基于動(dòng)力性能指標(biāo)的巴東大橋震后工作狀態(tài)評估

李海玉,黃榮華,邱亞芬

(1.湖北省恩施州交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,恩施 44500;2.巴東長江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

基于動(dòng)力性能指標(biāo)的巴東大橋震后工作狀態(tài)評估

李海玉1,黃榮華2,邱亞芬3

(1.湖北省恩施州交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,恩施 44500;2.巴東長江公路大橋管理局,巴東 443000; 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

如今大跨度橋梁的應(yīng)用越來越廣泛,其結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和工作狀態(tài)的評估已成為當(dāng)今土木工程界研究的熱點(diǎn)。近幾年來,隨著振動(dòng)測試、模態(tài)分析、動(dòng)力識別等技術(shù)的不斷發(fā)展,為橋梁工作狀態(tài)評估提供了可靠依據(jù)。該文以2013年12月16號發(fā)生過地震的巴東長江公路大橋?yàn)檠芯勘尘?采用環(huán)境隨機(jī)激振法,對橋梁進(jìn)行基于動(dòng)力性能指標(biāo)的振動(dòng)測試,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)識別技術(shù)得到被測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,進(jìn)而利用動(dòng)力性能指標(biāo)對大橋震后的工作狀態(tài)進(jìn)行評估。

大跨度橋梁; 狀態(tài)評估; 環(huán)境隨機(jī)激振法; 動(dòng)力性能指標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)水平的提高,我國橋梁建設(shè)取得了令人矚目的成就。然而我們卻會面臨新的挑戰(zhàn),即有越來越多的公路橋梁出現(xiàn)耐久性降低和承載力不足等問題。特別是在遭遇自然災(zāi)害后,橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修和加固等方面的問題愈發(fā)不容忽視。2013年12月16日13時(shí)04分,巴東縣東瀼口鎮(zhèn)(北緯31.1 度,東經(jīng)110.4度)發(fā)生4.8級地震,震源深度5 000 m,隨后發(fā)生多次余震。受地震作用,巴東長江大橋有明顯結(jié)構(gòu)響應(yīng),有必要對震后的橋梁工作狀態(tài)進(jìn)行檢測評定。目前常用于橋梁結(jié)構(gòu)評定方法[5]主要有基于外觀調(diào)查評定法、以設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)的驗(yàn)算評定法、荷載試驗(yàn)評定法、承載能力的精細(xì)有限元模擬分析等,而該文則采用了基于動(dòng)力測試指標(biāo)的方法,對主跨為388 m的巴東長江公路大橋進(jìn)行了振動(dòng)測試,并與震前的振動(dòng)測試記錄進(jìn)行對比研究,評估其震后工作狀態(tài)。

1 基于動(dòng)力測試的橋梁結(jié)構(gòu)評定思想

采用基于動(dòng)力測試的橋梁損傷與評估理論的基本思想[3]在于:結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)如幾何尺寸、材料特性等的變化必然會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改變,因此可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測動(dòng)力特性來反演結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變。動(dòng)力檢測因具有測試速度快,對結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生新的損傷,能夠?qū)崟r(shí)檢測,在總體上把握結(jié)構(gòu)的形態(tài)等突出優(yōu)點(diǎn)而經(jīng)常用于損傷識別。動(dòng)力識別方法[3]按照有無激振輸入可分為有激振動(dòng)力識別和無激振動(dòng)力識別。按照有無基準(zhǔn)參照可分為:依據(jù)有限元模型動(dòng)力識別和無有限元模型動(dòng)力識別。按照動(dòng)力識別所采用的不同識別方法及特定動(dòng)力參數(shù)可分為:基于模態(tài)參數(shù)的損傷準(zhǔn)則及指標(biāo)法、結(jié)構(gòu)模型修正法、時(shí)域響應(yīng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法識別法,以及其他一些方法。此次采用的是環(huán)境激振法(脈動(dòng)法),通過模態(tài)識別分析,根據(jù)振動(dòng)測試的結(jié)果對結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的評判,為橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修提供可靠的依據(jù)。

2 基于動(dòng)力測試的評定方法

2.1 環(huán)境激勵(lì)機(jī)理

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是其固有的性質(zhì),與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼分布及其材料特性有關(guān),動(dòng)力特性的測試方法[1]有自振法、共振法和脈動(dòng)法。其中脈動(dòng)法也稱環(huán)境隨機(jī)激振法,即結(jié)構(gòu)在環(huán)境擾動(dòng)作用下,例如自然風(fēng)、地脈動(dòng)、機(jī)器或車輛引起的擾動(dòng)等,雖然引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振幅極為微小,但脈動(dòng)響應(yīng)所包含的頻率成分相當(dāng)豐富,它不需要任何激振設(shè)備,又不受結(jié)構(gòu)形式和大小的限制,特別適用于測量結(jié)構(gòu)整體的自振特性,最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)識別分析即可得到被測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2.2 環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

巴東大橋主橋部分采用全漂浮的結(jié)構(gòu)體系,即主梁在索塔位置無豎向支撐,主梁沿縱橋向可以在一定范圍內(nèi)自由變位,同時(shí)為了限制主梁橫橋向的位移,在塔梁交界處設(shè)置主梁橫向限位裝置。根據(jù)理論分析,其各個(gè)主要自振模態(tài)的首階頻率較低。該次試驗(yàn)采用941B超低頻加速度傳感器作為拾振設(shè)備,采用DH5922數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。通過在橋梁適當(dāng)位置布置測點(diǎn)并采樣,在時(shí)域和頻域分析的基礎(chǔ)上得到結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼特性。

為了盡可能測出更多階振型參數(shù),可預(yù)先估算結(jié)構(gòu)振型,或分析以前的動(dòng)測試驗(yàn)結(jié)果,以便在結(jié)構(gòu)的敏感點(diǎn)布置拾振器。擬在斜拉橋主梁上兩側(cè)布置加速度傳感器,并進(jìn)行多點(diǎn)多方向的測量,測出對稱豎彎、反對稱豎彎、扭轉(zhuǎn)的各個(gè)振型。具體如下:在橋上的11個(gè)擬定測點(diǎn),各自沿主橋橫橋向、豎向,分3批次進(jìn)行布設(shè),橋面測點(diǎn)布置如圖1所示,圖中數(shù)字表示測點(diǎn)號。測試時(shí),每次采樣時(shí)間不少于30 min。將豎向傳感器、水平向傳感器各一個(gè)放置于參考點(diǎn),作為不同批次試驗(yàn)的參考點(diǎn)且不可移動(dòng)。詳見圖1。

該次試驗(yàn)選擇在晚上進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)溫度恒定,風(fēng)速小于5 km/h。受環(huán)境干擾比較小,即振動(dòng)獲取的噪聲比較小。按計(jì)劃分3批次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,每批采集持續(xù)時(shí)間約為40 min,水平方向的傳感器擺放的朝向?yàn)閳D1中Y方向。DH5922設(shè)置為外輸入數(shù)采,采樣頻率100 Hz,傳感器DIP設(shè)為2。

2.3 評定規(guī)則

橋梁自振頻率變化能夠反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化,可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能,評價(jià)橋梁工作狀況。按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的評定方法,根據(jù)實(shí)測自振頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi的比值,按表1的規(guī)定確定自振頻率評定標(biāo)度。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖2表示第一批采集時(shí)的部分測點(diǎn)的時(shí)程。圖3～圖7橫坐標(biāo)表示時(shí)間單位為秒,縱坐標(biāo)表示振幅。

經(jīng)采用不測力法分析計(jì)算,巴東長江大橋的模態(tài)參數(shù)如表2所示。

4 結(jié) 語

目前,對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)評估是一個(gè)十分活躍且極具潛力的研究領(lǐng)域,人們對其關(guān)注度也逐漸提高。該文以巴東長江公路大橋?yàn)檠芯勘尘?以如何建立動(dòng)力評估方法為核心,對涉及到的動(dòng)力性能參數(shù)測試、數(shù)據(jù)的分析處理以及震后工作狀態(tài)綜合評定系統(tǒng)等相關(guān)問題進(jìn)行了探討與研究。通過對振動(dòng)測試的結(jié)果進(jìn)行理論、數(shù)值分析,進(jìn)行了大跨度斜拉橋震前與震后的振型、頻率、阻尼的對比,說明基于動(dòng)力性能指標(biāo)對橋梁工作狀態(tài)的評估方法是可行的。

[1] 楊雅勛.基于動(dòng)力測試的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別與綜合評估理論研究[D].西安:長安大學(xué),2008.

[2] 李詠忠.大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析及主梁損傷識別[D].南昌:南昌大學(xué),2010.

[3] 施 洲.基于動(dòng)力測試的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別及性能評定理論與應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[4] 朱勁松,肖汝誠.橋梁損傷識別的實(shí)用模型修正方法研究[J].工業(yè)建筑,2006(S1),219-224.

[5] 陸燁佳.斜拉橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營期狀態(tài)評級與安全評定方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[6] 閏桂榮,段忠東,鷗進(jìn)萍.基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息的損傷識別研究綜述[J].地震工程與工程振動(dòng),2007(3):95-103.

[7] 萬 洪,胡春林.地震荷載作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].建材世界,2009(3):106-109.

Seismic Condition Assessment of Badong Yangtze River Bridge Based on the Dynamic Index

LI Hɑi-yu1,HUAGN Rong-huɑ2,QIU Yɑ-fen3
(1.Supervising Station of Transport Infrastructure in Enshi Prefecture of Hubei Province,Enshi 445000,China; 2.Badong Yangtze River Bridge Authority,Badong 443000,China;3.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Nowadays,with the application of long-span bridges is becoming more and more widely,the study of structural health monitoring and condition assessment of bridges has become hot issues in civil engineering.In recent years,along with the continuous development of the technologies such as vibration test,modal analysis,dynamic identification and so on provide a reliable basis for the bridge condition evaluation.The paper takes the Badong Yangtze River Bridge which had earthquaked on December 16,2013 as the reach background.We use the environmental random excitation method of the bridge,having a vibration test based on dynamic performance index and getting structures'dynamic characteristics through computers with modal identification technology.Then we can evaluate the seismic working state of the bridge in the use of dynamic performance index.

long-span bridge; condition assessment; environmental random excitation method; dynamic performance index

2014-05-09.

李海玉(1987-),工程師.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.023