孙超群 同济大学

1 模态试验概述

目前，在桥梁上的模态试验一般有2种，强迫振动试验和环境振动试验，然而强迫振动试验尽管试验结果可信度高，但是施加激励花费代价大，而且需要关闭交通，因此大跨度桥梁模态试验技术一般都是采用了环境激励的试验方法。然而它仅能测得环境振动响应的输出数据，真正的输入情况是未知的。目前对其模态参数进行识别的方法：一般用较为简单的频域识别的峰值法，它对环境随机载荷特性作了一些假定，简单、实用、快捷。而模态试验得到的动力特性参数（自振频率、阻尼、振型），可以用来确定或者改进结构的计算模型，使其更接近实际结构的受力特性和边界条件，更进一步，它也可以用来对结构进行安全评估和健康监测。

2 桥梁概况

阜淮线淮河特大桥是一座3×96 m三跨连续公铁两用桥梁，桁高12.8 m，节间距为8 m，主桁中心距为10 m；公路桥面宽11 m，两侧各设1.5 m人行道，正桥结构主要采用16 Mnq和相当于16 Mnq的钢材，主桁杆件采用H型截面。固定支座设于27#墩，其余墩设置活动支座。全桥实景图如图1所示。

图1 淮河特大桥全桥实景图

3 试验桥模态测试

3.1 测试理论

脉动测试理论：在被激励点k的激励力fk(jw)未知，而仅已知结构上任意点j的位置位移响应xj(jw)的前提下，定义参考点p的位移响应xp(jw)与xj(jw)的比值为响应传递率aj(jw)（可直接测得）。根据xj(jw)、xp(jw)以及传递函数HJK(jw)的关系，建立aj(jw)与HJK(jw)的近似关系式。

3.2 测试方案

测试方法采用固定参考点移动测试点的模态试验法（简称UINO），它采用具有多通道的采集仪，用分组成批的测量方法，1次测量4点，每点包含竖向和横桥向拾振器，如图2所示。参考点设在右片桁架下弦中跨跨中位置，即测点21位置，全桥共设有148个测点，如图3所示。振动信号采集系统采用941-B型6通道超低频和DLF-3型两通道四合一放大器，由中国地震局工程力学研究所生产；动态信号测试分析系统AZ316，南京安正软件工程有限责任公司生产。桥梁模态参数通过联合采用互功率谱（PSD）法和峰值拾取法来识别。

图2 钢桁梁结构模态试验测点布置图

图3 在节点处安放的测点拾振器

4 结果对比分析

4.1 桥梁的空间有限元模型

对该三跨连续钢桁梁空间有限元模型的建模中，考虑了公路纵梁和桥面板的受力，使用了梁、壳和质量三种单元。主桁、上下平联、铁路、公路纵横梁及联结系、楣杆和桥门架用三维梁单元模拟，梁单元的截面特性的计算考虑了填板及焊缝等的影响；公路桥面板用壳单元模拟；主桁各个节点处节点板、填板等的质量用质量单元来模拟。铁路桥面的质量赋予铁路桥面系，采用增大材料的密度来实现。未考虑桥梁下部结构的影响。全桥共有2001个节点和4442个单元。各部分属性依据设计资料和规范取值(见图4)。

图4 淮河铁路特大桥的空间有限元模型

4.2 实测与模型计算结果对比分析

试验桥自振频率的部分实测值、计算值比较见表1；图5为试验桥前数阶振型实测（左）和计算（右）结果。分析表1和图5可得：(1)理论计算值都小于实测值，说明实际桥梁刚度大，桥梁工作状态良好。(2)实测值和理论计算值接近，说明计算模型和实际结构受力基本一致，验证了模态试验结果的可靠性及有限元模型的合理性。(3)从图5中可以看出，实测与理论曲线大致相符，但横向1阶和2阶振型差别较大，其原因与参考点在该模态下相对振幅小，信噪比较小有关。(4)随着振型阶次的提高，逐渐产生了横向弯曲和扭转耦合的振型。

表1 试验桥固有特性实测值与理论计算值对比

图5（a） 1阶试验振型和计算振型对比

图5（b） 2阶试验振型和计算振型对比

图5（c） 3阶试验振型和计算振型对比

图5（d） 4阶试验振型和计算振型对比

5 结论

(1)理论计算值都小于实测值，说明桥梁实际刚度大，桥梁工作状态良好。

(2)试验桥的自振频率实空间有限元计算值和测值较接近，误差在试验和工程允许范围内；且相应的振型出现先后顺序和形状吻合良好。不仅说明了利用环境激励下的脉动测试法可成功进行三跨连续钢桁梁的模态试验，同时也证明了建立的有限元计算模型能较好地模拟结构实际的受力与边界约束条件。

(3)本桥建模时，对杆件截面特性的模拟考虑了焊缝及填板等细节的影响，符合桥梁实际工作状态。

(4)该桥的振动以一阶横向弯曲为主，随着振型阶次的提高，逐渐产生了横向弯曲和扭转耦合的振型。