西班牙巴尔塔大桥动力特性分析部分翻译

钢拱斜拉桥的动力特性分析 摘要 本文介绍关于钢拱斜拉桥巴尔克塔桥的理论和实验研究工作 巴尔克塔桥 横跨瓜达 尔基维尔河 与具有著名景点科学公园 Cartuja 93 的城市塞维利亚 相连 在下班高峰期 车辆覆盖一半的桥面车道的时间段超过一小时 为了测量桥的动态响应 对该桥进行了全 面试验 该实验方案包括两种不同的荷载条件的动态研究 有一半的车道满车的桥和车道 无车的桥 基于所获取的数据对模态参数进行了估计 通过不同技术使 0 6 赫兹的频率范 围内振动模式被识别出来 其中两个模式是彼此非常接近的 对交通结构相互作用也进行 了研究 该实验结果与那些从事开发有限元三维模型的人在这项工作中的实验结果进行了 比较 两组的结果显示了非常好的一致性 最后 一种损伤识别技术已被用于确定结构的 完整性 2005 年 7 月开发测试所取得的成果已经与 2006 年 10 月使用损害指数法获得的实 验结果具有一定相关性 关键词 拱桥 损伤检测 运行模态分析 车辆结构相互作用 1 1 引言引言 实验测试建立了最可靠的方法 以获得实际结构的动态特性 自然频率 振型和阻尼 比 并进行验证 将这些结果用于它们的分析数值模型 它们也默许一种通过与前面的分析中得到的动态特性比较以评估结构的破坏的状态 从环境振动得到的动态识别方法已被用与复杂的结构 如大坝 1 海上平台 2 体育馆 3 桥梁 4 等 有关巴尔克塔桥的理论和实验研究工作在这项工作中进行了描述 这是 一个斜拉桥桥面钢拱桥 连接老城区塞维利亚科学园区 Cartuja 93 在某些时段 会发生 交通拥挤以至于汽车覆盖一半的桥车道 图 1 可超过一小时 图图 1 1 BarquetaBarqueta 桥桥 a a 和交通堵塞和交通堵塞的的 BarquetaBarqueta 桥上桥上 b b 在这项工作中所开发的实验方案包括正常条件下两种情况和当其交通拥挤时的结构动 态特征 桥的模式特性从环境振动中识别 这两种情况下桥所获得的结果进行了比较 通 过这种分析 对该车辆具有的在结构上的动态行为的影响进行了研究 对于该桥梁情况 本文对所提出的想法进行了探索 当不同的活动在体育场举行时 体育场的模式性质的变 化就被决定了 该论文的作者的结论是该结构的动态特性取决于在一定程度上在体育场庆 祝的活动的类型 这些发生在其它结构类型变化的可能性在该工作中被研究 将所得到的实验结果与一个三维的有限元分析结果相比较 最后 一个损伤识别方法 被用来验证桥的结构完整性 对一年的时间差和 10 度的温度差得到的实验结果进行了分 析 2 2 结构的描述结构的描述 审美功能和结构的象征值越来越重要 特别是当这些结构是建立在城市地区 5 6 为了 1992 年国际展览 巴尔克塔桥建于塞维利亚 这是一个带有来自两侧的三角形框架 顶点上升的中央拱门的创新的结构设计 由 J J 阿里纳斯和 M Pantale 设计而成 在 它建设十五年后 巴尔克塔是不可缺少的一块塞维利亚的城市景观 巴尔克塔是弓弦钢桥 该 168 米跨度结构取决于两组位于瓜达尔基维尔河 图 1 3 的两个横向间距 30 米的垂直 支持 拱和斜腿钢架桥的横截面包括产生足够的局部惯性以避免任何内部的纵向加强筋的 深槽 甲板的横截面如图 2 所示 它宽 16 米 深 2 4 米 桥的总宽度为 21 米 附有 2 个悬 臂行人甲板 甲板的横截面包括由 1 米 参照图 2 的距离分开的两个垂直腹板 悬吊管 固定在两者之间 且具有不同的坡度 甲板支撑在具有可变的深度的横向梁的两端 而横 向梁依靠垂直支撑 a 立面图 b 平面图 图 2 巴尔克塔桥的立面图 平面图 桥面板横截面图 3 3 有限元模型有限元模型 一种三维的有限元模型 FEM 已用于桥梁竣工图和现场测量的结构和数据分析 对 模态分析实施了有限分析元件 9 拱 支承结构和内部加强件呈现为两节点梁单元 梁 44 每个节点的自由度为 6 该单元保证了了端节点与梁的形心轴相抵消 悬吊管被模拟为每个节点的自由度为 3 度的 桁架单元 LINK10 采用每个节点的自由度为 6 度的八节点壳单元的桥面板来建模 SHELL93 两端的横梁和垂直支撑由弹簧元件 COMBINE14 连接起来 预期了所有桥梁元素的详细模型 结果 自由度是高的 整个模型由 10328 梁单元 17 桁架单元 15672 壳单元和 8 个弹簧单元组成 导致 26025 个单元和 47024 个节点 图 3 显示了有限元模型的完整的 3 D 视图和详细的桥面横截面 图 3 巴尔克塔桥桥面截面模型 a 和详细的 3 D 有限元模型 B 4 4 全面测试全面测试 动力特性可通过环境荷载产生的振动测量方法来获得 对于土木工程结构 这种技术 比传统的模态分析更简单 因为它没有必要激发结构振动 此外 该结构可以在测试过程 中使用 该实验方案于 2005 年 7 月 15 日和 2006 年 10 月 11 日期间进行 包括在正常情 况下的结构的动态特性和当桥具有一半运输量时 使用 Endevco 型号 86 和型号 4370 加速度计在 16 个选择点 图 4 测定该结构的响应情况 从一个有限的动态分析得到的初 步结果被用来确定传感器的最佳位置 图 4 测量位置 从第 9 个起 型号为 86 的加速度计可用于测试 在这些传感器中其中的 2 个 在位 置 1 和 2 在 2005 年进行的测试保持静止 以供参考 两者中其中一个 在位置 2 在 2006 年的测中被开发 两个支架需要覆盖 16 个测量点 值得一提的是 在只输出模态分析 其中输入力仍然不明并可能在支架之间变化 不同的测量设置仅当有共同的传感器时才能 相连接 选择参照加速度计以便能够仔细测量桥梁的所有全局模式 在第一次测试中没有安装悬吊管 因为据初步数值分析与前面的实验研究 10 11 没有预期斜拉索和结构的其余部分之间的重大相互作用 当结构的最低固有频率和巨缆的 固有频率接近时 这种相互作用是显著时的 在目前的情况下 巨缆较短 预计第一固有 频率大约有 6 赫兹 至少有 10 个结构的全局模式低于此值 因此不期望的巨缆对桥的全 局模式具有一个重要的参与作用 这个假设是由第二测试所证实 其中该巨缆被仪器验证 图 5 的 a 巨缆响应的功率谱密度如图 6 所示 在其中可以观察到 所述巨缆的 第一弯曲模式大约 6 赫兹 在第一测试中 在位置 1 9 当结构在易变的交通条件下和在点 1 2 和 10 16 当汽车 覆盖桥车道一半时获得结构的响应数据 为了得到该结构的模形 所有点的响应已被使用 交通 结构交互造成结构模形的变化没有被预测到 自然频率和阻尼比用每一中支架来 独立决定 在第二个测试中 该结构的响应在这两种情况下的所有位置被获得 即当结构 在易变的交通条件和当汽车覆盖桥车道的一半的两种情况下 图 5 巨揽和拱形件下的加速度计 图 6 巨缆响应的功率谱密度 7 7 结论结论 一个实验程序和数值 建立斜拉拱桥的桥面的动态行为 提出了 该桥的模态参数识 别技术 使用不同的环境振动评价 EFDD 和 SSI 技术识别不同的方式彼此接近 表明他们 的效率 对 barqueta 桥的动态行为是由垂向弯曲模态和扭转模态频率范围在 0 6 赫兹 十种 振动模式已经在这个频率范围的确定 从不同的记录和相干信息得到的结果一致 表明结 构在测试过程中有一个线性的行为 使用 MAC 实验得到的模式已与那些从有限元分析评价比较 观察数值模拟和实验结 果之间的一个很好的协议 车辆 结构相互作用的研究已经有情况时 桥的一半是完全覆盖的车辆 这些车辆 除了添加质量的结构 产生的估计阻尼比的增加 最后 汽车作为能量耗散机制的明智的 本研究结果可应用于验证其寿命期间的结构完整性 从不同的实验模态分析通过使用 记录在两个系列有一年的时间差进行了测试 得到的数据结果 得到与使用损伤指标法 以评估结构的损伤状态 参考文献参考文献 1 肯普 BG 文图拉 CE 安德森 DL 该 AJ 拉斯金的大坝地震评价环境振动测量 在第七地震工程加拿大会议录 1995 641 页 8 2 延森 JL 海洋平台的系统辨识 博士学位论文 丹麦奥尔堡大学 1990 3 雷诺兹 P 帕维奇 模态特性的一个体育场的结构的变化的人群占据易卜拉欣 Z 在模态分析 国际第 22 条诉讼 2004 4 阿卜杜勒 ghaffer 是 scalan RH 金门大桥的环境振动 我 悬挂结构 工程 力学杂志 1985 111 463 82 塞维利亚 斜拉桥 5 小全尺寸动态检测的阿拉米略桥 西班牙 地震工程与结构 动力学 1995 24 35 51 6 troyano LF Armisen JM 苏亚雷斯 MAA 的埃布罗河和 lerez 桥斜塔 国际 结构工程 1998 8 248 60 7 竞技场 JJ 潘达雷昂 MJ Puente de barqueta 塞维利亚 西班牙 国际结 构工程 1992 2 251 2 8 计 划 P barqueta informacion html 厄尔巴诺一家 9 10 迪吉尔 Y cantieni R DESMET 凸轮 该 AJ 基于环境振动测试的新莱茵大桥 有限元模型的优化 在 1996 年的 eurodyn 诉讼 1996 817 页 22 11 马丁内兹氏族 C Y 卡布雷拉 F 动态性能的双弯斜拉桥 地震工程与结构动力 学 2003 34 33 15 12 Ewins DJ 模态测试 研究公司 2000 13 14 15 布朗约翰 JMW 高层建筑的环境振动系统识别研究 地震工程与结构动力学 2003 32 71 95 16 冯 MQ 基姆 JM 薛 h 利用环境振动测量的动态系统辨识 应用力学杂志 1998 65 1010 21 17 Bendat JS 上银 应用相关分析和谱分析 威利 Sons 的 1980 18 该 AJ 一种混合的桥梁评估系统的开发 博士学位论文 加拿大 不列颠哥伦 比亚大学 1993 19 宗 ZH jaishi B GE JP 任 Wx 通过钢管混凝土拱桥的半动态分析 工程结 构的 2005 27 3 15 20 brincker R 张玲 安徒生 P 模态识别使用频域分解输出系统 智能材料与 结构的 2001 10 441 5 21 彼得斯 B 系统辨识和土木工程结构损伤检测 博士学位论文 比利时鲁汶天主 教大学 http www kuleuven be bwm papers peet00a pdf 2000 22 范 overschee P de Moor B 子空间辨识线性系统理论 实现 应用 Kluwer 学术出版社 1996 23 安徒生 P 识别使用向量 ARMA 模型的土木工程结构 博士学位论文 丹麦