王孟 余作操 徐瑞
山东农业大学 山东泰安 271000
摘要：桥梁自振频率可用来判断结构实际刚度，是反映结构整体工作性能的重要指标。分析结构频率特性的变化，能够得到桥梁裂缝位置、大小及损伤类型。本文以山东省泰安市大河桥为例，通过环境激励法，使用941B超低频测振仪采集数据，并根据桥梁类型和仪器特性，设计对应的测点方案。筛选分析数据后通过相应软件得到一阶频率和振型，进而进行频率和刚度计算，定性定量得到桥梁的设计刚度与实际刚度之间的关系，最终为结构性能评价提供依据。
关键词：自振频率；测点布置；频谱分析；频率计算；刚度评定
一、工程对象及简介
大河桥，位于G104京福线上，于1988年建成，后于2001年进行改建。为评定其结构性能状况，保证运行的安全性，对其进行了动载试验，以便对该桥的现状作出客观可靠的评定。
该桥是一座三跨预应力混凝土桥，桥梁全长为81米，跨径布置3*20m，主梁为空心板截面，高度0.85m，宽度0.9m，挖空的圆形直径为0.62米。桥面总宽为50米。主梁均采用C50混凝土，采用预应力钢绞线，标准强度1860MPa，超张拉施工。
试验仪器采用941B型超低频测振仪，包括两个竖向拾振器和四个横向拾振器，六通道放大器，数据采集分析仪及仪器自带G01NET通用数据采集和分析系统。考虑到竖向测点的缺少，故制定多种测试方案，减少数据的丢失。采用环境随机振动法测试，采集结构的加速度振动响应信号，采样时间为10min采样频率设置为200HZ，每个测点采集120400个样点。
二、测点方案介绍
一套941B超低频测振仪仅提供两个竖向拾振器，为精确所测数据，现制定八种测点方案。测点方案如下：
方案一：在2#跨（中间跨）跨中位置布置①、②点，坐标皆为（0，4，0）；在L/4处布置③点，坐标为（-5，4，0）；在靠近伸缩缝处位置布置⑤点，坐标为（-9.7，4，0）。在1#跨跨中位置布置④点，坐标为（-20，4，0）；在靠近伸缩缝处位置布置⑥点，坐标为（-10.3，4，0）。其中①、③点处是竖向拾振器，②、④、⑤、⑥是横桥向拾振器，且①、②、④为参考点。
方案二：①、②、④、⑤测点不动。在1#跨3L/4处布置⑦点，坐标为（-15，4，0）；在1#跨靠近桥台与桥面板伸缩缝位置布置⑧点，坐标为（-29.7，4，0）。
方案三：①、②、④、⑤测点不动。在1#跨跨中位置布置⑨点，坐标为（-20，4，0）；在靠近伸缩缝处位置布置⑩点，坐标为（9.7，4，0）。其中⑨为竖向拾振器，⑩为横向拾振器。
方案四：①、②、④、⑩测点不动。在1#跨L/4位置布置 点，坐标为（-25，4，0）。在3#跨在靠近伸缩缝处位置布置 点，坐标为（10.3，4，0）。其中 为竖向拾振器， 为横桥向拾振器。
方案五：①、②、④、 测点不动。在3#跨跨中位置布置 点，坐标为（20，4，0）。在2#跨3L/4处布置 点，坐标为（5，4，0）。其中， 为竖向拾振器， 为横桥向拾振器。
方案六：①、②、④、 测点不动。在3#跨L/4位置布置 点，坐标为（15，4，0）；在靠近桥台与桥面板伸缩缝位置布置 点，坐标为（29.7，4，0）.其中， 为竖向拾振器， 为横桥向拾振器。
方案七：①、②、④测点不动。在3#跨L/2处布置 点，坐标为（20，4，0）；靠近伸缩缝位置布置 、 点，坐标分别为（10.3，4，0）、（10.3，2，0）。其中， 为竖向拾振器， 、 均为横向拾振器。
方案八：①、②、④测点不动。在3#跨3L/4处布置 点，坐标为（25，4，0）。在2#跨伸缩缝处布置⑩、 点，坐标分别为（9.7，4，0）、（9.7，2，0）。其中， 为竖向拾振器，⑩、 均为横向拾振器。
三、试验谱图及识别的自振特性参数
（一）模态参数识别
对1号至15号测点的试验数据进行模态分析，得到大河桥的一阶振动频率与其振型。由试验数据得，第一阶次频率为5.65 HZ。
对应振型如下图所示：
从试验分析得到的参数来看，大河桥的振型符合简支梁桥一阶振型振动规律，因此试验测试所得到的结果可靠。
四、理论频率计算
（一）大河桥工程量统计表
根据大河桥设计图纸，我们对中板、边板、桥面铺装、人行道等结构或构件的材料重量进行了统计、汇总。经过计算，所得数据如下：
Ic=0.043412 m*4，mc=1407kg/m
（二）基频计算
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）中简支梁桥计算公式：
根据已知数据，经过计算得到的实际刚度与理论刚度为，
Kt= 1.88×109 N·m2
?K0 =1.17×109 N·m2
六、结论与建议：
（一）本次桥梁结构自振特性测试试验，实测频率结果为5.65 HZ，大于理论计算频率4.28 HZ，实际刚度为1.88×109 N·m2，大于理论刚度1.17×109 N·m2，由计算结果知，该桥梁的刚度状况良好。
（二）由于设计总是偏向安全考虑，一座处于正常使用状态的桥梁，其实际刚度往往大于理论刚度，即实测自振频率理应比理论值高。所以根据实测频率与理论频率，可定量表示出桥梁的设计刚度与实际刚度的变化情况，进行结构性能评价。
（三）本试验在桥梁中间跨、边跨跨中位置布置沿竖向、横向、纵向的加速度传感器，通过相应的激励手段，测得桥梁在竖向、横向和纵向的振动。文章提供了用两个竖向拾振器进行八组试验的布置方案，读者可使用多个竖向拾振器进行若干组试验，但在数据筛选分析时，应保证数据的可靠性。
参考文献：
[1]袁万城，崔飞，张启伟.桥梁健康检测与状态评估的研究现状与发展[J].同济大学学报，1997，27（2），184-188.
[2]孟繁峥.公路现役桥梁结构的动力特性参数测试技术研究[D].大连海事大学硕士论文，2014.
[3]沈兆坤.桥梁结构自振特性测试分析方法研究[D].重庆交通大学硕士论文，2014.
作者简介：
王孟（1997—），男，汉族，山东招远市，本科，山东农业大学 271000，研究方向：道路桥梁与渡河工程。
第二作者：余作操（1997—），男，汉族，浙江温州市，本科，山东农业大学 271000，研究方向：道路桥梁与渡河工程。
通讯作者：徐瑞（1996—），男，汉族，山东枣庄市，本科，山东农业大学 271000，研究方向：道路桥梁与渡河工程。
*注明：该论文为训练计划项目资助
论文作者:王孟,余作操,徐瑞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/6
标签：拾振器论文; 刚度论文; 坐标论文; 桥梁论文; 频率论文; 伸缩缝论文; 位置论文; 《防护工程》2018年第25期论文;