工程桥梁多方向振动的测量与模态分析探述

李伟杰

芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司，安徽芜湖 241000

桥梁进行荷载试验，是为了在实际桥梁施工中，能够实时检测结构的变形和应变以及分布，从而判断出实际的桥梁结构的性能，验证桥梁设计和施工的合理性，确保施工质量能够达到施工设计的标准，符合桥梁结构的实际承载等级，同时还能对桥梁的使用寿命和状况加以了解。通过在桥梁上面分别布设振动的测试点，得到信息并加以记录，通过记录这些测量信息，能够得到振动时产生的静态、动态荷载以及特性参数等，有利于判断振动产生的损伤大小、位置以及类型。因此，开展桥梁多方向振动的测量，进行承载力的分析是非常有必要的。

1 工程桥梁多方向振动的测量原理

采用压电式传感器在桥梁内进行布设的方法，是当今进行桥梁振动测量的常见方法。在桥体的表面进行传感器的埋设，通过垂直桥面的振动，测量出受激之后竖向、横向等多方向的桥梁振动后产生的信息。由于桥面上的车载偏心作用，要研究出车载状况下的桥梁的多方向振动情况，需要在桥梁的建设过程中，预先沿着水平、横向、垂直的方向将加速度传感器埋入到桥梁的铺装层内，然后测得垂直和水平状态下的车载振动，采用有限元的模态分析的方法，对于桥梁振动的特性进行获取。将传感器埋入桥梁内层，能够克服表面波的干扰，便于对不同时期测量的数据进行对比，同时能够在长期开展桥梁结构的监测的同时保护传感器不受损伤[1]。

2 工程桥梁多方向振动测量应用分析

（1） 进行加速度传感器的埋设，选用的压电式加速度传感器的特性为：①灵敏度13PC/g；②可测量频率范围0.3～0.5Hz；③质量38g；④系统硬件高度集成的模块化设计。

测试系统采用的模块化设计师高度集成的，一台计算可以进行128割通道的控制，每个模块负责8割模块，测量采用高可靠性、高精度、多通道的动态信号测量方式，能够分析处理时域、频域、赋值域。

（2） 某工程大桥全桥总长337.18m，其中主跨130.48m，广州侧引桥101.35m，新沙侧引桥101.35m，桥跨两侧桥台长5.2m。全桥跨度组成为：（32.75+2×32.7+2×65.24+2×32.7+32.75）m。主跨上部结构为T构带2孔32m预应力混凝土双挂梁和2孔16m预应力混凝土单挂梁；每孔挂梁由5片T梁组成。引桥跨均为简支梁，上部结构为32m预应力混凝土T梁，每孔由5片T梁组成。桥面宽共12m，其中，汽车道宽9m，按两车道设计，设计活载等级为“汽车—20级”、“挂—100”、人群荷载350kg/m2；两侧人行道宽1.5m，人行道下布置Φ600过江水管，桥面铺装层从中心向两侧设1.5%斜坡。

利用桥梁结构，进行铺装层的传感器的埋设，通过分析程序计算主梁各个控制截面的弯距和挠度的影响线。按照各测试截面的控制弯距和挠度布载，分为多个试验荷载工况进行测试，包括纵桥向中跨跨中截面的弯距和挠度不利位置的布载等。得到的静载试验结果包括挠度测量和校验的系数、各控制截面应力校验系数、中跨度截面最大负弯矩工况等参数和数值。

（3） 车载实验，包括对跑车的刹车中主桥中跨中及变跨中截面竖向振幅测试结果和活载冲击系数的分析结果，得到各工况主桥中跨跨中的动挠度实测值、边跨跨中最大动挠度过的实测值，主桥中跨中最大活载冲击系数的实测值、最大活载冲击系数实测值等。测试结果表明，桥面平整度和桥梁线形的平顺度较差，车辆对桥梁产生的冲击以及荷载大于桥梁结构设计的理论计算值[2]。匀速跑车实验采用一辆重型车分别以不同的速度沿着桥面进行中线对称过桥，来回均使用埋设的传感器进行测量，包括急速刹车等。经过传感器测量，对于桥面的20m跨的40km/h速度的刹车以及右跨桥面的刹车分别进行了竖向、横向的低频振动的测量，采用的频率设定为50Hz，电荷放大器输出的灵敏度为1000。

索力测试主要针对自振特性的参数和数值进行计算，根据索力测试采集到的模态包括：竖向对称振动频率、理论计算值、竖向反对称振动频率、理论计算值、竖向对称振动频率、理论计算值。根据实测结果报名，理论计算频率与桥钢结构以及总体的动力特性有密切联系，对主桥进行加固维修后就可以满足使用要求[3]。

3 数据分析

（1） 对于桥面的垂直的振动，采用的是沿着中轴前进的车辆在进入16m跨的时候，产生了桥梁竖向微小振动，当进入20m跨的时候，达到一定的峰值，驶离之后，桥梁的振动形成了竖向加速度的峰值，通过加速器的测量，机型刹车的时候达到了最大加速度为311mm/s2。

（2） 对于桥面的水平横向的振动，分别采用桥面的左右跨布设的传感器进行振动的测量，当车进入16m跨的时候，桥面的铺装层是连续的，可以看到微弱的横向振动，达到20m的时候，在车载作用下，可以看到一个具有冲击特性的振动波形，经过多次车载后的振动的额测试，可以这个振动波形产生了不利于桥梁结构的安全隐患。

图1 汽车传感器测量

（3） 测量得到的振动波形，采用FFT分析，得到的主导频率，能够显示出车辆行进的路线，包括桥面不平整度以及桥面的振动，通过不同荷载下出现的通道的主导频率，可以通过采用平均值取得的方式，获得桥梁竖向振动的数值。无论是左跨还是右跨，在不同车载下激发出来的横向振动的主频率都具有一致性。

表1 不同的车速对应的通道主频率

4 模态分析

采用有限元分析的方法，对于桥面结构的弹性模量、密度单元等进行分析；在边界条件添加的基础上，预设支座的底面；对铺装层边界进行竖向和纵向的模态分析，采用模态分析软件进行选项分析和结果的计算。分别得到了4阶频率，包括支座水平横向评议、竖向振动、竖向扭转、竖向二阶振动的模态振型。经过实验测得的第一、二主导频率分别与弯曲振型吻合，经过有限元分析得到的支座横向水平平移以及横向主导频率是一致的[5]。

5 结语

在车载作用下，桥面板的振动分别由水平横向、垂直桥面、扭转振动三种模态构成，经过车辆行驶的振动模式的实验，采用有限元分析的方法，得到的结论是：在水平横向振动测量中发现的冲击现象，具有扩大振动频率的作用，采用桥梁橡胶垫圈的简单支护的方法能够显著改变桥梁的振动模态。在小于40km/h的车速下，车辆的行驶速度进行影响振动的幅值，不会影响桥梁的振动模式。

[1] 于先文，薛红琳.基于GPS/加速度计组合的桥梁振动监测方法[J].东南大学学报 （自然科学版），2013（z2）：329-333

[2] 马牛静，赵国栋.钢箱梁正交异性板局部振动特性研究[J].桥梁建设，2017，47（1） ：71-75.

[3 ]马文卓.基于PQCr-PSI传感器的桥梁振动无线监测系统设计与实现[D].西南交通大学，2017.