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大型斜拉桥的动态试验
By A. Cunha,1 E. Caetano,2 and R. Delgado3
摘要： 本文介绍了在非常规测试系统的基础上, 对瓦斯科达加马大桥的大型斜拉桥上进行的动态测试，包括几个由笔记本电脑同步的独立加速度计，以及用于固定绳索中的非接触式动态测量的激光干涉测量系统。该系统具有较高的可移植性、效率和准确性, 从而建立了一个关于桥梁动态行为的庞大高质量数据库。随后通过对数据的处理使人们能够从空气动力学和地震的角度准确识别所有必要的重要模态参数, 并与以前在设计阶段开发的三维数值有限元模型提供的相应值进行了非常好的相关性分析。
介绍
在研究已有的大跨度桥梁在交通、风或地震荷载作用下的动力响应和健康状况方面, 开发可靠的分析动力模型至关重要。虽然目前已有专门的有限元代码可用于这方面, 但能否成功在很大程度上取决于结果可能性的实验验证。需要对已有的这些分析模型进行适当的实验校准和验证, 以便正确反映结构特性和边界条件, 包括对结构 (固有频率、模态形状和模态阻尼因子) 及其与相应计算值的相关性。
桥梁模态参数识别动态试验一般可分为以下三种类型: (1) 强迫振动试验;(2) 环境振动试验;(3) 自由振动试验。
强迫振动试验与实验模态分析标准技术 (Ewins 1984) 的应用直接相关, 该技术以前是应用于机械、航空和航空航天工程等领域。它们涉及应用和测量单个或多个确定性或随机性激励, 同时可以测量多个点的结构响应, 以及随后估计频率响应函数 (Frf)。这些 Frf 通常是应用多自由度模态识别算法的基础, 只要捕获的信号的信噪比足够高, 就可以准确估计模态参数。
脉冲锤和电动振动台是两种类型的设备, 可成功地用于板材或人行天桥等相对较小结构的强迫振动测试 (Caetano 和 Cunha, 1993年)。然而, 在处理大型结构时, 需要更重型和更昂贵的设备, 如偏心质量或伺服液压振动器 (Pietrzko 和 Cantieni, 1996年)。对于具有 0-1 Hz 范围内具有显著固有频率的大型柔性桥梁, 如斜拉桥或悬索桥, 在足够高的水平上提供可控励磁的成本和难度都更高。由于力的大小取决于旋转频率的平方值, 在非常灵活的结构上应用正弦振荡器需要非常重的设备, 涉及重要的资源, 特别是与运输有关的资源以及安装阶段, 以及所需的高电源 (Hoshino 等人, 1997年;Okauchi 等人。
环境振动试验是一种不错的替代方案, 已经成功地应用于各种土木工程结构, 包括短跨桥梁、高层建筑和水坝。这种方法只需要测量环境激励下的结构响应, 通常是由于风或交通的作用, 可以快速、低成本地准确估计模态参数。此外,在测试期间还可通过安装重型振动台阻断车辆流量。通常的测试过程包括在一个或多个参考点以及结构上的其他不同点同时执行测量。假设激励在必要的频带中分布相对平稳, 在几个测量点的频域、振幅和相位响应之间很容易得到, 这会固有频率和模式形状模拟的更加准确 (Felber, 1993年)。
虽然也可以通过环境振动测试来确定模态阻尼系数, 但相应的估计往往不是很准确, 这可能是一些应用中的一个主要关切点。大型斜拉桥或悬索桥的情况就是如此, 其分析和设计意味着对颤振空气动力不稳定的条件进行详细研究 (Jones 等人, 1998年), 其中结构阻尼发挥着至关重要的作用。因此, 在这种情况下, 特别适合进行自由振动测试, 引入初始扰动, 从而产生明显高于环境响应的自由振动响应。这可以通过使用锚定在土壤上的张拉绳索来实现, 并有可融合的连接, 并将相应的张力增加到极限 (Ventura 等人, 1996年), 或者通过引发从桥板上适当悬浮的质量的突然释放 (Delgado 等人, 1998年)。
图1描述了形成典型环境或自由振动桥测试系统的传统硬件 (Felber, 1997年): (1) 一套传感器, 通常是强制平衡加速度计, 允许一个可靠地检测加速度为小到1毫克;(2) 放大器和滤波器单元, 覆盖高增益, 并提供可选择的低通滤波, 低截止频率, 以消除信号中所有不需要的更高频率; (3) 一种模拟到数字转换器, 能够以最小16位分辨率对模拟信号进行数字化处理, 方便地由软件控制, 从而能够采集非常长的记录; (4) 一台计算机协调数据采集, 并最终由一台计算机进行现场数据分析、模式形状动画和打印。
图1常规环境振动测试系统原理图
虽然这种传统的环境振动系统得到了成功的使用 (布朗约翰等人, 1989年;Felber 和 Cantieni 1996), 他们提出了存在的缺陷, 一些缺乏便携性和开发一个相当困难和繁琐的设置, 使用数百米的绳索, 这应该是必须的, 屏蔽,并确保最小的最小信号丢失和远距离干扰。除此之外, 在斜拉桥的具体情况下, 由于几个原因, 对斜拉桥进行系统动态测量的性能可能很重要 (Cunha 和 Caetano, 1999年), 基于传统加速度计的仪器也可以是很无聊。
瓦斯科达加马斜拉桥
葡萄牙新的塔古斯河过境点——瓦斯科-达加马大桥——长 17300 米, 包括三个交汇处、一段5公里长的陆地路段和一座连续的 12300 米长的桥梁。这座桥新建于 expo-98 国际展览地区附近, 包括一个斜拉桥部件 (图 2), 在主航道上, 中央跨度为420米, 两侧有三个侧跨 (62/70.6/72 米), 对应于过渡桥墩之间总长度829.2 米。甲板宽31米, 由两个侧向预应力梁组成, 高2.6 米, 由板材和横钢Ⅰ梁连接。它沿着它的总长度是连续的。这两座H形塔楼在其基地的一个巨大区域上方147米高, 用于防止船舶碰撞。
图2瓦斯科达加马斜拉桥景观图
动态测试的目标和任务
由于大跨度桥梁对空气动力不稳定问题的倾斜度很高, 以及葡萄牙南部的地震风险很高, 瓦斯科达加马斜拉桥的动力特性通过实验和数值的方法得到了广泛研究(Grilaud 等人, 1997年;Branco 等人, 1998年)。特别是, 波尔图大学 (Delgado 等人, 1998年) 进行了动态试验, 以便从空气动力学和地震行为的角度对斜拉桥最相关的模态参数进行实验, 并将它们与 EEG使用有限元程序Hercules 开发的三维数值模型提供的相应参数联系起来(法国维勒班格克提)。
所涉及的动态测试: (1) 用于评估加速度水平和识别初步测量适当的参考部分 (2) 环境振动测试, 以确定桥梁的整体固有频率和模式形状, 测量沿板和塔楼方向58个不同点的结构响应; (3) 在重型卡车通过过程中的响应测量性能, 超过排风板支架, 以增加垂直加速度; (4) 以在板上突然释放60吨偏心荷载为基础, 进行自由振动试验, 以准确识别模态阻尼因子; (5) 使用传统压电加速度计和干涉测量激光传感器对固定绳索进行动态测量, 以识别整个结构的整体固有频率或局部频率; (6) 与不同速度和多条车道上的繁忙交通通行相关的动态放大因子 (Daf) 的实验评估。
图3环境振动试验中测量截面指示式桥梁的原理图表示
图4与以下相关的平均归一化光谱: (a) 垂直加速度 (半和半差信号, 上游下游);
(b) 横向加速度 (半和信号)
图5（a）垂直加速度和（b）第10和16节横向加速度的半和信号的NCPSD光谱（幅度），相应的相干性
环境振动测试
环境振动试验是用六个独立的三轴加速度计进行振动测量的, 其中两个永久安装在给定的参考截面上 (截面10, 跨北1/3处), 而其他加速度计则依次安装在给定的参考截面上。放置在沿甲板和塔楼的28个不同的移动路段 (图 3).。在所有部分中, 传感器对都位于横向、上部和下部, 始终按照正交参照 xx (纵向方向)、yy (横向) 和 zz (垂直方向) 定向。原则上, 这些加速度计在每个测量序列之前都经过了适当的编程, 以便每20分钟同时开始采集一次。考虑到必要的频率范围非常低(0–1 Hz)，需要通过对桁架模型参数的灵敏度进行分析，得到桁架模型响应的敏感参数。选择了四个敏感参数, 并人为地给出了损伤值。元素的密度 1 (rho;1), 元素 5 (rho;5), 元素 9 (rho;9), 元素 20 (rho;20) 的数值分别减少了 20%, 15%, 30%, 10% 到 9420 kg/m3, 9027.5 kg/m3, 10205 kg/m3 。因此, 未损坏的模型代表初始模型, 而被破坏的模型代表 '真' 模型。FE 模型更新的目的是更新初始模型, 使其响应更接近真实模型。提出了用 RSM 和 PSO 方法实现这一目的, 即发现损伤元件杨氏模量和密度的变化。每次设置的采集时间始终为 16分钟, 采样频率为 50 Hz, 以便获得频率分辨率低于 0.01 Hz 的平均光谱估计。在连续的设置之间, 改变加速度计位置的时间为 4分钟, 但沿着塔楼进行测量的情况除外, 因为有必要爬上楼梯到顶部, 用岩石袋运送加计。
由于捕获的信号水平相对较低, 因此使用了适当的放大因子, 保证精度高于0.015 毫克 (1 g/216)，还需使用 16位A/D转换器。为了提高垂直部件的信号水平, 在一辆质量为30吨的重型卡车通过期间, 辅助进行了振动测量, 位于挂钩木板上，高4cm, 放置在半跨度。值得强调的是, 所使用的测量系统被证明是相当实用和高效的, 能够在2.5天内完成整个环境振动测试, 完全避免了使用长绳索将18力平衡加速度计连接到传统的中央数据采集和处理系统。所获得的实验数据定期下载到笔记本电脑的硬盘上, 随后进行分析和处理以提取桥梁的全局模态参数。值得注意的是, 尽管大多数在实验室里开发了信号处理和模态识别工作, 甚至可以在测试期间在现场进行, 前提是以前有适当的只进行输出系统识别和模式动画的软件安装在笔记本电脑中。除了这个测量系统之外, 还使用了一个风速表来定期测量风速。对所获得的时间记录的检查显示, 在环境振动试验中, 结构响应发生了显著变化, 这主要是由于风速的振荡造成的。 在中跨测量的平均风速在1到22毫米之间变化, 导致参考截面加速度的R,M,S 值发生相当大的振荡 (在垂直方向的0.06–1.69 毫克范围内, 横向方向的0.03–0.35 毫克, 和0.03–0.13 毫克的纵向)。
图6甲板的一些模态形状
固有频率的识别依据的是与每个部分 (下游、上游、半和和半差分信号) 相对应的归一化加速度谱平均值的峰值, 以及相干值与同时测量相关在几对点 (Felber 1993)。根据16分钟的时间记录, 获得的平均光谱估计的频率分辨率为 0.006 Hz. 图4显示了与垂直 (z) 和横向 (y) 相对应的平均归一化自动光谱 (ANPSD) 和横谱 (ANCPSD)加速度分量, 平均获得NPSD 和 NCPSD 的光谱与23个不同部分的测量相关, 同时考虑到半和和半差信号 (上下游)。图5还显示了 NCPSD 光谱的振幅以及与第10和16节同时测量相关的相应相干函数。检查所获得的所有平均光谱估计数 (Delgado 等人, 1998年), 使人们能够根据数值模型提供的固有频率确定表1中汇总的 0–1.15 Hz 范围内的固有频率值。
频率在 0–1. 15 赫兹范围内的振动模式的识别是基于对传递函数的估计 (使用估计器 H1) 和相应的一致性, 将参考部分的环境响应 (半和和半差信号, 上下游) 与沿甲板和塔的其他测量部分的反应。与与几个部分有关的每个固有频率 (线性幅度) 的这些传递函数的值之间的比率导致了模态分量的绝对值, 相应的信号是根据阶段演化。图6显示了甲板的一些已识别的模态形状, 还介绍了相应的数值模态, 以及使用自由振动测试确定的一些模态组件, 将在下一节中介绍。
进行自由振动试验不仅是为了检查以前环境振动试验的主要结果, 还为了准确识别与振动模式相关的阻尼因素, 具有更重要意义的是对桥梁动力响应的贡献, 特别是在风荷载作用下。为此, 从靠近上游边界以北部分的甲板上的一个点暂停了60吨的质量 (图 7), 随后释放, 产生了在16分钟内由6个三轴加速度计记录的振动现象, 位于半和半跨度 (上游和下游).。为了验证风不会影响结构模态阻尼系数的评价精度, 引入空气动力阻尼的一个组成部分, 在中跨时对风速进行了永久测量, 将风速计连接到光谱上最大风速不超过 2.5 m/s。
然后根据加速度时间序列的快速傅立叶变换的峰值 (图8和图 9) 对固有频率进行了识别。这些序列中的每一个 (图 10) 都是由在50Hz 采样的 32.2768点点形成的, 对应于采集 655.36 s 的时间, 从而产生 0.0015 Hz 的频率分辨率。
图7自由振动试验: (a) 偏心悬吊60吨驳船;(b) 吊式 Dywidag Bar 的初步分割;(c) 释放驳船
图8垂直加速度半和信号 FFT 的振幅 (上下游) 在: (a) 半跨度北;(b) 半跨度
图9垂直加速度半差信号 FFT 的振幅 (上下游) 在: (a) 半跨度北(b) 半跨度
图10风速在半跨度 (上游) 和半跨度北 (上游) 和风速在半跨度 (上游) 的时间演化的垂直分量
关于模式形状, 是通过10极巴特沃思数字滤波器在每个固有频率周围识别的, 并比较了不同测量点的滤波信号的振幅和相位。图6显示了该过程所确定的模态组件, 这些组件与环境振动试验获得的模态形状和数值计算的模态配置明显吻合。
图11与自然频率0.467Hz相关的模态阻尼因子的识别: 基于上游半段测量响应的分析
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资料编号：[5223]
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