某双跨公路桥结构动力特性测试原理与分析.pdf

! ! i 星至曼翼壑些丝墨羔叁姜丝竺丝主墅錾差量叁 某双跨公路桥结构动力特性测试原理与分析 高天明 ( 西安长庆地产集团有限公司) 摘要：本文对处于厂区核心区的双跨混凝土简支粱 公路桥动力特性测试提出测试方案。并对测试原理。主要 记录仪器应用原理，使用注意事项作了分析、简述，以及 测试与分析结果。可为其它同类型的桥梁测试提供参考。 关键词：双跨；动力测试；混凝土桥 中图分类号：U 4 4 1文献标识码：B 文章编号：1 6 7 2 4 0 1 1 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 1 7 6 0 3 O 前言 某矿厂办公楼前有一座7 0 年代建造的双跨混凝土简支 梁公路桥。因为地处办公区域，人流来往密集，且自建造 以来未曾进行过检测加固。故分别对桥的振幅、自振频率 等参数进行量测。为该厂此桥结构加固设计提供技术依据。 l 结构动力特性测试原理与仪器 1 1 测试原理 结构的动力特性包括结构的自振频率、阻尼、振型等 参数。这些参数决定于结构的形式、剐度、质量分布、材 料特性及构造连接等因素，而与外荷载无关。结构的动力 特性是进行结构抗震计算、解决工程共振问题及诊断结构 累积损伤的基本依据。本文使用自由振动法对该桥进行结 构的动力特性测试。 自由振动法通过某种方式使结构产生自由振动，再用 记录仪记下结构自由振动衰减曲线，根据该曲线即可求得 结构的基本频率和阻尼系数。 使结构产生自由振动的方法有多种，通常可以采用突 加荷载或突卸荷载的方法。例如对于有吊车的工业厂房， 可以利用小车突然刹车制动，引起厂房横向自由振动；对 于一些构件和体积较小的结构可以采用捶击法；对于体积 较大的结构可以采用初位移法。 采用自由振动法时，拾振器一般布置在振幅较大处， 要避开某些杆件的局部振动。最好在结构物纵向和横向多 布置几个点，以观察结构整体振动情况。 ， 弋 膈八入久一 0 Vr 巡_ v 一。 7 r 图1自由振动时间历程曲线 实测得到的自由振动衰减曲线如图1 所示。从该记录 图上可以直接根据时间信号得到结构的基本频率。为了消 作者简介：高天明( 1 9 7 9 一) ，男，汉族，甘肃省镇原县人，工程师，大学 本科。 除荷载影响，最初的一、二个波一般不用。同时，为了提 高精确度，可以取若干个波的总时间除以波数得出的平均 值作为基本周期，其倒数即为基本频率。 1 2 测试仪器 在结构动力特性实测中，选用了北京东方研究所，研 制生产的8 9 1 型测振仪，其中包括五个拾振器，一台 D L F 放大器，频响范围0 5 1 0 0 H z 。分析处理部分为一套 I N V 3 0 6 型智能信号采集处理分析系统。其中包括一台1 6 线智能信号采集仪和通用笔记本电脑。本套系统用微机通 过“东方科长”和“D A S P ”大型软件，进行现场监测示波，数 据波形记录，以及信号处理，计算分析，最后进行数据和 图象输出。测试系统的配套联接如图2 所示。 愕 篓匡 厅 嚆 图2 测试仪器结构连接图 打 印 机 1 2 1 拾振器 拾振器是将机械振动信号转变为电信号的敏感元件， 本次测试使用的是磁电式拾振器。它的特点是灵敏度高、 性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有一定的宽度。拾 振器在工作时，磁钢和壳体固定安装在所测结构上，与结 构一起振动芯轴与线圈组成传感器的可动系统( 质量块) 并 由簧片和壳体连接，测振时惯性质量块和仪器壳体相对移 动，因而线圈和磁钢也相对位移从而产生感应电动势，根 据电磁感应定律，感应电动势E 的大小正比于切割磁力线 的线圈匝数和通过此线圈中磁通量的变化率。如果以振动 体的速度表示感应电动势的大小，则可以表达为： E = B L n v 式中曰一线圈所在磁钢间隙的磁感应强度； 卜每匝线圈的平均长度； n 一线圈匝数； t 一线圈相对于磁钢的运动速度，亦即所测振动物体的 振动速度。 从上式可以看出对于确定的仪器系统B L n 均为常量，所 以感应电动势E 即测振传感器的输出电压与所测振动的速 度成正比。拾振器反映的信号通过记录仪来进行采集。 1 2 2 智能信号采集仪 瞬态记录仪是一种数据采集设备。被测信号通过适当 的放大或衰减后，送到模数转换器( A D 转换器) ，将输入 的模拟信号数字化。数字化包括采集、量化两个过程，转 换为二进制代码后即被送入数字存储器。采集一量化一存 万方数据 储不断重复。整个过程受逻辑电路控制。转换速度则由定 时电路控制，触发信号可来自外部也可以取自内部，即所 谓外触发和内触发，存储过程也就是记录过程。存储的数 据信息可以反复读出，通过数字接口送往计算机处理，也 可经数模转换器( D A 转换器) 还原成模拟信号，再送入示 波器或其他记录仪显示所测信号波形。 1 2 3 记录软件D A S P D A S P 是大规模数据采集和信号处理系统的简称。它可 以进行动力特性等的测试的数据采集，同时可以进行各种 数据处理，如频率、振幅，可以做单踪、多踪时域分析， 自谱、互谱函数分析，以及模态分析等等。 2 结构动应变测试原理与仪器 2 1 测试原理与方法 结构在外力作用下，内部产生应力，不同部位的应力 值是评定结构工作状态的重要指标，也是建立理论的重要 依据。直接测定构件截面的应力值目前还没有较好的方法， 一般的方法是先测定应变，而后通过o r = E e 的关系间接测 定应力，或由已知的叮一8 关系曲线查得应力。 应变的量测，通常是在预定的标准长度范围( 称标距) L 内，量测长度变化增量的平均值L 。L 的选择原则上应尽 量小，特别是对于应力梯度较大的结构和应力集中的测点。 但对某些非均质材质组成的结构，应有适当范围，如对于 混凝土结构应取大于骨料的最大粒径的3 倍；砖石结构取 大于4 匹砖等，才能正确反映平均值L 。本次测试中采用 电测法测量结构动应变，其简单流程见图3 。 L 卜订1 些面目竺网 盎臣玉蜷匪玉蜡匪玉卜t 眇i E j i I 整查赢I 竺鲨卜；菌I 堡整卜+ 2 ”。 图3电测法测量结构动应流程图 测试采用小型动应采集仪D C 一1 0 4 R ，通过粘粘在试件 测点的感受元件一电阻应变片与试件同步变形，输出电信 号进行量测和处理。 2 2 测试仪器、 小型动应采集仪D C 一1 0 4 R ：本仪器是一台利用c F 存 储卡记录数据的4 通道动应变采集仪，体积小( 8 4 ( 宽) x 4 2 ( 高) x1 5 7 ( 长) m m ) 。通过手按仪器前面板的“S T A R T S T O P ”完成测量开始与停止，也可通过触发设置或接收外 部触发或外部命令完成测量的开始与停止。 频响l k H z ( 一3 d B - i - 1 d B ) 。采样频率为单通道采样时最 高2 0 k H z 。可同时进行4 通道采样，2 0 k H z 采样时记录时间 最长达4 1 分钟。 采样数据以二进制格式存储于c F 存储卡内，数据符合 D A D i S P 格式，可使用控制软件将数据转换成C S V 格式，用 电子表格工具打开文件。 本设备可通过U S B 端口与微机连接，使用随机附带的 软件控制仪器。可连接8 台采集仪，共3 2 通道，同时进行 动应变数据采集。 2 3 记录软件D C 一7 1 0 4 D C 一1 0 4 R 的控制测量软件D C 一7 1 0 4 ，该控制软件配 合D C l ( M R 动应变测试系统，通过数值、波形、X Y 图 形显示当前监控数据，并将记录数据保存为二进制格式或 C S V 格式。本软件还可执行其它功能例如：测量条件的设 置、测量开始结束的控制、手动触发操作、初始化平衡、 仪器的各项检查。 3 测点布置 水平及竖向拾振器测点布置如图4 所示 支座竖向l 号一跨跨中竖向2 号支座竖向3 号二跨跨中竖向4 号 支座水平5 号 。 圈4 测点布置 ， 4 工况测试结果与分析 4 1 工况1 ：汽车匀速上桥 分析参数 测点数目：6 ；测点号：1 ；2 ；3 ；4 ；5 ；6 ； 采样频率：1 0 2 4 0 3 H z ；d t ：9 7 6 5 3 8 1 m s ；数据总长： 4 9 9 9 8 7 5 s 当前显示时间范围：1 5 4 9 9 7 9 5 9 4 s 结果图形见图5 。 o 粤业掣鍪捌缝生尝黧导P 叩曩1 岩厕o o o 【三= = 耋= = 耋= = 曼= = = E = = = = 三= ：j ( m m ) 【2 ：1 4 跨2 4 号】光标：A = 9 7 8 2 E J , m m 鲁黜F 童；二= 享= = ! 二耸= = 罕= ：= 二马 - 0 0 1 0 k _ _ _ _ 目= j ：= = k = ：目= = = ；= = = i = = = ；= = = = = = j = = = ；= = = = = = = ；= ：= ：= z ：= = = = i = = = = = = = = ：= = = = i = = = = = = = - 一 。霉坚犁羔掣垫些掣垡饕P P 一1 卫册E = 主= = = 耋= 主堇= = = = 壶d ( m m ) f 4 ：3 4 跨2 6 号1 光标：A = 1 8 9 E 一4 m m 黜F 兰j = = 霉= 二= 二二= = 二= = j = 了 O 0 1 0 L = = = = = = = = = ：= z i 。目z = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = z = i ：= = = = ! ：= ：i = = = = = = = = 一 。舳磐竖掣塑氅型堡掣塑雩黑产叩， 岩船E = = = = = = = j = = = E = = 薹= = = = 三d 粤盥掣墼翟黜堡舞鬯掣塑甲1 三蛔 i 乒亏乒i 乒i 乒i 乒亏 型1 52 0 2 5 3 03 54 0 4 5 ”， 图5 工况1 测试结果图形 时域指标统计见表1 。 表1工况1 时域指标统计表 序号指标量纲 l m m2 m m3 m m 4 m m E U工程单位E U l 最大值( E U ) 4 9 1 7 E 一4O 0 0 2 0 80 0 0 2 7 80 0 0 1 2 2 最小值( E U )一0 0 0 1 6 40 0 0 7 3 90 0 0 7 2 15 2 7 E 一4 3 平均值( E U )一1 1 2 E 一4 1 6 9 E 一49 4 5 E 一49 1 3 9 E ，5 4平均幅值 ( E U ) 3 3 6 2 E 一4 0 0 0 1 2 40 0 0 2 0 5 3 0 3 9 E 4 5 方根幅值( E U )2 6 0 4 E 一4 0 0 0 1 0 30 0 0 1 72 5 5 8 E 一4 有效值 6 ( E U )5 0 9 l E 一4O 0 0 1 7 O ) 2 6 5 3 9 8 8 E 一4 ( 均方根) 7 均方值( E U ) t2 5 9 2 E 一72 9 E 一67 0 3 9 E 一6】5 9 0 E 一7 标准差 8 ( E U )4 9 6 6 E 一4 O 0 0 1 6 90 0 0 2 4 73 8 8 2 E 一4 ( 均方差) 9方差( E U ) 22 4 6 6 E 一72 8 7 1 E 一66 1 4 5 E 一61 5 0 7 E 一7 1 0偏度指标( E U ) 一1 9 E 一1 0一7 5 0 E 一99 7 l E 一95 3 8 E l l 1 1 峭度指标( E U ) 43 0 1 E 一1 3 4 7 7 E 1 11 0 3 E 1 0 7 2 3 E 一1 4 1 2偏态因数( 无)一1 6 2 5 7一1 5 4 2 2 80 6 3 7 70 9 2 0 0 2 1 3峰态因数 ( 无) 1 9 5 7 2 22 7 9 6 7 30 2 5 8 1 80 1 8 6 2 2 1 4波形因数( 无)1 5 1 4 2 91 3 6 8 11 。2 9 2 3 21 3 1 2 1 9 1 5脉冲因数( 无)4 8 8 9 0 55 9 3 8 2 53 5 1 3 3 33 9 7 0 1 5 1 6峰值因数( 无)3 2 2 8 5 94 3 4 0 5 l2 7 1 8 6 23 0 2 5 5 7 1 7 裕度因数 ( 无)6 3 1 0 6 37 1 5 9 44 2 3 0 0 34 7 1 6 5 3 ( 下转第1 8 1 页) 万方数据 参考文献： p 1 主譬吾；蔓蓍烹纛，2 建0 0 2 排, ( 水t ) 固结法在高速公路软基加固中的 1 沈珠江理论土力学 M 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 0 1 0 麦远俭，刘成云软基预压加固中的体积应变、侧向位移与沉降 2 娄炎真空排水预压法加固软土技术 J 北京人民交通出 修正 J 水运工程，2 0 0 1 ，( 8 ) 版社。2 0 0 1 1 1 陈远洪，洪宝宁，龚道勇软土地基真空联合堆载预压的粘弹塑 3 龚晓南，岑仰润真空预压加固软土地基机理探讨 J 哈尔滨 性有限元分析 J 水运工程，2 0 0 2 ( 4 ) 建筑大学学报，2 0 0 2 ，3 5 ( 2 ) 1 2 彭吉吉，刘汉龙，陈永辉真空一堆载联合预压法加固机理讨论 4 K j e l l m a nW c o n s o l i d a t i o no fc l a yb ym e so f A t m o s p h e r i cP r e s J 河海大学学报( 自然科学报) ，2 0 0 3 ，3 1 ( 5 ) s u r e A P r o e C o n f e r e n c eO i lS o i lS t a b i l i z a t i o nM I T c B o s t o n ， 1 3 高志义真空预压法的机理分析 J 岩土工程学报，1 9 8 9 ，1 1 t 9 5 2 ( 4 ) ：4 5 5 6 5 S H A N GJQ T A N GM ，M I A Oz V o c u u mp r e l o a d i n gc o n s o l i d a t i o n 1 4 张诚厚，王伯衍。曹永琅空作用面位置及排水管间距对预压效 o fr e c l a i m e dl a n d ：ac a s e8 t u d y J C a n C e o t e c h J ，1 9 9 8 。3 5 ：7 4 0 果的影响 J 岩土工程学报，1 9 9 0 ，1 2 ( 1 ) ：4 5 5 2 一7 4 9 1 5 娄炎真空排水预压法的加固机理及其特征的应力路径分析 6 余湘娟，等真空预压法对加固区边界影响的研究 J 水利学 J 水利水运科学研究，1 9 9 0 ，( 1 ) ：9 9 1 0 6 报，2 0 0 2 。( 9 ) ：1 6 1 6 李丽慧，王清，王剑平，王年香真空排水预压下土体变形的 7 岳红宇，陈加付，谢明锋。真空预压加固软基的沉降过程模拟与 应力路径分析 J 工程地质学报，2 0 0 1 ，9 ( 2 ) ：1 7 0 一1 7 3 数值分析 J 公路交通科技，2 0 0 2 ，1 9 ( 6 ) 1 7 张泽鹏，李约俊，冯淦清，洪宝宁塑料排水板在真空预压加固 8 曹永琅。丛建，吴晓峰高速公路超软土地基的真空预压加固 软基中的作用 J 广州大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 2 ，1 ( 2 ) ： 研究 J 岩土力学，2 0 0 3 ，2 4 ( 5 ) 6 8 7 1 ( 上接第1 7 7 页) 续表2 4 2 工况2 ：汽车在跨中刹车，启动下桥 分析参数 测点数目：6 ；测点号：1 ；2 ；3 ；4 ；5 ；6 ； 采样频率：1 0 2 4 0 3 H z ；d t ：9 7 6 5 3 8 1 m s ；数据总长： 7 9 9 9 8 s 当前显示时间范围：O s 一4 9 9 9 8 7 5 s 结果图形见图6 。 图6 工况2 测试结果图形 时域指标统计见表1 。 表2 工况2 时域指标统计表 序号指标 量纲 1 ，n m2 r a mj t i n 4 r a m E U工程单位E U l 最大值( E U ) 0 0 2 5 2 90 0 0 5 4 6 0 0 0 4 7 6O 0 0 2 6 2 最小值( E U ) 一0 0 1 4 0 4 0 0 0 2 5 5 0 0 0 2 3 0 0 0 1 5 8 3 平均值( E U )一7 3 0 E 一52 1 0 4 E 一48 9 0 8 E 一55 6 9 E 一5 4平均幅值 ( E U ) 0 0 0 2 0 26 5 2 1 E 一46 9 1 6 E 一4 3 3 1 0 E 一4 5 方根幅值( E U )9 0 7 9 E 一4 5 0 6 9 E 一45 2 0 3 E 一42 1 7 4 E 一4 有效值 6 ( E U )O 0 0 4 6 29 3 6 6 E 一49 5 9 1 E 一45 3 8 3 E 一4 ( 均方根) 7 均方值( E U ) 22 1 3 4 E 一58 7 7 2 E 一79 2 0 0 E 一72 8 9 7 E 一7 序号指标量纲 l m m2 r a m3 r a m4 r a m E U工程单位E U 标准差 8 ( E U ) 0 0 0 4 5 1 9 1 2 6 E 一4 9 5 5 0 E 一45 3 5 3 E 一4 ( 均方差) 9 方差( E U ) 22 1 3 3 E 一58 3 2 9 E 一79 1 2 0 E 一72 8 6 5 E 一7 1 0 偏度指标( E U ) - 37 9 2 l E 一81 2 0 3 E 一95 4