汕頭海灣大橋整體自振模態(tài)的測試與分析

1、汕頭海灣大橋整體自振模態(tài)的測試與分析摘要：針對該橋整體模態(tài)的脈動法測試，本文闡述了其中的關(guān)鍵測試技術(shù)與 分析 技術(shù)，對測試系統(tǒng)的合理組 成、采樣頻率的正確設(shè)置進展了詳細說明。在采樣頻率已經(jīng)合理設(shè)置的條件下如何進一步進步頻率分辨率、獲取足夠的頻率分析精度和阻尼分析精度本文也進展了闡述。實測結(jié)果說明：一樣模態(tài)振型的條件下實測頻率值大干設(shè)計 計算 值。關(guān)鍵詞：模態(tài)振型 脈動試驗 模擬濾波器 采樣定理一、前言橋梁設(shè)計荷載為汽車一超20級、驗算荷載力掛車一120。大橋具備汽車專用與城市 交通 雙重功能，其中主橋設(shè)計車速為60kinh。由于該橋是我國第一座 現(xiàn)代 化的大跨度懸索橋，其設(shè)計及施工經(jīng)歷明顯缺乏

2、，而且該橋又處于高密度的車輛荷載作用下，且入?？谔幍某毕?、臺風(fēng)及海洋性氣候?qū)υ摌?影響 也較大。1999年的 臺灣 大地震也必定影響到該橋，所以對該橋在實際運營條件下動力性能的掌握變得尤為重要。根據(jù)脈動試驗獲得大型低頻橋梁構(gòu)造的模態(tài)參數(shù)，被認為是一種可靠的掌握橋梁動力特性的實用 方法 。橋梁經(jīng)過一段使用期以后，假設(shè)發(fā)生病害或者實際約束狀態(tài)發(fā)生改變，那么橋梁構(gòu)造的頻率和振型等固有特性參數(shù)必定會發(fā)生改變。這樣，根據(jù)前后橋梁自振特性實測值的改變，就可以對橋梁的實際狀態(tài)作出評定。受汕頭海灣大橋的委托，鐵道部 科學(xué) 研究 院于1999年11且對大橋進展了首期全面運營監(jiān)測，本文介紹模態(tài)參數(shù)測試局部的分析方

3、法與有關(guān)結(jié)論。二、該橋用脈動試驗法測試、分析構(gòu)造模態(tài)振型過程中的幾個關(guān)鍵 問題1. 主橋?qū)嶋H振動頻帶的正確估計對一個實際構(gòu)造，在動態(tài)測試之前，應(yīng)結(jié)合構(gòu)造的構(gòu)造特點并結(jié)合可靠的 理論 計算結(jié)果，對實際可能出現(xiàn)的振動頻帶分布作出正確的估計，這是非常重要的。因為這一步?jīng)Q定了動態(tài)測試中許多系統(tǒng)設(shè)置、采樣參數(shù)配置問題，對合理地采樣分析起到了至關(guān)重要的作用。詳細地說，主橋面的振動應(yīng)是兩類振動的合成結(jié)果：其一是大跨度主橋的整體低頻振動，我們的測試目的正是要把握這種橋梁整體構(gòu)造的振動模態(tài)。這種整體低頻的上限按設(shè)計計算將是 1.0Hz，應(yīng)該看到；對于這種大型復(fù)雜構(gòu)造的實際模態(tài)振型是受多種因素影響的，實際構(gòu)造的模

4、態(tài)振型對實際約束狀態(tài)是相當敏感的，而實際構(gòu)造的約束狀態(tài)在有限元計算中是難以準確模擬的，這樣必然造成實際頻率與理論計算頻率上的偏向，有時這種偏向還比較大。因此，我們并沒有充分的理由只按 1.0Hz來考慮采樣頻率的設(shè)置。主橋面的另外一種客觀存在的振動是局部的較高頻振動，因為主橋構(gòu)造的特點是每一梁段用 4根吊索與主纜相接，從構(gòu)造受力上分析，相當于每隔 5.7m長度有一個彈性支撐點，這是主橋面上存在較高頻振動的主要原因。2基于以上考慮，為防止在信號的采集過程中產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，必須在試驗采樣中注意采取以下措施；(1)采樣頻率不能太低，否那么較高頻的局部振動或其他的高頻噪聲會混入整體的低頻振動中去，使得

5、后續(xù)的頻域分析了可能正確，最后導(dǎo)致錯誤的分析結(jié)果。2為更有效地防止高頻混疊現(xiàn)象，測試系統(tǒng)必須有低通抗混濾波器，把采樣前的信號限制在一定的頻帶范圍內(nèi)。3采樣頻率當然不是越高越好，還要考慮到保證足夠的頻率分辨率.一般說來；采樣頻率為低通截止頻率的34倍比較好。3綜上所述，在主橋的自振特性測試試驗中，采用以下參數(shù)設(shè)置：(1)低通濾波器的截止頻率設(shè)置為10Hz。(2采樣頻率設(shè)置在40Hz.(3譜分析以4096點分析為主，這樣頻率分辨率為4040960.0098Hz理論上說，這時譜分析中可能的頻率誤差為 0.0098/2= 0.0049Hz，可以滿足本構(gòu)造頻率識別的要求。此外，為消除噪聲的影響，在譜分析

6、中采用了屢次平均技術(shù)；同時為減弱譜分析中的旁瓣影響，窗函數(shù)選用了漢寧窗，通過這些處理，保證了測試結(jié)果的可靠和真實。三、脈動試驗使用的有關(guān)儀器及測點布置1使用儀器使用日本產(chǎn)ASQ500型低頻加速度傳感器和與之配套的濾波放大器，該型傳感放大系統(tǒng)與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，一個明顯的區(qū)別是：國內(nèi)同類產(chǎn)品一般不設(shè)置濾波器，這樣使用國內(nèi)產(chǎn)品必須另外設(shè)置單獨的信號模擬濾波器，否那么在采樣頻率比較低的條件下極易產(chǎn)生高頻混疊，而 ASQ500型低頻傳感系統(tǒng)的放大器具有模擬濾波功能，因此可以不另設(shè)低通濾波器。為消除阻尼對頻率的影響，更準確地得出構(gòu)造的自振頻率值，構(gòu)造的振動信號選用了速度信號，這一點對于需準確測定構(gòu)造力阻

7、尼自振頻率的場合，尤其需測試分析者注意，否那么，如拾取了位移和加速度信號，得到的將是一個接近構(gòu)造自振頻率的與系統(tǒng)的阻尼相關(guān)的頻率值。信號的采集與分析采用國產(chǎn)INV信號采集和分析處理系統(tǒng)。2.測點布設(shè)1豎向振動測點為保證阻尼測試分析的準確，脈動試驗的數(shù)據(jù)長度必須足夠，需要有大容量的數(shù)據(jù)采集和分析方法，本次試驗每次采樣數(shù)據(jù)長度控制在35K左右。在采樣頻率為40Hz的條件下，可以滿足大容量高精度求阻尼比對數(shù)長度的要求。(2橫向振動測點3縱向振動測點在主塔塔頂、主塔中間橫梁及橋面東西對稱位置布有縱向振動測點，對這些測點進展了結(jié)合采樣分析，采樣數(shù)據(jù)長度仍控制在35K左右。四、脈動試驗結(jié)果 分析1.主橋豎

8、向振動模態(tài)振型基于以上分析，可以得出構(gòu)造豎向整體模態(tài)振型如下：1以中跨為主的撓曲振型，頻率f0.195Hz，阻尼比=0.0147；4中跨與邊跨的2階撓曲振型，頻率f=0.860Hz，阻尼比=0.0188；2主橋橫向振動模態(tài)振型同樣地，可以分析主橋橫向模態(tài)振型如下：2以塔為主，帶動邊跨與中跨的整體橫向擺動振型，頻率f=0.625Hz，阻尼比= 0.0314；3以中跨為主的橫向撓曲 2階振型，頻率 f 0.586Hz，阻尼比=0.0214；3.主橋縱向振動由于橋面縱向振動信號較弱，由于拾震器在縱向布置時現(xiàn)場很難做到完全沿程度橋軸方向，相比之下，較強的豎向和程度橫向振動信號就不可防止地被抬取進來，這

9、須在頻譜識別過程中注意加以區(qū)分，這樣得出主橋縱向振動模態(tài)參數(shù)為頻率f=0186Hz，阻尼比001784.主纜的橫向振動及與橋面橫向振動的關(guān)系分析通過中跨跨中主纜橫向振動自譜及與橋面程度橫向振動的互譜分析有以下結(jié)論：5.實測模態(tài)振型與 理論 計算 值的比較分析1根據(jù)設(shè)計計算值，主橋面順橋向振動頻率值為 0.1580HZ，實測該方向振動頻率值為0.186Hz，二者比較接近。2"對稱豎向振動"設(shè)計計算頻率值為 0.296Hz，而實測的"對稱豎向振動"表達為 3種振型： 以中跨為主的豎向撓曲振動，實測頻率值 0.195Hz； 中跨與邊跨同時進展的豎向撓曲振動，實

10、測頻率值 0.391Hz； 塔縱向與中跨的耦合豎向撓曲振動，實測頻率值 0.310Hz。理論分析的構(gòu)造模態(tài)振型，與采用的計算模型有關(guān)、也有構(gòu)造各部位的剛度取值相關(guān)，客觀地說，對于這種大型的復(fù)雜構(gòu)造，其真實模態(tài)理論上是很難模擬計算清楚的，根據(jù)一般的有限元分析經(jīng)歷，設(shè)計計算頻率值 0.296Hz的模態(tài)振型應(yīng)該是，即中跨與邊跨同時進展的豎向撓曲振型，這樣，構(gòu)造同振型的實測頻率高于理論值。五、主要結(jié)論(1)對于大跨度懸索橋這種構(gòu)造，橋面上某一點的振動是構(gòu)造整體模態(tài)振動與局部振動的疊加，僅僅考慮構(gòu)造整體的低頻模態(tài)振動來設(shè)置過低采樣頻率是不適宜的，必須注意防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生。(2)試驗分析說明：橋面上某一點的振動能量主要集中在局部振動的較高頻段，而我們感興趣的整體模態(tài)振動的振動能量處于次要地位。3為有效地防止混疊現(xiàn)象的出現(xiàn)，測試系統(tǒng)必須有模擬濾波器，并根據(jù)山農(nóng)采樣定理與濾波器的實際性能設(shè)置濾波截止頻率和系統(tǒng)采樣頻率。4進步頻率分辨率除根據(jù)上述盡可能降低來樣頻率外，在頻譜分析時采取加長分析點數(shù)的 方法 是一種可靠的方法。為此，必須打