基于时域法桥梁自振特性参数的识别技术探讨

（贵州高速公路集团有限公司， 贵州 贵阳 550000）

1 理论分析

桥梁自振特性测试中，采用环境随机激励法、跳车自振、跑车余振得到结构的自振信号，时域法是通过分析自振信号的幅值衰减规律，识别自振频率、阻尼参数的一种方法，具有主观明了、计算简单方便的特点。

时域法计算自振特性参数的过程如下。

（1）自振频率

根据自振频率的定义： （1）

式中，f为自振频率(Hz)；T为周期(s)。为提高分析精度，通常选若干个周期进行平均处理：

式中，n为参与平均的波形周期数；t为n个周期波形的时间长度(s)。

（2）阻尼比

自由振动信号是按指数规律衰减的周期振动，阻尼特性反映了自振信号衰减的快慢程度，对数衰减率为：

式中，Ai和Ai+1为相邻两个波的峰值，为保证精度，通常取若干个波作平均计算，则对数衰减率为：

式中，Ai+n为间隔n个波的峰值。因自振信号中通常会或多或少地包含直流分量，如按上述计算会存在一定误差，按下式计算可消除直流分量的影响：

式中， Ai’和 Ai+n’分别为首波和第 n个波的波谷值。根据振动理论可知，对数衰减率与阻尼比D的关系为：桥梁结构的阻尼比较小，则阻尼比近似计算为：

2 工程案例分析

2.1 工程概况

某一座桥梁上部构造3×35m连续T梁，梁高2.3米。单幅桥宽：2.0m（人行道）+14.5m（车行道）+0.5m（防撞护栏）；桥台均为重力式U台，承台桩基础，桥墩为钢筋砼圆形双柱式墩，基础为桩基础。设计荷载等级：城—A级，人群荷载:3.5kN/m2。

2.1 数据分析

数据信号采用环境随机激励法在桥面无交通荷载、桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动或水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应，主要测定桥跨结构固有频率和阻尼比。

在环境随机激励法作用下采集的时域信号及分析图见图2。

图2 多阶叠加信号自振参数计算图（f1=4.211Hz，D=0.0193）

对采集的数据进行带通滤波，滤波后时域信号及分析图见图3。

图3.1 滤波后信号频谱分析图（f1=4.141Hz）

图3.2 滤波后信号自振参数计算图（f1=4.118Hz，D=0.0354）

分析图2及图3可知：

对于多阶叠加信号，直接采用公式计算得到的频率与频谱分析所得频率相比数值偏大，与滤波后自振信号所计算得到的频率数值也偏大，相对偏差为5.28%；与滤波后自振信号所计算得到的阻尼比数值偏小，相对偏差为84.34%。利用多频率叠加的非规则信号所计算的频率数值偏大，阻尼比数值偏小。因此，在应用时域法识别自振特性参数时，应对采集信号进行滤波处理，得到单一频率的自振信号，再计算参数值。

3 结论

（1）对多频率叠加的非规则信号所计算的频率数值偏大，相对偏差为5.28%；阻尼比数值偏小，相对偏差为84.34%。

（2）通过对滤波后自振信号进行分析，得到的频率与频谱分析得到的数值较接近。

（3）在对测试振动信号数据处理过程中，时域法采用多频率叠加信号处理得到的自振特性参数，并不能反映桥梁真实的自振性能，应进行相应的滤波处理，得到单一频率的自振信号，再进行相应的计算。

（4）在应用时域法计算前，应先用频谱分析确定信号的频率成分，有针对性地采用带通或低通数字滤波器分离各阶自振信号。

[1]舒绍云.动测参数评定梁式桥结构性能方法研究[D].重庆：重庆交通大学硕士学位论文，2008.

[2]JTG/T J21-01-2015公路桥梁荷载试验规程[S].