基于环境振动的桥梁结构使用性能评价

朱翔雷，王明伟，李广慧

(郑州航空工业管理学院 土木建筑学院，河南 郑州 450046)

1 引 言

桥梁结构在长期服役过程中，在各种因素作用下，往往会产生一定的损伤，导致结构抗力大幅度的衰减，对交通安全产生严重影响；因此需要对桥梁结构进行实时监测对其安全性进行评估，防止事故的发生。我国在大部分桥梁均安装有健康监测系统，如蔡家嘉陵江特大桥[1]、东江大桥[2]、南广铁路西江特大桥[3]、南京大胜关长江大桥[4]、青银线济南黄河大桥[5]。

常规的桥梁健康监测，均是借助预埋在桥梁关键截面上的应力计、应变计或位移计，以关键断面应力或位移为监测对象，通过采集到的桥梁结构截面上的技术参数(应力、应变、位移)与设定参数阈值对比，来进行桥梁结构使用性能或健康状况的评价，但是这种桥梁使用性能评价方法有两个致命的缺陷：

一是在桥梁关键截面预埋的应力计等元件的寿命一般只有15年，服役寿命远低于桥梁寿命(120年)；其次，对于高次超静定的多跨连续桥梁来说，个别截面的应力和变形超限或破坏未必会造成桥梁结构体系的性能降低，也并不会影响整个桥梁结构体系的健康或安全。正是这两个明显缺陷的存在，严重制约了常规桥梁健康监控技术的推广和应用。

基于振型的桥梁安全性评估是基于结构动力响应的整体评估方法[6]。桥梁结构的质量、阻尼等物理参数与桥梁结构的模态参数存在着明确的对应关系，模态参数反映了结构固有的动力性能，若结构发生了损伤，其物理参数必然会发生改变，物理参数的变化又会引起结构模态参数的改变。因此，通过对结构物进行激振获取模态参数的变化，可对桥梁的健康状态进行评估。基于此，本文建立有限元模型获取结构设计状态的振型和频率等模态参数，对桥梁现场采样利用环境振动模态分析的方法获取桥梁结构的模态参数，并对桥梁进行外观检测。通过对比综合评价桥梁安全状况。

2 桥梁结构模态健康监测

桥梁结构模态健康监测主要是通过对桥梁振动的监测得到桥梁结构动力响应的时间历程，通过对数字信号的分析求得桥梁结构的频响函数、脉冲响应函数，从而得到桥梁结构的非参数模型，通过参数识别方法求得桥梁结构的模态参数、物理参数，根据长期观测这些参数变化[8]，进而由这些变化判定结构的健康状态。

2.1 结构振动的模态分析基本理论

多自由度体系结构的动力特征可用运动微分方程表示[9]：

(1)

若无外荷载作用则：

(2)

式(2)为自由振动，解此方程可得：n个自振频率以及与之相应的n个振型，则称这一频率与振型的组合为该结构的动力模态。

由上知，结构动力模态是结构固有动力性能。结构振动模态分析是结构动力性能分析的一种手段。

2.2 实验模态分析

多自由度系统频响函数为一函数矩阵：

H(ω)中对角元素Hee(ω)表示仅在第e个物理坐标上施加单位激励而引起该坐标的位移响应。Hee(ω)称为第e个物理坐标上的原点频响函数或驱动点频响函数。H(ω)中非对角元素Hef(ω)表示仅在第f个物理坐标上施加单位激励而引起第e个物理坐标的位移响应[10]。Hef(ω)称为第e、f个物理坐标之间的跨点频响函数[11]。

由于频响函数可直接测得。从理论上讲，对于具有相同自由度的系统，模态参数数量远少于物理参数数量，因此辨识模态参数相对于辨识物理参数更加简单。由此促进了结构模态试验检测技术的发展。

2.3 模态参数识别

根据体系振动响应反求振动体系的模态参数、物理参数，即结构动力方程求解的逆过程，是为参数识别。结构振动参数识别属于系统参数识别这一大课题的一分支，现代意义上的系统识别都是建立在最优控制原则上的，按照一定的最优控制准则和算法，使实验数学模型和理论数学模型误差最小，从而得到反映系统特性的最优数学模型。结构振动模态分析可在频域、时域内进行，因借助的数学手段不一样，形成多种分析方法。

2.4 环境振动模态分析

借助参数识别方法的发展，传统的试验模态分析方法发展为工作模态分析。桥梁结构在环境扰动作用下亦会发生轻微的振动，其振幅虽小，但频率振型仍很明确[12]，这种随机振动可借高精度测振设备测得；利用环境激励作复点响应测量，即可测得运行状态下的结构模态，对之作结构模态分析称为环境激励模态分析。其最大优点为无须停车，无须预埋件，无须现场操作。

2.5 结构使用性能评价

与正常结构比较，结构受损伤后，其性能必会发生某些变化，根据这些变化，亦可判别结构损伤，基于结构动力性能检测的结构损伤判别，有如下判别方法：

(1)基于动力指纹的判别；

(2)基于小波变换的损伤诊断；

(3)基于人工智能的损伤判别。

神经网络是模拟人脑识别的网络，以积累的结构动力测试、损伤判断、损伤处理为样本，以结构体系为分类依据，用多层神经网络可编制结构损伤诊断的人工智能搜索系统。基于环境振动的桥梁使用性能评价方法主要是利用桥面上布置的加速度传感器采集环境振动条件下的桥梁结构振动信号，通过模式转换分析给出桥梁的振动模态，对桥梁整体健康状况做出科学合理的评价。

3 实例分析

3.1 项目概况

某桥梁为75m+135m+75m的波形钢腹板PC组合箱梁桥，分上、下行两幅。支点处梁高7.5米，跨中梁高3.5米，从支点到跨中箱梁下缘按1.8次抛物线变化。主梁采用单箱单室断面，单幅箱梁顶板宽16.25m，箱梁底板宽9m，箱体宽度在国内同类型桥梁中居领先地位，如图1、图2所示。为提高箱梁的抗扭刚度，同时满足体外束转向的需要，因此在边跨设置四道横隔板，中跨设置八道横隔板，横隔板间距9.6—17.6m。为了提高桥面板的横向抗弯刚度，适当加厚了顶板厚度。桥梁共划分节段68段，除0#块外，其余节段长度分为3.2m和4.8m两种。梁体建造采用支架现浇和挂篮悬浇的方式进行施工。

图1 跨中截面图

图2 支点截面图

3.2 桥跨主体结构外观检测

3.2.1桥面系检查

在右幅桥梁桥面系伸缩缝锚固区混凝土顺向开裂30道，可见裂缝长度达0.4m，最大宽度达到0.3mm。止水带开裂，长度达8.0m。左幅桥梁桥面系未发现明显病害。

3.2.2上部结构检查

右幅桥梁上部结构箱室钢混结合处距墩3.4m，距底板1.4m处斜向裂缝1道，长1.4m，宽0.2mm。左幅桥梁：在距墩3.5m箱室内钢混结合处，出现长度达1.1m，宽度达0.2mm的横向裂缝并在附近出现斜裂缝，长度达1.9m，最大宽度达到0.15mm(见图3)。在梁板底跨中处距左侧腹板1.1m处附近出现混凝土不密实，露筋，面积约为1.8m×0.4m(见图4)。梁左侧腹板距墩3.4m，距腹板底1.2m处出现斜向裂缝，长度达2.8m，宽度0.2mm；距墩1.4m，距腹板底1.0m处出现斜向45°裂缝1道，长1.5m，宽0.18mm。

3.2.3下部结构检查

左右幅桥梁下部结构并未发现明显的破损现象。

图3 腹板斜裂缝

图4 混凝土破损

3.3 基于环境振动的模态分析

3.3.1有限元模型建立

利用有限元软件Midas/civil建立三维桥梁结构模型，对结构进行动力特性和地震反应分析。考虑相邻结构的耦联作用，建立包括相邻连续箱梁的三维有限元模型，如图5所示。

图5 桥梁有限元模型

3.3.2现场动态加速度测试

为提高大跨桥梁结构健康监测的模态参数的模态分辨率，传感器采用非均匀布置的方案。全桥共三跨，边跨在跨中、中跨在四分点处设置加速度测点，共计5个加速度测点；采样频率为100Hz，采集时间为20min。对桥梁振动信号进行时域和频域分析。该桥梁体实测自振频率和理论频率如表 1所示,测点布置如图6所示。

图6 测点布置图

3.3.3振动模态分析

表1 结构体系基本动力特征

图7 桥梁振型图

根据现场测试结果表1、图7所示：桥梁实测一阶对称竖向弯曲频率为1.074Hz，计算值为0.76205Hz；桥梁一阶反对称竖向弯曲频率为2.051Hz，计算值为1.2386Hz。阻尼比为6.592%；桥梁横向对称弯曲频率为2.051Hz，阻尼比为6.853%。

3.4 使用性能评价

在桥梁外观检测中可以看到，虽然在伸缩缝锚固区出现开裂、部分混凝土不密实，钢混结合处出现斜裂缝，但桥梁结构的完整性强，桥梁的检测振型和设计振型保持一致，桥梁实测一阶频率1.074Hz大于一阶设计频率0.76205Hz，二阶频率2.05Hz大于二阶设计频率1.2386Hz；结构的竖向动力刚度满足安全性要求，桥梁整体健康。

4 结 语

对于高次超静定的多跨连续桥梁来说，个别截面的应力和变形超限或破坏未必会造成桥梁结构体系的性能降低，也并不会影响整个桥梁结构体系的健康或安全。目前桥梁健康评价体系中难以反映局部损伤对结构整体健康状态的影响情况。本文提出基于环境振动的桥梁使用性能评价是基于结构动力响应的整体评价方法，通过外观检测和环境振动模态分析综合评估桥梁健康状态，对结构健康状况的评估具有借鉴意义。