[摘要]云南景洪版納大橋橫跨瀾滄江，為一斜拉橋。為了對該橋的主塔抗震性能作出合理評價，提供抗震設計參數(shù)，在主塔施工過程中及全橋施工完畢后，以火箭式激振器為震源分別兩次對主塔進行了現(xiàn)場動力測試，取得了塔結(jié)構(gòu)體系的動力特性參數(shù)，并對測試結(jié)果進行了合理分析。
關鍵詞 主塔 火箭式激振器 現(xiàn)場測試 動力特性 設計參數(shù)


一、引言
振動是自然界和工程中普遍存在的現(xiàn)象，它直接影響著工程結(jié)構(gòu)物的工作性能和使用壽命。在橋梁工程中，隨著工業(yè)和科學技術(shù)的進步，其結(jié)構(gòu)型式向著大跨度、小重量、輕結(jié)構(gòu)發(fā)展，振動問題愈來愈被人們所重視。除從理論上進行細致的研究外，在振動測試技術(shù)上也有了很大的發(fā)展，特別是電子技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展以及快速富利葉變換（FFT）的出現(xiàn)，使測試技術(shù)又上升了一個新臺階。為了對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能作出合理評價，需要掌握上與結(jié)構(gòu)體系動力相互作用的特性。但由于上與結(jié)構(gòu)體系的復雜性，影響因素的多樣性，常使理論分析遇到許多無法克服的困難，因而必須依靠實驗和測試來解決。本次對版納大橋主塔的現(xiàn)場動力測試是以火箭式激振器作振源，以控制理論為基礎布置激振點和信號傳感器，用系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)辯識法識別結(jié)構(gòu)體系的振動參數(shù)，進而對其進行響應譜分析。


二、主塔現(xiàn)場動力測試
1．橋型簡介
版納大橋主孔為 2 x 156m獨塔雙面索鋼筋混凝土斜拉橋；引橋為 3 x 30m＋ 3 x 30m＋ 3X 28m預應力混凝土工字型組合梁。橋面沿縱向設 2％雙向縱坡，并在橋塔處 88m長度內(nèi)設豎曲線，其半徑R＝2201.28m。塔身高107.5m（從承臺頂面算起），基礎形式為鉆孔灌注群樁基礎。
設計荷載：汽一超20，掛一120，人群：3.5skN／平方米
橋面凈空：凈15十2X3m（自行車道）+ 2 X 2m（人行道）
設計洪水頻率： l／100
橋下凈空：按Ⅳ-2限制性航道等級要求，凈寬80m，凈高8米，最高通航水位546.84m。
地震設防烈度：8度
2．主塔測試
主塔的現(xiàn)場動力測試分兩階段進行，第一階段是半裸塔縱橋向動力測試，即塔身澆筑至標高為612.6m時（掛索前）；第二階段是全橋基本完工，主塔已達塔頂設計標高648.00m且調(diào)索完畢。本文主要分析第一階段的實測響應，第二階段的實測響應分析見另文。
為使實測達到非破損要求，首先要對激振器的激振力大小、激振波型、激勵時間等提出要求，并要估算出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大位移值，既要使結(jié)構(gòu)絕對安全，又要使采集到的數(shù)據(jù)在傳感器最佳量程范圍內(nèi)。
（1）測試方案
采用火箭式反沖激振器對主塔的半裸塔結(jié)構(gòu)體系進行激振，激振方式屬單點同步多激。激振器安裝在標高為602.6m的塔身外側(cè)，激振方向為沿橋的縱向從思茅岸向景洪岸激勵，激振力為48kN，作用時間100ms，為了使塔身盡可能地產(chǎn)生縱橋向彎曲振動，避免扭轉(zhuǎn)振動，將激勵器并排布置6個，每個激振器所產(chǎn)生的激振力為8kN。在實測前已通過試驗方法的設計和研究確定出了激振力的大小。共采用12個位移傳感器和兩個力傳感器分別接收承臺頂面和半裸塔頂及塔身各振型極值點處的振動響應信號和力信號。激振器的位置及測點布置見半裸塔測點布置圖1。激振后的振動響應信號可在現(xiàn)場利用CF-920FFT分析儀進行初步分析和監(jiān)控，同時利用磁帶機把振動信號記錄在磁帶上保存。做完試驗后，將記錄的數(shù)據(jù)信號輸送CF-920FFT分析儀中進行仔細回放處理，即可對現(xiàn)場實測的各點振動響應信號進行各種專項分析研究（包括功率譜、傳遞函數(shù)、相干函數(shù)等）。測試系統(tǒng)見圖2。


（2）測試結(jié)果及分析
火箭式激振器給主塔施加一激振力，其產(chǎn)生的振動信號相當于一個矩形脈沖波，激勵時間為100ms，為了識別結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，得到符合實際情況的試驗結(jié)果，需要對各位移傳感器檢測到的輸出信號進行合理分析，確定出主塔結(jié)構(gòu)振動的各種動態(tài)參數(shù)（包括頻率、周期，阻尼、漠態(tài)等）。在實際結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時，由于阻尼很小，可忽略不計，因此，本次采用頻率域分析法(即利用功率話密度函數(shù)）確定結(jié)構(gòu)的頻率或周期，采用傳遞函數(shù)分析法確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)（即振型），利用相干函數(shù)分析判斷測試數(shù)據(jù)的可靠性。
a．功率譜分析
功率譜是以富利葉變換和統(tǒng)計分析為數(shù)據(jù)基礎。對于單個記錄時間歷程X（t）（考慮時間由0-T及頻率的等效單邊譜），任意頻率（f）處的功率譜密度函數(shù)可以表示為

利用CF-920 Fry分析儀對各傳感器接收到的振動響應信號進行了功率譜分析，得出半裸塔結(jié)構(gòu)縱橋向振動時的前三階固有頻率：f1=1.3Hz，f2=3.6Hz，f3=4.45Hz，其中測點14（見圖1）的功率譜及對應的時域信號見圖3。

b．傳遞函數(shù)分析
任何線性定常的動力系統(tǒng)在輸入激勵和輸出響應之間存在一定的傳遞關系。傳遞數(shù)可以簡單地用下面的關系說明：

其中，X（S）為輸入x（t）的拉譜拉氏變換，記作：

式中，s為復數(shù)，s＝a＋jb，Y（s）為輸出y（t）的拉氏變換。H（s）是由結(jié)構(gòu)體系本身的剛度，質(zhì)量、阻尼等有關的動態(tài)特性所決定的一個物理量。當初始條件為零時，上列關系式可寫為

式中，H（S）稱為傳遞函數(shù)。
由于本次試驗輸入的是力，輸出的是位移，故傳遞函數(shù)應采用力與運劾的傳遞函數(shù)：

因為y(t)＝h(t)x(t)，對其兩邊取付氏變換，并令初始條件為零，即得

則
H(w)即為系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，它反映了系統(tǒng)對輸入的響應特性。
測點14的傳遞函數(shù)圖形見圖4，對應于實部為零，虛部為最大值的頻率即為固有頻率fi。把主塔結(jié)構(gòu)上各測點的傳遞函數(shù)對應頻率為人時的虛部峰值進行規(guī)一化，即為頻率fi時的振動模態(tài)（見圖5）。

c.相干函數(shù)分析
對單輸入、單輸出系統(tǒng)的相干函數(shù)可定義為

式中 Wxy（w）--系統(tǒng)輸入、輸出的單邊功率密度譜；
Wxx（w）--系統(tǒng)輸入的單邊自功率密度譜；
Wyy（w）--系統(tǒng)輸出的單邊自功率密度譜。
在頻率域上描述了x（t）和y（t）的相關程度。若相干函數(shù)近似等于1，即
=1
則說明測試系統(tǒng)噪聲很低，外界干擾很小，測試數(shù)據(jù)可靠。
測點14的相干函數(shù)見圖4。由圖可見，各點在固有頻率f1，f2和f3處的相干函數(shù)值均在0.9以上，說明本次測試數(shù)據(jù)比較可靠，達到了試驗要求。


三、測試與有限邊界元【2】計算的動力參數(shù)比較
實測前，按兩種力學模型計算主塔施工到612.60m（稱作半裸塔）時縱橋向振動的動力特性。一是假定該半裸塔的塔腿（4條）分別固結(jié)在承臺上，即承臺一樁基礎一地基主體系剛度無限大；二是假定半裸塔一承臺一樁基一地基上作為一體系。按第二種力學模型計算時，首先要根據(jù)上的類別、性質(zhì)和埋藏深度假定一組地基上邊界元系數(shù)，再利用有限一邊界無法計算出該體系的動力特性。實際地基土邊界元系數(shù)是根據(jù)實測數(shù)據(jù)，利用計算機輔助試驗（CAT）擬合得到的（見表1）。根據(jù)擬合后的地基土邊界元系數(shù)計算出該體系的動力特性見表2及圖5。


由表2可見，索塔體系的動力計算模式不同，計算結(jié)果也不同。就因有頻率而言，固支法的相對誤差大，邊界元法的相對誤差小，這說明，考慮了地基上的作用后，索塔體系的動力特性參數(shù)與實測值較為接近。根據(jù)該動力特性參數(shù)進行的響應譜分析結(jié)果，可為該橋的設計檢驗提供可靠依據(jù)。


四、結(jié)語
（1）本次現(xiàn)場動力測試所采用的試驗設計、火箭式激振器用于實橋水平向可控激勵、采用單點同步多激等方法，更好地解決了其他動力測試方法難以處理的問題。
(2)實測結(jié)果為該橋結(jié)構(gòu)抗震設計所假定的計算參數(shù)提供了有力的證據(jù)。
（3）依據(jù)實測結(jié)構(gòu)體系的動力特性，取得了場地上邊界元參數(shù)，從而考慮了土與結(jié)構(gòu)的相互作用影響。

參考文獻
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