2)進行基頻及模態(tài)測試分析。其次，通過人為振源——車輛振動，利用TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)(見圖3)進行玉泉橋的剎車及跑車試驗，以確定該橋的沖擊系數(shù)。

圖1 玉泉橋圖2 TST5926EV大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)

圖3 TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)

本次試驗主要采用泰斯特集團生產(chǎn)的兩套設(shè)備：① TST5926EV大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由測試分析軟件、多個TST5926E采集器、電腦、無線路由器、同步線、天線等組成。采集器內(nèi)置高靈敏度、水平和垂向的雙低頻速度傳感器，具有完善的信號適調(diào)、電壓放大、抗混濾波、數(shù)據(jù)采集功能，內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)，標配2GB存儲器，高速Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠，傳輸質(zhì)量高。每個采集器具有Z、X兩個通道，分別采集結(jié)構(gòu)沿垂直和水平兩個方向的振動。② TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由測試分析軟件、多個TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變采集模塊、TST126傳感器、天線、無線路由器，移動電源及筆記本電腦等組成。該系統(tǒng)采用Wi-Fi 無線傳輸技術(shù)，可靠傳輸距離約200 m，每臺計算機可同時控制16個采集模塊；可程控切換1/4橋(三線制)、半橋、全橋3種橋路方式進行應(yīng)變測量，具有實時回收、事后采集多種采樣方式可供選擇，滿足不同的現(xiàn)場需要；可外接磁電式低頻拾振器、橋式傳感器實現(xiàn)振動信號測量，采用嵌入式GPS模塊，實現(xiàn)多臺同步采樣，可連續(xù)工作8 h。

2 基頻及模態(tài)測試分析

2.1 試驗步驟

沿玉泉橋長度方向6等分該橋，將5個TST5926E采集器放置在橋梁的一側(cè)靠邊處，相鄰兩個采集器之間間隔為10 m(見圖4)，底端用橡皮泥與地面固定以保證受力均勻。將天線及及同步線分別接入采集器及路由器，以保證振動信號接收良好。儀器正確連接至計算機，仔細檢查所有接口是否接觸良好，所有裝置是否安全、可靠后，接通并打開儀器電源；測量時，在配套的TST5926EV大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試分析軟件上設(shè)置工程單位為中速度mm/s，采樣頻率為200 Hz，分析頻率78.13 Hz，采樣時間15 min。

(a) 示意圖

(b) 試驗圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

TST5926E采集器可采集垂直及水平兩個方向的振動信號，對于橋梁試驗，水平方向振動信號較弱，一般只考慮垂直方向的振動信息。通過分析軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，以1號TST5926E采集器為例，圖5給出了玉泉橋在垂直方向上振動的時域信號圖，再通過軟件對時域信號進行分析處理，得到玉泉橋垂直方向上振動信號的平均譜圖(見圖6)。由圖6可知，玉泉橋的振動基頻為14.45 Hz。

圖5 玉泉橋時域信號圖

利用泰斯特TSTMP模態(tài)分析軟件，建立玉泉橋模型，對玉泉橋進行模態(tài)分析。首先，根據(jù)玉泉橋橋長、橋?qū)捈皽y點分布構(gòu)建玉泉橋模型；其次，導(dǎo)入所測得的時域信號進行相應(yīng)模態(tài)分析；最終得到玉泉橋的1階固有頻率為14.26 Hz、阻尼比為5.00%，2階固有頻率為23.63 Hz，阻尼為19.65%，其相應(yīng)的2階振型如圖7所示。由于節(jié)點C2及C4處于橋墩處，阻尼較大，導(dǎo)致振型圖存在一定偏差。結(jié)合玉泉橋振動信號的模態(tài)分析及平均譜圖，玉泉橋的固有頻率約為14 Hz。

圖6 玉泉橋振動信號的平均譜圖

(a) 1階振型圖(b) 2階振型圖

圖7 玉泉橋前2階模態(tài)振型圖

3 跑車、剎車試驗

3.1 沖擊系數(shù)計算公式

沖擊系數(shù)是指汽車過橋時對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動力效應(yīng)的增大系數(shù)，即汽車荷載的動力影響，是評價橋梁結(jié)構(gòu)安全性及行車舒適性的重要指標之一。在運動車輛荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力明顯高于橋梁在靜止車輛荷載作用下的變形和應(yīng)力。無論是在橋梁設(shè)計還是橋梁承載力評估中，沖擊系數(shù)都是一個很重要的參數(shù)[17]。在橋梁承載力評估中，橋梁的動力放大效應(yīng)一般以沖擊系數(shù)的形式在檢測報告中體現(xiàn)出來，一般可由下式[17，19-20]計算得出：

(1)

式中：δ為橋梁結(jié)構(gòu)動力系數(shù)；μ為沖擊系數(shù)；Smax為動載作用下該測點最大應(yīng)變(或撓度)值；Smean為相應(yīng)的靜載荷作用下該測點最大應(yīng)變(或撓度)值，

Smean=0.5(Smax+Smin)

(2)

Smin為與Smean相應(yīng)的最小應(yīng)變(或撓度)值。

另外，在測試動應(yīng)變時域曲線時，由于應(yīng)變片貼法的正負極性不同，用戶實測的動應(yīng)變曲線的主峰很可能往下(為負值)，在這種情況下，沖擊系數(shù)的計算公式不變，但是Smax、Smean、Smin都將有所改變(Smax為動載作用下該測點最大動應(yīng)變的絕對值；Smean為相應(yīng)的靜載荷作用下該測點最大應(yīng)變的絕對值；Smin為與Smean相應(yīng)的最小應(yīng)變的絕對值)。

3.2 試驗步驟

(1) 粘貼應(yīng)變片。選用型號為BX120-80AA的混凝土應(yīng)變片，以橋梁正中央為基準，粘貼第1片應(yīng)變片，其余兩片應(yīng)變片分別粘貼在距第1片應(yīng)變片1.7 m的上下兩側(cè)處，如圖8所示；粘貼應(yīng)變片之前先將地面用砂紙打磨，保證粘貼牢固；接著在定位出的十字中心用502膠水粘貼應(yīng)變片，并再加一層硅膠作為保護膜，以防被來往車輛破壞。

(a) 示意圖

(b) 試驗圖

(2) 根據(jù)試驗需求，通過屏蔽線，采用1/4橋(三線制)(見圖9)的方式分別將3片應(yīng)變片連接到兩臺TST5925EV采集模塊上，儀器通道如表1所示。

TST5925EV機號通道應(yīng)變片2號機CH13號3號機CH1CH21號2號

(3) 兩臺TST5925EV采集模塊分別接入發(fā)射天線，無線路由器插孔內(nèi)接入網(wǎng)線及接收天線，網(wǎng)線另一端接入筆記本電腦；認真檢查所有接口是否接觸良好，檢查所有裝置是否安全可靠后，接通并打開儀器的電源。

(4) 打開配套的TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析軟件，設(shè)置工程單位為應(yīng)變με，采樣頻率為200 Hz，分析頻率78.13 Hz，采樣模式為連續(xù)采集，觸發(fā)方式為自由觸發(fā)，測量類型為應(yīng)變應(yīng)力；并進行平衡與清零。

(5) 跑車。汽車以給定速度10、20、30、40、60、80(以上)km/h等速度沿橋面正中間駛過，當汽車啟動時點擊開始采集，汽車駛過橋面時點擊停止采集，完成試驗。

(6) 剎車。汽車以給定速度10、20 km/h行駛至橋梁正中間時緊急剎車，當汽車啟動時點擊開始采集，汽車完成急剎后點擊停止采集，完成試驗；由于車速較高時，要在橋中緊急剎車，對車輛損傷較大，所以剎車試驗時只取了兩個較小的車速。

(7) 通過分析所得數(shù)據(jù)，計算相應(yīng)沖擊系數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過測試系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，圖10及圖11分別給出了車速為10 km/h時，跑車及剎車作用下橋梁應(yīng)變的時域信號圖。根據(jù)沖擊系數(shù)計算公式，需要獲得動載作用下橋梁產(chǎn)生應(yīng)變的最大值及最小值，接著代入沖擊系數(shù)計算公式計算出相應(yīng)的沖擊系數(shù)。由于試驗過程中，2號采集器中途電量不足，無法工作，故最終采集了3號機的數(shù)據(jù)(見表2)。

(a) 3號機1通道(通道3-1)(b) 3號機2通道(通道3-2)

圖10 跑車試驗時橋梁應(yīng)變的時域信號圖(v=10 km/h)

圖11 剎車試驗時橋梁應(yīng)變的時域信號圖(v=10 km/h)

在《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的規(guī)范中，沖擊系數(shù)被界定為結(jié)構(gòu)基頻的函數(shù)，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第 5 條規(guī)定[21]：f≤1.5時，μ=0.05；1.5

根據(jù)表2可繪制橋梁的沖擊系數(shù)隨車載速度的變化曲線，如圖12所示。由圖可知，隨著車載速度的增加，沖擊系數(shù)的變化大致呈一個正弦曲線的形式。根據(jù)基頻及模態(tài)試驗可知，玉泉橋的振動基頻約為14 Hz，則按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，沖擊系數(shù)應(yīng)為0.45。實測沖擊系數(shù)大致在0.3～0.7之間，兩個測點處各測得了8組數(shù)據(jù)，若分別取平均值，則1號測點處的沖擊系數(shù)為0.41，2號測點處的沖擊系數(shù)為0.31，略小于標準值。考慮到因?qū)嶋H跑車荷載效率偏低，實測沖擊系數(shù)相對誤差稍大，且該橋結(jié)構(gòu)分布不均，本橋?qū)崪y沖擊系數(shù)可用。

表2 跑車、剎車試驗時橋梁應(yīng)變的最大值(|Smax|)、最小值(|Smin|)以及沖擊系數(shù)

圖12 沖擊系數(shù)隨車載速度的變化曲線

由表2可繪制兩個測點處的最大動應(yīng)變及最小動應(yīng)變的變化曲線圖，如圖13所示。由圖可知，隨著車載速度的增加，1號測點及2號測點處橋梁的最大動應(yīng)變、最小動應(yīng)變總體呈現(xiàn)增加的趨勢，但并非單調(diào)變化。

(a) 最大動應(yīng)變

(b) 最小動應(yīng)變

圖13 跑車試驗時兩個測點處動應(yīng)變的變化曲線

4 結(jié) 語

基于環(huán)境激勵法，通過TST5926EV大型結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)測得江蘇師范大學校內(nèi)玉泉橋的1階固有頻率為14.26 Hz、阻尼比為5.00%，2階固有頻率為23.63 Hz，阻尼為19.65%，并給出了相應(yīng)的2階振型圖。

通過跑車及剎車試驗，利用TST5925EV無線遙測動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)測得了車載不同移動速度下的動態(tài)響應(yīng)，并計算了該橋的沖擊系數(shù)。得到1號測點處的沖擊系數(shù)為0.41，2號測點處的沖擊系數(shù)為0.31。實驗過程中由于一部分采集設(shè)備電量不足導(dǎo)致試驗過程中一組數(shù)據(jù)缺失，最終測得的沖擊系數(shù)存在一定的誤差，但對比標準值，可知1號測點沖擊系數(shù)接近于標準值。橋梁的沖擊系數(shù)隨車載速度的增加大致呈正弦曲線的變化規(guī)律。