汕頭海灣大橋整體自振模態(tài)的測試與分析

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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)置進行了詳細說明。在采樣頻率已經(jīng)合理設(shè)置的條件下如何進一步提高頻率分辨率、獲取足夠的頻率分析精度和阻尼分析精度本文也進行了論述。實測結(jié)果表明：相同模態(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?zāi)M濾波器采樣定理一、前言汕頭海灣大橋位于汕頭港的人海口，大橋全長2500m，其中主橋長760m，采用154＋452＋154（m）三跨雙鉸預(yù)應(yīng)力混凝土加勁箱梁結(jié)構(gòu)

2、體系，引橋部分除在北副航道處設(shè)2孔50m剛構(gòu)外，其余均為鋼筋混凝土多片式T梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩。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60kin／h。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)驗明顯不足，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摌蛴绊懸草^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結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，被

3、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，如果發(fā)生病害或者實際約束狀態(tài)發(fā)生改變，則橋梁結(jié)構(gòu)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。受汕頭海灣大橋有限公司的委托，鐵道部科學(xué)研究院于1999年11且對大橋進行了首期全面運營監(jiān)測，本文介紹模態(tài)參數(shù)測試部分的分析方法與有關(guān)結(jié)論。二、該橋用脈動試驗法測試、分析結(jié)構(gòu)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結(jié)構(gòu)，在動態(tài)測試之前，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點并結(jié)合可靠

4、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。具體地說，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結(jié)構(gòu)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)雜結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)振型是受多種因素影響的，實際結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型對實際約束狀態(tài)是相當敏感的，而實際結(jié)構(gòu)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

5、頻率與理論計算頻率上的偏差，有時這種偏差還比較大。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，因為主橋結(jié)構(gòu)的特點是每一梁段用4根吊索與主纜相接，從結(jié)構(gòu)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，為避免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，否則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，使得后續(xù)的頻域分析了可能正確，最后導(dǎo)致

6、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3～4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40／4096＝0.0098Hz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

7、足本結(jié)構(gòu)頻率識別的要求。（4）在阻尼比的分析中，采用了更高的頻率分辨率，即一次功率譜密度分析中的分析點數(shù)打破4096點的限制，利用了Matlab分析軟件，把分析數(shù)據(jù)點數(shù)加長到諸如10240，20480等以上，極大地提高了阻尼比ξ的分析精度。分析中分析點數(shù)最多取多少，視阻尼比ξ的分析值是否達到穩(wěn)定而定。此外，為消除噪聲的影響，在譜分析中采用了多次平均技術(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)ASQ－500型低頻

8、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，否則在采樣頻率比較低的條件下極易產(chǎn)生高頻混疊，而ASQ－500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