王洁WANG Jie

（重庆交通大学，重庆 400074）

（Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

1 刘江黄河大桥主桥概况

刘江黄河大桥是京港澳高速公路的关键工程，全长近10km，双向八车道高速公路设计。主桥采用8×100m 下承式钢管混凝土系杆拱桥，上下行分离，双向8 车道。单幅桥面净宽21m，主桥每跨两墩中心距100m，计算跨度95.5m，矢跨比1/4.5。采用悬链拱轴线，拱轴系数1.347[1]。

上部结构上下行为分离式的两座桥。每座桥有两片拱肋，每片拱肋采用两根Ф1000×16mm 焊接钢管，之间用两块厚16mm 腹板焊接形成高2.4m、宽l.1m 的双哑铃型断面。为加强拱肋的横向联系，保证桥梁的横向稳定性，由三道横撑联系两拱肋，形成空间结构。

吊杆采用91 根Ф7mm 镀锌高强钢丝，双层PE 保护，采用OVM 冷铸镦头锚。每跨设12 对吊杆，吊杆纵桥向间距7.1m。

系梁、端横梁采用预应力混凝土箱梁，中横梁采用预应力混凝土工字形组合梁，两端与预应力钢筋混凝土箱形截面系杆梁整浇在一起，系杆梁通过吊杆悬吊在钢管混凝土拱肋上。桥面板为普通钢筋混凝土Π 形板，上铺80mm厚钢筋混凝土现浇铺装层。

主桥下部结构为空心墩，群桩基础。当柱高在7m 以上时，桩顶设置横梁系，桥面横坡由桩柱调整。

2 环境振动下的系统识别

2.1 系统识别的概念及原理 桥梁、高层建筑等工程结构可视为“系统”，“识别”则意味着由静力、动力实验数据求得结构的静力、动力特性。这些实测的结构静力、动力特性可作为结构有限元模型修正、结构损伤检测、结构状态评定、结构控制和结构实时监测的基础。

系统识别的基本原理是建立在已知系统的输出和输入来求得频率响应函数（频域）或脉冲响应函数（时域），从而实现对系统特性的识别[2]。对工程结构而言，结构振动响应可以由安置在结构各部位的传感器采集得到，现场实验条件、结构的复杂性和实测数据质量等因素往往会限制一些激振设备的使用。对刘江黄河大桥进行振动测试，必须是在开放交通的条件下，用环境激励引起的振动对结构系统进行识别很好地满足这一要求。为消除非激励因素导致的干扰成分，应保证原始数据采集的足够长，保证足够多的平均次数。

2.2 系统识别方法 目前常用的一些环境振动系统识别方法有：基于功率谱密度的峰值法、基于离散时间数据的ARMA 模型、自然激励技术（NEXT）和随机子空间法等[3]。在进行刘江黄河大桥主桥工作条件下的环境振动试验采用频域识别的峰值法和时域识别的随机子空间方法，分析该主桥的动力特性，并对计算结果进行分析比较。

2.2.1 峰值法 峰值法是一种简单的识别结构模态参数的方法，基于结构自振频率在其频率响应函数上会出现峰值，能通过峰值较好地估计结构的特征频率。特征频率仅由平均正则化了的功率谱密度（ANPS-Ds）曲线上的峰值来确定，功率谱密度是用离散傅里叶变换（DFT）将实测加速度数据转换到频域后直接求得。振型分量由传递函数在特征频率处的值确定。峰值法是一种频域识别方法，计算简单且处理速度快。但峰值法也存在不足：①仅限于实模态和比例阻尼结构；②阻尼估计结果可信度不高；③峰值的摄取往往是主观的；④峰值法得到的是工作挠曲形状而不是振型。

2.2.2 随机子空间法

结构系统可以被描述成如下状态方程：

另一方面，系统的输出矢量可以写成系统状态的线性组合形式

以上两公式构成了一个动力学系统的连续时间状态空间模型[4]，在引入各种假定及系统的不确定性后，得到环境振动时域内系统识别的基本方程：

随机子空间识别算法是用以上方程实现环境振动系统识别较为先进的方法。其核心是把“将来”输出的行空间投影到“过去”输出的行空间上，投影的结果是保留了“过去”的全部信息，并用此预测“将来”。

3 刘江黄河大桥环境振动试验

3.1 试验仪器 刘江黄河大桥主桥环境振动测试采用中国地震局工程力学研究所生产的891-4 型拾震器，根据需要测定测点的加速度、速度或位移参量。桥梁振动信号通过信号线、放大器和USB 口连接到笔记本电脑，用动力数据测试系统进行采集和记录。

3.2 试验测点布置 刘江黄河大桥主桥共有8 跨，且上下行分离，相当于由16 座简支下承式钢管混凝土拱桥组成，它们除坡度不同外，其它尺寸均相同。为此，选取其中郑州至新乡方向第6 跨进行动力测试和分析。在拱脚支座和刚性系杆上每根吊杆的位置布置加速度传感器，在测点2、3 位置处设置参照点。

3.3 测试结果及结论分析 将试验所测数据导入相关模型系统，分别用频域识别的峰值法和时域识别的随机子空间法对测试信号进行分析，得到64Hz、128Hz 频率下竖向、横向加速度响应振动稳定图，横向、竖向、扭转、桥面前10 阶振型图，两种模型下的桥梁自振频率等。实测桥梁动力特性与数值模拟值比较如表1。

由各阶振型图得知，刘江黄河大桥主桥竖向二阶和扭转振动对该桥吊杆的损伤比较敏感，同时吊杆的损伤对桥面横向振动影响也较大。由表1，主桥结构竖向二阶、桥面横向振动自振频率计算值与实测值分别相差-0.603%和4.3349%，误差相对较小。

通过振型图可看出，实测模拟振型与通过结构理论得到的振型基本相似，能够比较好的表现该桥目前的运行状况，初步推知刘江黄河大桥主桥整体结构基本处于完好状态。

峰值法和随机子空间结构法模拟出来的该桥各阶自振频率走势与桥梁完好状态下计算出的自振频率是一致的，说明在不中断繁忙的正常交通情况下所进行的环境激励振动试验是成功的。

同时，可看到结构扭转频率的实测值与计算值误差相对较大，可能为部分吊杆承载能力下降所造成的，应进一步对全桥吊杆的索力进行检测，保证桥梁的通行安全。

[1]李玉亭，刘国杰，等.新乡至郑州高速公路竣工验收文件[Z].河南省新乡至郑州高速公路建设有限公司，2010.

[2]任伟新.环境振动系统识别方法的比较分析[J].福州大学学报（自然科学版），2001，29（6）：80-88.

[3]刘宇飞，辛克贵，樊建生，等.环境激励下结构模态参数识别方法综述[J].工程力学，2014，31（4）：46-52.

[4]陶杰.基于随机子空间方法的结构模态分析及损伤识别[D].重庆大学.