桥梁结构动力性能测试及注意事项

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正文：

一、桥梁结构动力指标

桥梁结构的动力性能，一般是通过试验的方法来获取各项参数指标来进行综合性评价，比如固有频率、冲击系数、阻尼比、振型等都是评价桥梁结构整体刚度、行车性能的关键指标。在实际检测评价工作中，对于一般桥梁结构，主要通过自振频率、冲击系数、阻尼比这三个指标来分析评价桥梁结构的动力性能。

（1）自振频率：自振频率与结构刚度的联系最为直接，目前，通过自振频率来评价桥梁的刚度也被大家所公认，具有较高的可靠性，也是目前评价刚度最常用的方法。自振频率可以通过仪器能够精确测得，正常情况下，实测一阶频率要大于理论计算值，当结构部件出现缺损或异常时，一般自振频率会有所降低，振型也相应会出现异常。

（2）冲击系数：冲击系数的大小能直接反应桥梁结构的行车性能的好坏，正常情况下实测冲击系数要小于理论计算值，相反，则说明桥梁结构行车性能比较差。

（3）阻尼比：阻尼比的大小是对桥梁结构耗散、吸收外部能量能力的反应，没有精确的理论计算值，其大小主要通过和同类型桥的历史数据或经验数据作比对，从而能粗略判断出桥梁结构是否出现异常，如果实测阻尼比比同类型桥明显偏大，则桥梁结构技术状况可能存在某些缺损。

结构在动力作用下（比如风、行车、地震荷载等）将会产生特定的自振特性以及结构响应，动力分析就是研究这些力学行为作用下的自振特性和结构响应。为了能够得到并且获取这些响应，我们通常通过对桥梁做动载试验来完成，在桥梁动载试验中最关键的是激振方法的确定和动力特性参数的测定。

二、桥梁动载试验激励源的确定

（一）环境随机激振法

该方法是指桥面无任何附加荷载、桥址周围无规则振源的影响、桥梁在自然环境状态下，通过测得在随机激励（如风荷载、地脉动或水流等）作用下结构产生的微振动来识别结构自振特性参数的方法。为了消除或减弱其他随机因素的影响，需要对采集到的长样本信号进行能量平均。对于自振频率比较低的桥型（悬索桥、斜拉桥等），为了保证足够的频率分辨率和提高信噪比，采集时间一般以大于30min为宜。对于跨径较小的桥梁，样本采集时间可以相对减少。众多研究结论表明，环境激励法比较适合大跨度柔性桥梁。

（二）跳车激振法

该方法是指在桥面上指定位置放置三角形垫块，让单辆载重汽车的后轮停在垫块的最高处，然后突然下落，在下落的过程中会对桥梁产生一个的冲击作用，从而激起桥梁的振动。该方法更适用于刚度比较大，不容易激振的桥梁，如石拱桥、小跨径梁式桥。

（三）行车激振法

该方法是指车辆以不同的速度通过桥面后会使结构产生自由衰减振动，通过获取相应信号来识别结构自振特性参数，对小阻尼桥梁效果较好。为了提高信噪比，测得尽可能大的自由衰减振动信号，可采用不同的车速进行多次试验。这也是荷载试验最常用的方法。

三、桥梁动力特性参数确定

（一） 依托工程背景

以下结合K248+931中桥实际工程对动力特性参数确定进行说明。K248+931中桥上部结构采用3×20m预应力混凝土（后张）小箱梁，先简支后连续，下部结构采用柱式墩，桥台采用桩基础。桥面宽度：净11.0+2×0.5m，设计荷载为公路一级。采用Midas软件对该桥进行了理论计算。

图1 K248+931中桥

图2 K248+931中桥计算模型

（二） 自振频率测定

按照既定的激振方法，使桥梁产生自由衰减振动，通过拾振器获取振动波形信号并用DASP软件进行记录分析，从而算出结构的固有频率f 0 。在计算结构自振频率时，为了消除行车冲击荷载的影响，一般将开始的前几个波形舍弃，从中间稳定波形开始分析。

式中: L—两个时标符号间的距离(mm)；

n—波数；

S— n 个波长的距离(mm)；

t1— 时标间隔。

（三）冲击系数测定

当动荷载作用于结构上时，会对结构产生一定的冲击作用，由于冲击作用的存在，所以结构的动挠度一般要比相应静荷载作用下的静挠度要大。在这种情况下，动挠度与静挠度的比值称为活载的冲击系数。

为了准确地测得冲击系数，应使车辆以不同的速度匀速驶过桥面，每次采集并记录跨中挠度的时程曲线。冲击系数为：

（四）阻尼比测定

如果采用行车激振法，只有当汽车匀速驶离桥跨后到桥跨结构恢复到静力平衡位置前这段时间内，结构才作自由衰减振动，此时没有载重汽车附加质量的影响。阻尼比只能在结构作自由衰减振动这段振动曲线上求得。

式中：n—参与计算的波的个数，n≥3；

Ai—参与计算的首波峰值；

A′i—参与计算的首波谷值；

Ai+n—参与计算的尾波峰值；

A′i+n—参与计算的尾波谷值。

（五）理论计算值和实测值比较

用有限元软件对K248+931中桥进行了动态理论分析，计算出了该结构的理论自振特性，见图3。为了精确获得桥梁结构动力性能指标，评价桥梁结构的动力反应性能，并使试验在安全的情况下进行，动载试验调用一辆总重400kN 的三轴车辆对全桥分别进行了单车20km/h、30 km/h、40km/h 、50km/h的匀速跑车试验，有关记录和分析见图3-图6，动力测试结果见表1。

图3 第一阶振型图

图4 衰减曲线

图5 频率测试图

图6 冲击系数

表1：K248+931中桥动力测试结果

四、桥梁动力测试注意事项

首先，放大器的抗混滤波设置要正确。如果抗混叠滤波器设置过高，会使信号发生混叠现象，如果设置过低，会滤掉有用的高频成分，这些都会对实际的采集信号产生影响。

其次，DASP软件有两种模式：演示模式和测试模式。在数据采集工作中，一定检查软件是否在测试模式下，如果在演示模式下软件是无法接受到外部信号的。

最后，为了减免外界环境对测试信号的干扰，应确保测量仪器有良好的接地。

五、结论

本文明确了梁桥动力性能评价指标和动载试验激励源的确定，在此基础上研究了结构动力性能测试原理及评价方法。结合实际工程，对其理论结果和实测数值进行了对比分析，并总结出了动力测试注意事项。该评价方法和试验数据为同类桥梁结构动力测试提供了一定参考。