弹性支承简跨预制预应力混凝土桥的动力试验

1工程概况

地震作为一种动荷载，会对基础设施造成破坏，结构健康监测系统应作为建筑物维护的一部分定期进行监测。

动力试验是评估建筑物健康性能的一种方法，动力试验包括三种类型：环境振动试验、强迫振动试验、自由振动试验。由于经济原因，有限元模型已被广泛用于大型结构的动力特性分析。

随着试验工具的发展，现有结构的健康评估更加经济，并且可以很容易地检测到损害。偏心质量激振器（以下简称EMS）是一种用于大型建筑物激振的创新工具，通常被称为强迫振动试验（以下简 称FVTs）。

动力试验常被用来获得结构的动力参数包括固有频率、模态振型和阻尼比。通过分析固有频率的下降情况，可以将固有频率作为检测结构损伤的指标，下降5?%或更多表示发生破坏，已经有学者研究使用FVTs和试验模态分析来检测现有结构的损伤。

在我国，现场测试常使用车辆将动力刺激作用于一座大桥，但价格昂贵。作为桥梁健康监测的一部分对某高架桥利用EMS进行FVTs。它是一座预应力预制混凝土桥梁，采用弹性支座支撑，现场测试中使用的EMS如图1所示。

图1偏心质量激振器

2研究方法

该桥是一座高架公路桥梁，采用高强度PC–I 混凝土梁，梁深230?cm。梁通过橡胶支座安装在一个4m宽的桥墩上。图2是桥的侧视图。采用ANCOMK–139–10 EMS对桥进行正弦激振，可在水平方向和垂直方向施力，最大施力可达100kN。EMS被放置在桥的中间，这也是桥的中心刚度，同时，加速度计位于桥柱上（传感器AC1）和桥跨中间（传感器AC4）。

图2某高架桥侧面示意

本研究是基于有限元分析的最大响应发生的地方。为了确定弹性体的传递率，在弹性支承垫的顶部和底部分别放置了两个加速度计AC3和AC2。加速器可以捕捉结构在纵向、横向和垂直方向各方向上的响应，而位于桥面底部的振动计只能通过激光来测量桥的纵向方向。试验进行了两次，以测量柱paH和柱PaI的反应。图3是柱PaH的测试装置布置。

图3柱PaH测试装置示意

加速度计和振动计采集到的响应为时域加速度，然后通过SIGVIEW软件基于快速傅里叶变换（以下简称FFT）将时域加速度转换为频域加速度，结构的固有频率是通过观察频率响应函数（以下简称FRF）的峰值频率得到的。频率响应函数上出现的第一个峰值是第一阶模态的固有频率。同时，对于频域数据，可采用半功率带宽法确定阻尼比；对于时域数据，可采用对数衰减法确定阻尼比。

试验前使用SAP?2000进行三维有限元建模建立不同的模型如图4所示，图4（a）包括42m深度基础的完整模型，图4（b）是没有基础底部固定约束的模型。其目的是通过比较动态参数来寻找哪一个结果与实测值最接近。PC–I字梁、墩头和支柱建模采用框架单元，支承垫采用连杆单元，桩和承台分别采用框架单元和壳单元。混凝土强度为30MPa，工字梁强度70MPa，质量源包括沥青、护栏和女儿墙，利用有限元分析的结果，根据分析得到的模态振型对传感器进行定位。

（a）                          （b）

图43D有限元模型

（a）有基础模型；（b）无基础模型

3结果和讨论

3.1振型和固有频率

图5、图6显示了不同模型下（有基础和无基础）桥梁的模态，可以看出，二者模态相似，但固有频率不同。下文提到的频率是来自加速度计和振动计的平均数据，是快速傅里叶变换的结果。图7显示了振动计在时域记录的数据示例以及转换到频域后的结果，表1是从两个模型获得频率的比较。假设底部固定约束，而不考虑基础，会导致结构刚度更大，因此频率高于考虑了基础的模型。两种有限元模型的频率都低于测试结果，但是固定约束给出了最接近的结果，偏差为8.5%，而考虑基础建模的模型偏差为22.89%，这表明EMS产生的力不足以使基础振动，因此没有考虑基础模型的桥梁更接近试验结果。

（a）                       （b）

图5有基础模型的模态

（a）第一垂直模态；（b）第一纵向模态

（b）

图6无基础模型的模态

（a）第一垂直模态；（b）第一纵向模态

（b）

图7由振动计记录的时域响应和频率

（a）时域响应；（b）频率

表1有限元分析与试验结果的固有频率比较

如上所述，进行两次动态测试，首先，所有传感器都位于PaH柱上，之后所有传感器都被移动到PaI柱。表2显示了从两次测量中获得的固有频率，两次测量的结果非常接近，原因是结构为对称的，而且测试结果也是有效的，因此它可以代表真实的情况。

表2试验获得的振型和固有频率

3.2阻尼比

表3显示了试验结果获得阻尼比的两种方法，半功率带宽法和对数衰减法，两种方法的结果略有不同。使用对数衰减法和半功率带宽法的两次测量的平均阻尼比分别为2.32%和1.92%，在建议的预应力混凝土阻尼比为2%~3%。

表3试验结果获得的阻尼比

3.3弹性支承垫的传递率

弹性支承垫可以水平旋转，并提供横向剪切运动，这是用于建造大跨度桥梁和建筑物的最经济的解决方案。如图8所示，两个加速度计（AC2和AC3）靠近支承垫布置，用来测量支承垫的传递率。加速度计AC4和AC1分别位于桥面和支柱。AC1、AC2、AC3和AC4这4次测量的时域加速度幅值，总结见表4。为了便于观察振幅的减小，表4中加速度计传感器的顺序是根据其在桥上高度进行排列的，AC4在顶部（桥面）最高，AC1在底部（支柱）最低。弹性轴承可以降低从桥梁上部到下部结构的加速度幅度。从AC3到AC2，PaI减少约为54.96?%，而PaH的减少为60.27?%。

图8加速度计AC2和AC3

表4PaH柱上的加速度计响应

4结束语

利用偏心质量激振器对某高架预制预应力桥梁进行强迫振动试验成功地识别了该桥的第一垂直模态和第一纵向模态。第一垂直模态固有频率为2.17Hz，第一纵向模态固有频率为8.06Hz。试验结果获得的频率略高于有限元分析的结果，这也说明实际结构比有限元模型的刚度大。平均阻尼比为2.12%，在预应力混凝土阻尼比在建议范围2%~3%。试验结果与不考虑基础建模的三维有限元模型较为接近，固有频率与试验结果的偏差为8.50%，弹性轴承有效地降低了从上到下结构的加速度，最高可降低57.42%。