基于动力性能指标的巴东大桥震后工作状态评估

李海玉,黄荣华,邱亚芬

(1.湖北省恩施州交通基本建设质量监督站,恩施 44500;2.巴东长江公路大桥管理局,巴东 443000; 3.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070)

基于动力性能指标的巴东大桥震后工作状态评估

李海玉1,黄荣华2,邱亚芬3

(1.湖北省恩施州交通基本建设质量监督站,恩施 44500;2.巴东长江公路大桥管理局,巴东 443000; 3.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070)

如今大跨度桥梁的应用越来越广泛,其结构的健康监测和工作状态的评估已成为当今土木工程界研究的热点。近几年来,随着振动测试、模态分析、动力识别等技术的不断发展,为桥梁工作状态评估提供了可靠依据。该文以2013年12月16号发生过地震的巴东长江公路大桥为研究背景,采用环境随机激振法,对桥梁进行基于动力性能指标的振动测试,通过计算机进行模态识别技术得到被测结构的动力特性,进而利用动力性能指标对大桥震后的工作状态进行评估。

大跨度桥梁; 状态评估; 环境随机激振法; 动力性能指标

随着科学技术的进步和工业水平的提高,我国桥梁建设取得了令人瞩目的成就。然而我们却会面临新的挑战,即有越来越多的公路桥梁出现耐久性降低和承载力不足等问题。特别是在遭遇自然灾害后,桥梁的养护、维修和加固等方面的问题愈发不容忽视。2013年12月16日13时04分,巴东县东瀼口镇(北纬31.1 度,东经110.4度)发生4.8级地震,震源深度5 000 m,随后发生多次余震。受地震作用,巴东长江大桥有明显结构响应,有必要对震后的桥梁工作状态进行检测评定。目前常用于桥梁结构评定方法[5]主要有基于外观调查评定法、以设计规范为基础的验算评定法、荷载试验评定法、承载能力的精细有限元模拟分析等,而该文则采用了基于动力测试指标的方法,对主跨为388 m的巴东长江公路大桥进行了振动测试,并与震前的振动测试记录进行对比研究,评估其震后工作状态。

1 基于动力测试的桥梁结构评定思想

采用基于动力测试的桥梁损伤与评估理论的基本思想[3]在于:结构的物理参数如几何尺寸、材料特性等的变化必然会导致结构动力特性的改变,因此可以根据结构的实测动力特性来反演结构物理参数的改变。动力检测因具有测试速度快,对结构不会产生新的损伤,能够实时检测,在总体上把握结构的形态等突出优点而经常用于损伤识别。动力识别方法[3]按照有无激振输入可分为有激振动力识别和无激振动力识别。按照有无基准参照可分为:依据有限元模型动力识别和无有限元模型动力识别。按照动力识别所采用的不同识别方法及特定动力参数可分为:基于模态参数的损伤准则及指标法、结构模型修正法、时域响应法、神经网络与遗传算法识别法,以及其他一些方法。此次采用的是环境激振法(脉动法),通过模态识别分析,根据振动测试的结果对结构的性能进行结构性能的评判,为桥梁结构的养护维修提供可靠的依据。

2 基于动力测试的评定方法

2.1 环境激励机理

桥梁结构的动力特性是其固有的性质,与结构的质量、刚度、阻尼分布及其材料特性有关,动力特性的测试方法[1]有自振法、共振法和脉动法。其中脉动法也称环境随机激振法,即结构在环境扰动作用下,例如自然风、地脉动、机器或车辆引起的扰动等,虽然引起结构振动的振幅极为微小,但脉动响应所包含的频率成分相当丰富,它不需要任何激振设备,又不受结构形式和大小的限制,特别适用于测量结构整体的自振特性,最后通过计算机进行模态识别分析即可得到被测结构的动力特性。

2.2 环境激励试验设计

巴东大桥主桥部分采用全漂浮的结构体系,即主梁在索塔位置无竖向支撑,主梁沿纵桥向可以在一定范围内自由变位,同时为了限制主梁横桥向的位移,在塔梁交界处设置主梁横向限位装置。根据理论分析,其各个主要自振模态的首阶频率较低。该次试验采用941B超低频加速度传感器作为拾振设备,采用DH5922数据采集和分析系统进行数据采集与分析。通过在桥梁适当位置布置测点并采样,在时域和频域分析的基础上得到结构的频率、振型和阻尼特性。

为了尽可能测出更多阶振型参数,可预先估算结构振型,或分析以前的动测试验结果,以便在结构的敏感点布置拾振器。拟在斜拉桥主梁上两侧布置加速度传感器,并进行多点多方向的测量,测出对称竖弯、反对称竖弯、扭转的各个振型。具体如下:在桥上的11个拟定测点,各自沿主桥横桥向、竖向,分3批次进行布设,桥面测点布置如图1所示,图中数字表示测点号。测试时,每次采样时间不少于30 min。将竖向传感器、水平向传感器各一个放置于参考点,作为不同批次试验的参考点且不可移动。详见图1。

该次试验选择在晚上进行,试验时温度恒定,风速小于5 km/h。受环境干扰比较小,即振动获取的噪声比较小。按计划分3批次进行数据采集,每批采集持续时间约为40 min,水平方向的传感器摆放的朝向为图1中Y方向。DH5922设置为外输入数采,采样频率100 Hz,传感器DIP设为2。

2.3 评定规则

桥梁自振频率变化能够反映结构整体性能和受力体系的改变。通过测试桥梁自振频率的变化,可以分析桥梁结构性能,评价桥梁工作状况。按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的评定方法,根据实测自振频率fmi与理论计算频率fdi的比值,按表1的规定确定自振频率评定标度。

3 实验数据及分析

图2表示第一批采集时的部分测点的时程。图3～图7横坐标表示时间单位为秒,纵坐标表示振幅。

经采用不测力法分析计算,巴东长江大桥的模态参数如表2所示。

4 结 语

目前,对桥梁结构的工作状态评估是一个十分活跃且极具潜力的研究领域,人们对其关注度也逐渐提高。该文以巴东长江公路大桥为研究背景,以如何建立动力评估方法为核心,对涉及到的动力性能参数测试、数据的分析处理以及震后工作状态综合评定系统等相关问题进行了探讨与研究。通过对振动测试的结果进行理论、数值分析,进行了大跨度斜拉桥震前与震后的振型、频率、阻尼的对比,说明基于动力性能指标对桥梁工作状态的评估方法是可行的。

[1] 杨雅勋.基于动力测试的桥梁结构损伤识别与综合评估理论研究[D].西安:长安大学,2008.

[2] 李咏忠.大跨度斜拉桥动力特性分析及主梁损伤识别[D].南昌:南昌大学,2010.

[3] 施 洲.基于动力测试的桥梁结构损伤识别及性能评定理论与应用研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[4] 朱劲松,肖汝诚.桥梁损伤识别的实用模型修正方法研究[J].工业建筑,2006(S1),219-224.

[5] 陆烨佳.斜拉桥结构运营期状态评级与安全评定方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[6] 闰桂荣,段忠东,鸥进萍.基于结构振动信息的损伤识别研究综述[J].地震工程与工程振动,2007(3):95-103.

[7] 万 洪,胡春林.地震荷载作用下岩质边坡稳定性分析[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-),工程师.E-mail:jiancaisj@263.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.023