基于脉动试验的某特大桥动力特性试验研究

孙 超

（江苏省昆山市公路管理处，江苏 昆山215300）

脉动试验是通过在桥上布置高灵敏度的传感器，长时间记录桥梁结构在环境激励下，如风、水流、地脉动等条件而引起的桥梁振动，然后对记录下来的桥梁振动时程信号进行处理，并进行时域和频域分析，求出桥梁结构自振特性的一种方法。脉动试验假设环境激励为平稳的各态历经，在中低频段，环境振动的激励谱比较均匀，在环境激励的频率与桥梁的自振频率一致或接近时，桥梁容易吸收环境激励的能量，使振幅增大；而在环境激励的频率与桥梁自振频率相差较大时，由于相位差较大，有相当一部分能量相互抵消，振幅较小。对环境激励下桥梁的响应信号进行多次功率谱的平均分析，可得到桥梁的各阶自振频率，再利用各个测点的振幅和相位关系，可求得桥梁各阶模态的相应振型，利用幅频图上各峰值处的半功率带宽或时域上的自相关来确定各阶模态的阻尼比。本文采用该种方法测量某特大桥的自振特性。

1 工程概况

试验桥梁全长1 548m，上部结构跨径组合为两联（3×40m）＋四联（4×40m）＋两联（5×30m）＋三联（4×30m）装配式预应力混凝土连续箱梁；下部结构桥台为柱式、肋式台，桥墩为柱式墩、空心墩，基础为钻孔灌注桩。大桥分左右两幅，桥面横向布置为0.5m护栏＋14.5m行车道＋0.75m护栏带＋0.5m隔离带＋0.75m护栏带＋14.5m行车道＋0.5m护栏，桥梁全宽为32m。该桥梁设计荷载等级为公路Ⅰ级，为检验成桥后桥梁的承载能力能否满足正常使用状况的要求，对全桥展开荷载试验分析，选取左幅第五联4×40m为试验联，测定该桥左幅的动力特性。

2 传感器布置

为测试左幅第五联主梁的竖向和扭转振动特性，共布置了24个竖向测点，各测点的位置及编号如图1所示。由于仪器的限制，这些测点不能一次测量完成，而是分为四组进行测试。第一组测试为1#～3#测点，13#～15#测点；第二组测试为4#～6#测点，16#～18#测点；第三组测试为7#～9#测点，19#～21#测点；第四组测试为10～12#测点，22#～24#测点；规定6#测点为参考点。鉴于该桥桥墩较高，其横向和纵向频率较低，为测量其横向、纵向的自振特性，在测量主梁竖向振动的同时，在左右幅测试联上均布置三个横向测点和一个纵向测点。

图1 左幅第五联（4×40m）测振传感器布置及编号

3 实测自振特性

3.1 时域波形及功率谱图

左幅第五联24个竖向测点分四组采集数据，每组数据600s。第一组竖向测点的时域波形如图2所示；第二组竖向测点的时域波形如图3所示；第三组竖向测点的时域波形如图4所示；第四组竖向测点的时域波形如图5所示；三个横向测点的时域波形如图6所示；顺桥向测点的时域波形如图7所示。对各测点的时域波形进行自谱分析，可得各测点的功率谱图。1#～12#竖向测点的功率谱如图8所示；13#～24#竖向测点的功率谱如图9所示；三个横向测点的功率谱如图10所示；顺桥向测点的功率谱如图11所示。

图2 第一组竖向测点时域波形

3.2 实测主梁模态参数

对采集到的数据采用随机子空间法（SSI）进行模态拟合，可得到前几阶自振频率、阻尼比和振型。左幅第五联实测竖向一阶振型为相邻跨反向的主梁竖向半波对称振动，如图12所示，实测频率f＝2.876Hz，阻尼比η＝0.852%；实测竖向二阶振型与理论计算第三阶竖向振型相同（见图13），实测频率f＝4.116Hz，阻尼比η＝1.210%。左幅桥实测横向基频f＝1.118Hz，阻尼比η＝1.108%，实测纵桥向基频f＝0.605Hz，阻尼比η＝4.990%。

图3 第二组竖向测点时域波形

图4 第三组竖向测点时域波形

3.3 模态参数对比及分析

对比左幅第五联实测振型与理论计算振型，本次试验测出了该联的两阶竖向振动。实测频率与理论频率的对比如表1所示。

图5 第四组竖向测点时域波形

图6 横向测点时域波形

图7 纵向测点时域波形

图8 1#～12#竖向测点功率谱

图9 13#～24#竖向测点功率谱

图10 横向测点功率谱

图11 纵向测点功率谱

图12 实测一阶模态（f＝2.876Hz，η＝0.852%）

图13 实测三阶模态（f＝4.116Hz，η＝1.210%）

表1 左幅第五联理论计算与实测模态参数

通过分析左幅第五联实测模态参数，可得到以下结论:

1）理论计算该联的竖向基频为2.512Hz，实测竖向基频为2.876Hz；理论计算的竖向三阶频率为3.952Hz，实测值4.116Hz；实测前两阶竖向频率与 理 论 频 率 的 比 值 分 别 为 1.145、1.041，平 均1.093。依据《公路桥梁承载能力评定标准》，可评定主梁具有较好的竖向刚度。

2）实测该联第一阶竖向振型阻尼比为0.852%、第三阶竖向振型阻尼比为1.108%。两阶振型阻尼比平均值0.980。根据《公路桥梁承载能力评定标准》，当振型阻尼比值≤1%时，可评定预应力混凝土结构无明显裂缝。

4 结束语

脉动试验结果表明，基于脉动试验的模态测量和数据分析方法，所得各阶模态分阶比较清晰，理论与实测模态比较接近，能更为真实地反映结构在工作条件下的模态参数，说明该方法用于测试大跨度梁桥的自振特性是完全可行的，该成果也可为同类型桥梁提供参考。然而，基于环境激励的地脉动法最根本的特点是激励的不可知与不可控，在分析过程中影响因素太多。事实上，模态参数实测值的准确度只能在数据采集、信号分析处理过程中通过一系列的技术手段实现误差控制，以减少人为误差，提高分析结果的可靠性。

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