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大型斜拉桥动态测试
A.Cunha1, E.Caetano2, R.Delgado3
摘要：本文展示了一座大型斜拉桥，瓦斯科·达·伽马桥的动态测试结果，基于一种非传统的测试系统，包括为了方便与电脑同步而设置的多台独立的加速自动记录仪，以及一种激光干涉测量系统，用于对斜拉索进行非接触式动态测量。这个系统将更加方便，有效而且精确地建立一个非常庞大且高质量的，关于桥梁动态响应的数据库。数据的后续处理将会准确确定出所有重要的空气动力学和地震观测点的模态参数特性，与先前在设计阶段形成的3D数值有限元模型中所提供的相应的值有很好的相关性。
引言
可行的动态模型分析的发展是一个至关重要的方面，研究的主要重点在于新建和现存的大跨度桥梁在交通、风或地震荷载下的动态响应和健康状况。虽然复杂的有限元代码目前可以实现那个目标，但它们应用的成功很大地取决于实验验证结果的随机性。由于对这些分析模型有一定的实验校准和验证，所以他们可以准确地反映出结构的性质和边界条件，包括实验鉴定中最重要的结构模态参数（自振频率，模态形状和模态阻尼系数），及其与相应计算值的相关性。
为桥梁的模态参数确定所做的动态测试通常可以分为以下三类：（1）强迫振动；（2）环境振动测试；（3）自由振动测试。
强迫振动测试是与实验模态分析(Ewins 1984)的这一代表技术的应用紧密相关的，先前发展并应用在机械、航空和航空航天工程方面。它们包括单一或多重的确定性或随机激励，在多个点同时测量结构响应，和频率响应函数(FRFs)的后续估计。这个频率响应函数通常是多自由度模态辨识算法的应用基础，它能够对模态参数进行准确的估计，提供捕获到的有足够高信噪比的信号。
脉冲锤和电动振动器是两种可以用来成功地对像板桥或人行桥这种相对较小的结构进行强迫振动分析的设备(Caetano and Cunha 1993)。但是，当处理大型结构时，就需要更重更贵的装置了，像偏心质量或伺服液压振动器(Pietrzko and Cantieni 1996)。对于像斜拉桥或者悬索桥这种有在0-1Hz的特殊固有频率的大型柔性桥，还是会变得更加困难，并且在足够高的水平上提供控制励磁的成本很高。由于力的大小取决于旋转频率的平方值，正弦振动器在柔性很大的结构上的应用需要很重的仪器，并且需要重要的资源，特别是与运输和安装阶段有关的资源，还有高能量供给的需求(Hoshino et al.1997; Okauchi et al. 1997)。
环境振动测试是一个有意思的替代，它成功应用在大量的工程结构当中，从短到大跨度桥梁，高层建筑和大坝。这个方法仅需要测量在环境激励下的结构响应，通常是由风或交通引起的，并且可以快速并廉价地得到模态参数的准确估计。而且，由于重型振动器的安装，它可以有在测试过程不阻碍交通的好处。通常的测试过程由同时在一或多个参考点和在沿着结构的其他不同点进行多个测量组成。假设激励相对平稳地分布在频率范围内，它可以很容易地得到结构响应下几个测点之间的频域、振幅和相位关系，这可以得出固有频率和模态形状的准确估计(Felber 1993)。
虽然模态阻尼系数也可以用环境振动测试来确定，但相应的估计通常也是不准确的，这可能是某些应用程序的主要关注点。大型斜拉桥和悬索桥的现状就是，它们的分析和设计对颤振的气动不稳定性条件进行了详细的研究(Jones et al. 1998)，阻尼在这些结构中起着至关重要的作业。因此，在这种情况下进行自由振动测试尤其合适，引入初始扰动可以产生显著高于环境响应的自由振动响应。这可以用拉紧的，固定在土壤里的电缆来做，与可熔的接头连接并增加相应的张力到极限(Ventura et al. 1996)或者，另一种方法是在甲板上突然释放一个悬挂在一定高度的物体(Delgado et al. 1998)。
在图1中描述了形成典型环境或自由振动桥梁测试系统的传统硬件(Felber 1997)：（1）一组传感器，通常强制平衡加速器控制一个可靠的加速度，和10g一样小的；（2）放大器和滤波器单位，覆盖高增益和提供低截止频率的可选择低通滤波，以去除信号中所有不需要的高频率。（3）一种模拟数字转换器，能够将模拟信号以最小的16位分辨率进行数字化，并通过软件方便地控制，从而允许获得非常长的记录；（4）一种计算机，协调数据采集，并最终在现场进行数据分析、模态形状动画绘制和印刷，完成所有的工作。
虽然这种传统的环境振动系统已经被成功地使用(Brownjohn et al. 1989; Felber and Cantieni 1996)，但是他们展现出来的缺点在于缺乏可携带性，以及开发一种相当困难和繁琐的设置的必要性，使用了数百米的电缆线，这些电缆线需要是坚固的、屏蔽的，并且要保证在远距离上的最小信号损耗和干扰。除此之外，在斜拉桥的具体情况下，由于某些原因，对斜拉索进行的系统动态测量也是很重要的 (Cunha and Caetano 1999)，基于传统的自动测量仪的仪器也很繁琐。
这篇文章详细地描述了最近用非传染的测试系统，在一座大型斜拉桥，瓦斯科·达·伽马桥的所做的动态测试。这套系统导出了几个方便同步的独立的加速度图，以及激光干涉测量系统，用于对斜拉索进行非接触式动态测量，事实证明这将会更加便捷，有效而且精确地建立一个非常庞大且高质量的，关于桥梁动态响应的数据库。数据的后续处理将会准确确定出所有重要的空气动力学和地震观测点的模态参数特性，与先前在设计阶段形成的3D数值有限元模型中所提供的相应的值有很好的相关性。
瓦斯科·达·伽马斜拉桥
新塔古斯河横穿葡萄牙，瓦斯科·达·伽马桥长17300m，包括三个立体交叉道，一段在陆地上5km长的部分和一段连续的长12300m的桥。这座桥是在临近世博会的国际展览时建造的，包括在主航道上的斜拉桥组件（图2），主跨420m，在两边各还有三个边跨(62m 72.6m 72m)，对应于过渡墩之间的829.2m的总长度。桥面宽31m，由两侧的预应力梁组成，梁高2.6m，通过桥面板和横向工字型钢连接。它是沿着它的总长度连续的，它被悬挂在52.5 m的高度上，通过两个平面的48根斜拉索与每个桥塔连接。这两个H型的桥塔高147m，放在巨大的基础上，为防止船舶碰撞而设计。
动态测试的目标和任务
由于大跨度桥梁的高倾向性，会导致气动不稳定性问题，还有葡萄牙的南部有很高的地震发生率，瓦斯科·达·伽马斜拉桥已经通过实验和数值方法得到了广泛的研究(Grillaud et al. 1997; Branco et al. 1998)。特别是动态测试已经被波尔图大学演示过，为了从气动和地震行为的角度出发，在实验上对斜拉桥的最相关模态参数进行分析，并用有限元程序大力神将其与EEG开发的三维数值模型提供的相应参数进行关联。
动态测试包括：（1）初步测量，以评估加速度水平和确定适当的参考区；（2）一个环境振动测试，用来确定桥梁的固有总体频率和模态形状，在沿着桥面和桥塔的58个不同的点测量结构响应；（3）在重型卡车通行的过程中，通过一个罩板，来提高垂直加速度的响应测量值；（4）一个自由振动测试，通过突然释放悬挂在桥面板偏心上空的60t的重物，来准确地确定出模态阻尼系数；（5）在斜拉索上进行动态测量，为了确定整个结构的固有总体频率或者斜拉索处地局部频率，用传统的压电加速度计和干涉测量的激光传感器进行；（6）动态放大系数(DAFs)地实验评估，这与以不同速度和沿几条车道通行的大交通量有关。
环境振动测试
环境振动测试是通过利用六种独立地三轴加速器进行地振动测量，其中地两个被永久地安装在一个所给的参考横截面上（截面10，北边1/3跨径处），而其他的被连续地放在沿着桥面和桥塔地28个不同的移动截面上（图3）。在所有的截面中，成对的传感器位于横向，上游和下游向，始终以正交系xx（纵向），yy（横向）和zz（竖向）为导向。原则上，这些加速度计在每一个测量序列之前都进行了适当的编程，为了每隔20分钟就同时开始进行采集。考虑到非常低的频率范围(0 –1Hz)，设置的每个采集时间间隔总是16分钟，采样频率为50Hz，从而得到频率分辨率低于0.01Hz的平均光谱估计值。在连续的设置中改变加速度计位置的时间是4分钟，除了沿着桥塔测量的情况，因为必须要在爬楼梯到达顶端的同时用沙袋运送加速度计。由于捕捉到的信号水平相对较低，采用了适当的放大因子，并且使用了16位的A/D转换器，使得精度可以高于0.015mg(1g/216)。为了提高垂直分量的信号水平，振动测量也在载有30t重物的重型卡车驶过放置在1/3跨径处，高4cm的罩板时进行。值得强调的是，所使用的测量系统是非常实用和有效的，在两天半内允许整个环境振动测试的发展，完全没有使用长电缆连接18力平衡加速度计和常规中央数据采集处理系统的需求。获得的实验数据会定期地下载到电脑的硬盘里，然后进行分析和处理以提取桥梁的总体模态参数。值得注意的是，尽管实验室已经开发出大多数的信号处理和模态确定工作，它还是可以在测试期间在字段中执行，只要提供之前已经安装在笔记本电脑中的适当的软件，它们仅用于输出系统确定和模态动画。除了这个测量系统，风速表仍然用来测量风速。对所获得的时间记录的检验表明，在环境振动测试中，结构响应有显著的变化，这本质上是因为风速的振荡。测得的跨中处平均风速在1到22m/s之间，导致在参考截面处r.m.s加速度值产生相当大的振荡（变化范围竖向在0.06-1.69mg之间，横向在0.03-0.35mg之间，纵向在0.03-0.13mg之间）。
固有频率的确定是基于每一段(下游、上游、半和半差分信号)对应的归一化加速度功率谱(NPSD)平均值的峰值，以及与几对点同时测量的相干值(Felber 1993)。根据16分钟的时间记录，得到的平均光谱估计的频率分辨率为0.006 Hz。图4为平均归一化的自动光谱(ANPSD)和交叉光谱(ANCPSD)，对应于垂直(Z)和横向(Y)加速度分量，得到NPSD和NCPSD谱的均值与23个不同截面的测量相关联，同时考虑到了半和半差分信号（上-下游）。图5还显示了NCPSD谱的振幅和与第10和16节同时测量相关的相干函数。查阅得到的所有平均光谱估计(Delgado et al. 1998)，根据数值模型提供的固有频率，允许的固有频率的确定范围在0-1.15Hz内，总结在表1里。
在0-1.15Hz范围内模态振动频率的确定是基于传递函数估计(使用估计量H1)和相应的相干性，将在参照截面的环境响应（半和半差分信号，上-下游）和在沿着桥面和桥塔的其他测量截面的响应联系起来。和各自然频率相关的传递函数值之间的比值(线性大小)与几个部分相关联，导致了模态分量的绝对值，并在相位演化的基础上对相应的信号进行了评估。图6展示了一些桥面确定的模态形状，并给出相应数值模式，还有一些用在自由振动测试中的确定的模态分量，在下一个部分有描述。
自由振动测试不仅完成了检查之前开发出的环境振动测试的主要结果，还在本质上通过了联系振动模态和对桥梁动态响应有更重要的贡献的阻尼系数的准确确定，特别是在风荷载下。针对那个目标，一个60t的重物，悬挂在接近北面1/3跨径处截面的桥面上一点，在上游边界的附近（图7），随后被释放，在16分钟内由放置在1/3和1/2跨径处截面（上游和下游）的6个三轴加速度记录仪记录下其振动现象。为了验证风不会影响结构模态阻尼系数估计的准确性，包括气动阻尼的一个组成部分，风速永久在中跨处测量，将风速计与光谱分析仪连接，最大风速不超过2.5米/秒。
然后根据加速时间序列的快速傅里叶变换的峰值（图8和图9）对固有频率进行确定。每一个系列（图10）是由在50Hz处采样的32768个点组成的，对应于获得的655.36秒，产生了0.0015Hz的频率分辨率。
关于模态形状，这些确定出的是在每一个确定的自然频率周围，应用一个带通为10极的巴氏数字滤波器，并将滤波后的信号的振幅和相位与不同的测量值进行比较。图6展示了这个程序确定的模态分量，这与环境振动试验得到的模态形状和用数值计算的模态构型都有很好的一致性。
最后，模态阻尼系数的确定是根据在0-1.0Hz范围内的每个自然频率下，利用带通为10极的巴氏数字滤波器得到的滤波信号包络线的衰减情况（图11）。至于模态阻尼系数的估计是根据振动的水平，不同的指数回归是在对应不同时间间隔的自由响应。表2给出了得到的平均估计值，以及各自的变化区间。
值得提到的是，除了对数衰减法的应用，频率域多自由度识别算法RFP（有理分式多项式法）也还在使用(Han and Wicks 1989)，根据传递函数，在每个激励点进行响应的测量。由于在60t重物突然从桥面板释放时激励不能准确地测量出来，假设输入是一种脉冲荷载，并以单元大小来估算传递函数，在很短的时间内应用，从而使激励的光谱内容在频率范围内有几乎恒定的强度。图12给出了从程序中得到的其中两种传递函数，还有相应的合成的传递函数，是基于用RFP算法确定出的模态参数估算得到的。
斜拉索上的动态测量
测量的目标
斜拉索上的动态测量通常需要对设计，建造和斜拉桥的养护维修背景下的各种问题进行评估，例如：（1）索力的评估，这一问题对成桥后内力正确的校正和分配至关重要，它随时间的变化可以提供有关结构健康的关键迹象；（2）对安装在锚索锚固井附近的阻尼装置的阻尼特性的评估；（3）对由长期的交通荷载引起的斜拉索疲劳问题的评估；（4）拉索振动重要性的评估，这可能是因为涡旋脱落或者特别因素或者风雨激振引起的，这些对数座斜拉桥的行为都产生了影响，像Faroe, Helgeland,Ben-Ahin,Wandre(Cremer et a1. 1995), 第二次塞弗恩十字路口和伊拉斯谟桥(
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