[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(jià)，提供抗震設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行了合理分析。
關(guān)鍵詞 主塔 火箭式激振器 現(xiàn)場測試 動力特性 設(shè)計(jì)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(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)行細(xì)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(jì)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(jià)，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(fù)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(shí)驗(yàn)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(chǔ)布置激振點(diǎn)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(jìn)而對其進(jìn)行響應(yīng)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(dú)塔雙面索鋼筋混凝土斜拉橋；引橋?yàn)?3 x 30m＋ 3 x 30m＋ 3X 28m預(yù)應(yīng)力混凝土工字型組合梁。橋面沿縱向設(shè) 2％雙向縱坡，并在橋塔處 88m長度內(nèi)設(shè)豎曲線，其半徑R＝2201.28m。塔身高107.5m（從承臺頂面算起），基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)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(jìn)行，第一階段是半裸塔縱橋向動力測試，即塔身澆筑至標(biāo)高為612.6m時(shí)（掛索前）；第二階段是全橋基本完工，主塔已達(dá)塔頂設(shè)計(jì)標(biāo)高648.00m且調(diào)索完畢。本文主要分析第一階段的實(shí)測響應(yīng)，第二階段的實(shí)測響應(yīng)分析見另文。
為使實(shí)測達(dá)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(shí)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(jìn)行激振，激振方式屬單點(diǎn)同步多激。激振器安裝在標(biāo)高為602.6m的塔身外側(cè)，激振方向?yàn)檠貥虻目v向從思茅岸向景洪岸激勵，激振力為48kN，作用時(shí)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(shí)測前已通過試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)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(diǎn)處的振動響應(yīng)信號和力信號。激振器的位置及測點(diǎn)布置見半裸塔測點(diǎn)布置圖1。激振后的振動響應(yīng)信號可在現(xiàn)場利用CF-920FFT分析儀進(jìn)行初步分析和監(jiān)控，同時(shí)利用磁帶機(jī)把振動信號記錄在磁帶上保存。做完試驗(yàn)后，將記錄的數(shù)據(jù)信號輸送CF-920FFT分析儀中進(jìn)行仔細(xì)回放處理，即可對現(xiàn)場實(shí)測的各點(diǎn)振動響應(yīng)信號進(jìn)行各種專項(xiàng)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(dāng)于一個矩形脈沖波，激勵時(shí)間為100ms，為了識別結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，得到符合實(shí)際情況的試驗(yàn)結(jié)果，需要對各位移傳感器檢測到的輸出信號進(jìn)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(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時(shí)，由于阻尼很小，可忽略不計(jì)，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(jì)分析為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對于單個記錄時(shí)間歷程X（t）（考慮時(shí)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(yīng)信號進(jìn)行了功率譜分析，得出半裸塔結(jié)構(gòu)縱橋向振動時(shí)的前三階固有頻率：f1=1.3Hz，f2=3.6Hz，f3=4.45Hz，其中測點(diǎn)14（見圖1）的功率譜及對應(yīng)的時(shí)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(yīng)之間存在一定的傳遞關(guān)系。傳遞數(shù)可以簡單地用下面的關(guān)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(fù)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(guān)的動態(tài)特性所決定的一個物理量。當(dāng)初始條件為零時(shí)，上列關(guān)系式可寫為

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

因?yàn)閥(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(yīng)函數(shù)，它反映了系統(tǒng)對輸入的響應(yīng)特性。
測點(diǎn)14的傳遞函數(shù)圖形見圖4，對應(yīng)于實(shí)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(diǎn)的傳遞函數(shù)對應(yīng)頻率為人時(shí)的虛部峰值進(jìn)行規(guī)一化，即為頻率fi時(shí)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(guān)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(diǎn)14的相干函數(shù)見圖4。由圖可見，各點(diǎn)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(dá)到了試驗(yàn)要求。


三、測試與有限邊界元【2】計(jì)算的動力參數(shù)比較
實(shí)測前，按兩種力學(xué)模型計(jì)算主塔施工到612.60m（稱作半裸塔）時(shí)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(chǔ)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(xué)模型計(jì)算時(shí)，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(jì)算出該體系的動力特性。實(shí)際地基土邊界元系數(shù)是根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)（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(jì)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(jì)算模式不同，計(jì)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(shí)測值較為接近。根據(jù)該動力特性參數(shù)進(jìn)行的響應(yīng)譜分析結(jié)果，可為該橋的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)、火箭式激振器用于實(shí)橋水平向可控激勵、采用單點(diǎn)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(shí)測結(jié)果為該橋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所假定的計(jì)算參數(shù)提供了有力的證據(jù)。
（3）依據(jù)實(shí)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。

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