汕头海湾大桥整体自振模态的测试与分析

1、汕头海湾大桥整体自振模态的测试与分析摘要：针对该桥整体模态的脉动法测试，本文阐述了其中的关键测试技术与 分析 技术，对测试系统的合理组 成、采样频率的正确设置进展了详细说明。在采样频率已经合理设置的条件下如何进一步进步频率分辨率、获取足够的频率分析精度和阻尼分析精度本文也进展了阐述。实测结果说明：一样模态振型的条件下实测频率值大干设计 计算 值。关键词：模态振型 脉动试验 模拟滤波器 采样定理一、前言桥梁设计荷载为汽车一超20级、验算荷载力挂车一120。大桥具备汽车专用与城市 交通 双重功能，其中主桥设计车速为60kinh。由于该桥是我国第一座 现代 化的大跨度悬索桥，其设计及施工经历明显缺乏

2、，而且该桥又处于高密度的车辆荷载作用下，且入海口处的潮汐、台风及海洋性气候对该桥 影响 也较大。1999年的 台湾 大地震也必定影响到该桥，所以对该桥在实际运营条件下动力性能的掌握变得尤为重要。根据脉动试验获得大型低频桥梁构造的模态参数，被认为是一种可靠的掌握桥梁动力特性的实用 方法 。桥梁经过一段使用期以后，假设发生病害或者实际约束状态发生改变，那么桥梁构造的频率和振型等固有特性参数必定会发生改变。这样，根据前后桥梁自振特性实测值的改变，就可以对桥梁的实际状态作出评定。受汕头海湾大桥的委托，铁道部 科学 研究 院于1999年11且对大桥进展了首期全面运营监测，本文介绍模态参数测试局部的分析方

3、法与有关结论。二、该桥用脉动试验法测试、分析构造模态振型过程中的几个关键 问题1. 主桥实际振动频带的正确估计对一个实际构造，在动态测试之前，应结合构造的构造特点并结合可靠的 理论 计算结果，对实际可能出现的振动频带分布作出正确的估计，这是非常重要的。因为这一步决定了动态测试中许多系统设置、采样参数配置问题，对合理地采样分析起到了至关重要的作用。详细地说，主桥面的振动应是两类振动的合成结果：其一是大跨度主桥的整体低频振动，我们的测试目的正是要把握这种桥梁整体构造的振动模态。这种整体低频的上限按设计计算将是 1.0Hz，应该看到；对于这种大型复杂构造的实际模态振型是受多种因素影响的，实际构造的模

4、态振型对实际约束状态是相当敏感的，而实际构造的约束状态在有限元计算中是难以准确模拟的，这样必然造成实际频率与理论计算频率上的偏向，有时这种偏向还比较大。因此，我们并没有充分的理由只按 1.0Hz来考虑采样频率的设置。主桥面的另外一种客观存在的振动是局部的较高频振动，因为主桥构造的特点是每一梁段用 4根吊索与主缆相接，从构造受力上分析，相当于每隔 5.7m长度有一个弹性支撑点，这是主桥面上存在较高频振动的主要原因。2基于以上考虑，为防止在信号的采集过程中产生频率混叠现象，必须在试验采样中注意采取以下措施；(1)采样频率不能太低，否那么较高频的局部振动或其他的高频噪声会混入整体的低频振动中去，使得

5、后续的频域分析了可能正确，最后导致错误的分析结果。2为更有效地防止高频混叠现象，测试系统必须有低通抗混滤波器，把采样前的信号限制在一定的频带范围内。3采样频率当然不是越高越好，还要考虑到保证足够的频率分辨率.一般说来；采样频率为低通截止频率的34倍比较好。3综上所述，在主桥的自振特性测试试验中，采用以下参数设置：(1)低通滤波器的截止频率设置为10Hz。(2采样频率设置在40Hz.(3谱分析以4096点分析为主，这样频率分辨率为4040960.0098Hz理论上说，这时谱分析中可能的频率误差为 0.0098/2= 0.0049Hz，可以满足本构造频率识别的要求。此外，为消除噪声的影响，在谱分析

6、中采用了屡次平均技术；同时为减弱谱分析中的旁瓣影响，窗函数选用了汉宁窗，通过这些处理，保证了测试结果的可靠和真实。三、脉动试验使用的有关仪器及测点布置1使用仪器使用日本产ASQ500型低频加速度传感器和与之配套的滤波放大器，该型传感放大系统与国内同类产品相比，一个明显的区别是：国内同类产品一般不设置滤波器，这样使用国内产品必须另外设置单独的信号模拟滤波器，否那么在采样频率比较低的条件下极易产生高频混叠，而 ASQ500型低频传感系统的放大器具有模拟滤波功能，因此可以不另设低通滤波器。为消除阻尼对频率的影响，更准确地得出构造的自振频率值，构造的振动信号选用了速度信号，这一点对于需准确测定构造力阻

7、尼自振频率的场合，尤其需测试分析者注意，否那么，如拾取了位移和加速度信号，得到的将是一个接近构造自振频率的与系统的阻尼相关的频率值。信号的采集与分析采用国产INV信号采集和分析处理系统。2.测点布设1竖向振动测点为保证阻尼测试分析的准确，脉动试验的数据长度必须足够，需要有大容量的数据采集和分析方法，本次试验每次采样数据长度控制在35K左右。在采样频率为40Hz的条件下，可以满足大容量高精度求阻尼比对数长度的要求。(2横向振动测点3纵向振动测点在主塔塔顶、主塔中间横梁及桥面东西对称位置布有纵向振动测点，对这些测点进展了结合采样分析，采样数据长度仍控制在35K左右。四、脉动试验结果 分析1.主桥竖

8、向振动模态振型基于以上分析，可以得出构造竖向整体模态振型如下：1以中跨为主的挠曲振型，频率f0.195Hz，阻尼比=0.0147；4中跨与边跨的2阶挠曲振型，频率f=0.860Hz，阻尼比=0.0188；2主桥横向振动模态振型同样地，可以分析主桥横向模态振型如下：2以塔为主，带动边跨与中跨的整体横向摆动振型，频率f=0.625Hz，阻尼比= 0.0314；3以中跨为主的横向挠曲 2阶振型，频率 f 0.586Hz，阻尼比=0.0214；3.主桥纵向振动由于桥面纵向振动信号较弱，由于拾震器在纵向布置时现场很难做到完全沿程度桥轴方向，相比之下，较强的竖向和程度横向振动信号就不可防止地被抬取进来，这

9、须在频谱识别过程中注意加以区分，这样得出主桥纵向振动模态参数为频率f=0186Hz，阻尼比001784.主缆的横向振动及与桥面横向振动的关系分析通过中跨跨中主缆横向振动自谱及与桥面程度横向振动的互谱分析有以下结论：5.实测模态振型与 理论 计算 值的比较分析1根据设计计算值，主桥面顺桥向振动频率值为 0.1580HZ，实测该方向振动频率值为0.186Hz，二者比较接近。2"对称竖向振动"设计计算频率值为 0.296Hz，而实测的"对称竖向振动"表达为 3种振型： 以中跨为主的竖向挠曲振动，实测频率值 0.195Hz； 中跨与边跨同时进展的竖向挠曲振动，实

10、测频率值 0.391Hz； 塔纵向与中跨的耦合竖向挠曲振动，实测频率值 0.310Hz。理论分析的构造模态振型，与采用的计算模型有关、也有构造各部位的刚度取值相关，客观地说，对于这种大型的复杂构造，其真实模态理论上是很难模拟计算清楚的，根据一般的有限元分析经历，设计计算频率值 0.296Hz的模态振型应该是，即中跨与边跨同时进展的竖向挠曲振型，这样，构造同振型的实测频率高于理论值。五、主要结论(1)对于大跨度悬索桥这种构造，桥面上某一点的振动是构造整体模态振动与局部振动的叠加，仅仅考虑构造整体的低频模态振动来设置过低采样频率是不适宜的，必须注意防止混叠现象的发生。(2)试验分析说明：桥面上某一点的振动能量主要集中在局部振动的较高频段，而我们感兴趣的整体模态振动的振动能量处于次要地位。3为有效地防止混叠现象的出现，测试系统必须有模拟滤波器，并根据山农采样定理与滤波器的实际性能设置滤波截止频率和系统采样频率。4进步频率分辨率除根据上述尽可能降低来样频率外，在频谱分析时采取加长分析点数的 方法 是一种可靠的方法。为此，必须打