大跨径连续钢构桥缩尺模型损伤前后高阶频率对比分析

钟运秋

【摘要】本文以大跨径连续钢构桥为对象，以云南省黑冲沟特大桥为工程依托建立了缩尺模型对损伤前后的频率进行了分析，得出了裂缝的出现对结构固有频率和阻尼都产生了不同程度的影响，固有频率减小，阻尼增大；尽管裂缝出现前后频域信号都出现了比较稳定的低阶频率点，但是，损伤后的频域信号高阶处频率变化无常，频响函数明显断开且断开后振幅明显上升，这应该与裂缝的产生有关的结论。

【关键词】大跨径连续钢构桥；缩尺模型损伤；频率；对比分析

1引言

目前，桥梁健康监测越来越引起专家和工程师们的关注和重视。其基本内容是通过对桥梁结构技术状况的监控和评估，为结构在交通条件下、特殊气候或者营运过程中出现异常时触发预警信号，为桥梁保养、维修与管理决策提供依据和指导。桥梁健康监测系统一般包括传感器系统，信号采集和处理系统，通信系统以及监控中心。信号的采集和处理系统是健康监测的重要环节，也可以称作桥梁损伤前后特征信号的提取过程，是准确判断桥梁有无损伤的关键（文中所提损伤专指局部裂缝损伤）。

众所周知，裂缝的产生使结构钢度减小、阻尼增大，而在结构质量不变的情况下结构的钢度与结构固有频率的二次方成正比，即 ，也就是说裂缝使结构的固有频率（低阶次）减小。但是，低阶频率对应于结构的整体，而结构本身的损坏一般发生在局部，这是一个比较矛盾的现象。所以，损伤前后高阶次频率的研究就显得尤为必要。

2原桥及缩尺模型概况

本文源于云南省交通运输厅科技计划项目：《基于结构动力行为模式识别的大跨径连续钢构桥梁在线监测评估技术研究》，对黑冲沟大桥左幅进行实验室缩尺对比，以下是原桥概况及缩尺后模型概况。

黑冲沟大桥是云南蒙自至新街高速公路上一座大跨径连续钢构桥，主桥上部结构为预应力混凝土连续钢构，主跨180m，两边边跨98m。主梁采用单箱单室结构，顶板宽度为12.5米，底部宽度6.5米；主梁材料使用C50混凝土。图1为黑冲沟大桥（左幅）立面图，图2为缩尺模型实验室模型。

图1 黑冲沟特大桥（左幅）立面图

图2黑冲沟特大桥缩尺模型（左幅）实验室模型

根据相似比原理，相似常数的定义为：

相似常數=模型物理量/原型物理量

由于实验室条件限制，在设计黑冲沟大桥动力学试验缩尺模型相似常数时，先确定模型材料的弹性模量和加速度2个物理量的相似常数均为1。确定模型长度相似常数为1/20，其余物理量的相似常数均根据上述3个已知相似常数和相似条件计算得出。

本次试验在缩尺模型跨中设置纵向测点（即为10号点），采用灵敏度4.95的ICP加速度传感器，并借用汽车采集系统LMS软件进行数据的采集和处理，为达到实验目的，损伤前后采样频率都设置为8192Hz，并尽量保持每次测量环境条件小车质量的一致性。图3为LMS软件数据正在采集数据。此外，在实验室对缩尺模型进行跨中集中力加载，整个过程模拟静力加载过程，使其跨中成功出现长141mm、宽0.1mm的横向裂缝。图4为裂缝观测仪观测裂缝宽度。

以下是损伤前后测点的时域信号，从信号图中可以清楚地看到，采集过程总共分三个阶段（图5、6所示）：小车不动时的噪音信号、小车在桥上跑的受迫振动信号以及小车停止后模型的自振信号。我们主要对小车在桥上移动时的受迫振动信号进行比较。损伤前后，相同条件下，0.45KG的小车经过16s跑完整个桥面。把16s以0.5s为一个单元分成32份，并对每份用快速傅里叶（FFT）将时域信号转换成频域信号（即为频响函数，图7至10所示）。

由图8和图10 频域信号叠加对比可以看出，损伤前后都有比较稳定的频率点，这是结构固有的特性。以下经过三种比对：（一）频响函数的面积；（二）频响函数所围面积的一半对应的频率点；（三）32个单元中高阶频率群对应幅值的变化规律。

从对比结果可以看出，损伤后频响函数面积减小，约占损伤前的十分之一，说明结构出现裂缝后阻尼增大；频响函数所谓面积一半对应的频率减小，即结构钢度减小；此外高阶频率群对应的幅值随着小车的移动而变化，且在损伤位置达到最大（第10个单元处）。

3 结论与展望

本次实验是对现有低阶理论的验证以及高阶理论的探索，通过实验可以得到以下结论：

1）裂缝的出现对结构固有频率和阻尼都产生了不同程度的影响，固有频率减小，阻尼增大；

2）尽管裂缝出现前后频域信号都出现了比较稳定的低阶频率点，但是，损伤后的频域信号高阶处频率变化无常，频响函数明显断开且断开后振幅明显上升，这应该与裂缝的产生有关，与裂缝面之间复杂的摩擦有关。

参考文献：

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