后张法节段混凝土高速公路桥的只输出系统识别.doc

后张法节段混凝土高速公路桥的只输出系统识别摘要：本文论述了冇限单元法和环境振动测试在高速公路桥系统识别上的应用， 位于Giresun-Espiye高速公路的后张法预应力混凝土 Gulburnu高速公路桥作为案 例进行研宄运用SAP2000软件开发了桥梁的有限元模型，并分析性的获得了 其动力特性测试的时间，频率跨度和有效模态数量可以从类似的文献资料中选 择增强频域分解域和随机子空间识別的两个输出系统识別方法用来评估桥梁的 动力特性对这两种方法的准确性和冇效性进行了测试，并与冇限单元法的结果 进行比较，结果表明环境激励在低范围的固有频率下识别结构模态是有效的另 外，从桥梁有限元模型中获得的动力特性与实验频率和振型有很好的相关性 DOL： 10.1061/ (ASCE) BE, 1943-5592.0000150 2011 美国土木工程协会CE数据库主题词：振动；冇限单元法；桥梁，高速公路；桥梁，混凝土；随机 过程；后张法关键词：环境振动测试；有限单元法；动力特性；增强频域分解域；Gulburnu 高速公路桥；随机子空间识别；系统识别引言 像高速公路桥这样的重要工程结构的有限元模型在设计阶段需要有专业的知识 去设定结构的特性。

然而，分析所用的材料特性，边界条件和截面特性可能在建 设过程中造成错误结果是因为可能在设计中没有考虑荷载作用的情况因此, 高速公路桥的性能和结构特性由现场测试和试验测量所决定，试验结果与有限元 分析的结果进行校正在以往的文献资料中可以找到与高速公路桥试验测量有关的研宄，Bayraktar 等人(2009)运用环境振动法来确定位于Elazig-Malatya(土耳其)的Komurhan高 速公路桥的动力特性Whelan等人(2009)研宂了桥梁的实时无线振动监测 Liuden人(2009)对三跨公路桥进行了有限元分析，环境振动测试和地震响应， 他利用的是虚拟地面运动输入的时间历程分析Gentile和Bernardini (2008)确 定了 Capriate桥基于雷达测量下的只输出模态识别Reynders和De Roeck(2008) 讨论了模型分析和随机子空间识别算法的重要性，他们利用瑞士 A1高速公路尼 泊尔和贝尔纳迪尼端得Z24高速公路桥作为研宂对象Guan(2006)对Watson Wash和Vincent Thomas高速公路桥进行了基丁•振动结构健康监测除了这些研 宄之外，还有一些是用平衡悬臂法建造的后张法节段混凝土高速公路桥的有限元 分析和试验测量的研究。

运用模态测试工作的平衡悬臂法建造的后张法节段混凝土高速公路桥的只 输出系统识别对Gulbumu高速公路桥的研宂，进行了环境振动测试运用增 强的频域分解域和随机子空间识别的方法提取动力特性与有限元结果进行比较Gulburnu高速公路桥的说明Gulburnu高速公路桥作为Giresun-Espiye国家高速公路，是在20+362至20+692 段东部海岸公路恢复部分项R修建的从2005年开始，一直到2009年5月通车， Gulburnu高速公路桥如阁1所示采用现浇技术，平衡悬臂法施工，对于大跨度, 小桥墩且跨长大的峡谷的预应力公路桥而言，这是一种最佳的方法这种方法也 适用于很难用脚手架或无法直立或需要昂贵基础条件的情形，也适用于深谷，大 跨度的河流图2为平衡悬臂法示意图，表明桥梁的各个节段是对称加到桥墩上 去的Gulburnu高速公路桥是一个双向预应力混凝土箱梁结构，从东部黑海海岸公 路的每两座桥有两条交通线，桥面板包括一个165m的主跨和两个82.5m长的边 跨，桥梁总长330m,宽30m,桥梁的建设用了 3800吨的建筑用铁，738吨的预 应力钢筋和25000n?的混凝土桥的结构由桥面板，桥墩和端部支撑所组成，桥 梁的基木结构如图3所示。

桥面桥的上部结构是一个用后张法预应力现浇施工技术的单室连续箱梁，桥面板 总长330m,总宽30m,没个桥面板是双车道，桥面板采用预应力箱梁平衡悬臂 法施工桥面板包括65段，所有节段大约有5m长，横断面是沿桥长度方向变 化的，桥墩处最大宽度为8.25m，但在端部支撑和桥跨中央减小到了 3.5m地板 的厚度在25cm到140cm之间变化，顶板厚度为25cm,网格的宽度从45cm到 60cm不等，现浇箱梁节段混凝土的涉及强度为40MPa,图4为箱梁横截面尺寸 桥墩和伸缩缝4个桥墩的高度为4.5m,横截面面积9.00*3.75 m2,所有的桥墩建于用钻孔灌注 桩为筏基础，在每个基础上，28个钻孔灌注桩直径为200cm,平均长度为25m, 每个筏基础尺寸为32*22 m2,深为3m,对于棊础和桩的混凝土涉及强度为35MPa 和30MPa, S420预应力钢筋是这座桥梁建造施工的最佳选择，连个桥台支承上 部结构，且允许在纵向可以移动有限元分析和分析的动力特性桥梁的三维冇限元分析是用SAP2000软件建模的桥面，桥墩与钻孔灌注桩采 用三自由度平动和转动的框架结构，筏棊础采用壳单元建立模型，桥台(伸缩缝) 有着严格的边界条件，并只释放纵向边界。

灌注桩的边界调节由弹簧定义，弹簧 刚度在纵横向为lE*9N/m,垂直方向为6E*9N/m，根据设计项H数据(Yuksel Project 2007)后张预应力筋用控制旋转和固定每段末端的框架单元建模后张预 应力荷载认为是应变图5所示为Gulbumu高速公路桥的三维冇限元模型，分 析的材料特性如表1所示桥梁的三维有限元模型考虑了几种荷载情况，模型分析所用的荷载为所有可 能的荷载组合静载：所有单元的重量附加荷载：沥青，鹅卵石，管道及支撑重量，每段的分布荷载为50.9kN/m桥梁有限元模型前8阶模态如图6所示，最初8个固有频率在0〜6HZ之间 变化，其模态可分为竖向，横向，纵向和侧向模型环境振动测试和动力特性试验有限单元法较好地模拟了真实结构，然而，这个方法的预测通常是不精确的，不 精确和错误可能存在以下原因：材料和几何特性的估计不精确；风，地震等环境问题以及使用期间出现的不同或过大的荷载导致的毀坏；边界条件估计不准确以及伸缩缝模型的不足；个别因素导致的估计错误和网格划分问题：在冇限元没冇考虑非线性，阻尼机制以及耦合特性为了获得更多的结构特性，需要做现场试验和测量，这要通过观察结构的已 知反应来获得，当前，最为普遍的实验技术为模态技术(Ewins 1984;Inman 1994)， 模态测试有两种类型：受迫振动和自由振动。

在受迫振动试验中，结构所受的荷 载是未知的，而输入和输出的关系是确定的，受迫振动试验的成功与否会受到小 型结构的限制，像斜拉桥和悬索桥这样的大跨度柔性桥需要重型设备，包禽高精 度的振动控制等重耍资源对于桥的深入应用变难，费用高，这事一个严重的问 题在过去的儿年里，自由振动的模态分析是传统取代人工激励装罝试验的一个 很好的例证，模态分析用的自由激励是由自然激励或者是附近的测试结构而来 的当然，试验结构在试验期间要保持运营状态在Gulburnu高速公路桥的试验测量中，使用B&K8340和B&K4507单轴加 速度计来获取响应，这两种加速度计最小频率和其敏感度分别为0.1-1000HZ, 10V/g 和 1-25600HZ，IV/gB&K3560 数据获取系统信号转化到 Pulse Labshop 软件(Pulse Labshop 11-2-2 2006)中对于从自由振动测试数据获得的参数估计， 运用模态分析软件(OMA2006)在2009年6月2 口的测试中，激励有交通荷载提供，由于输入荷载是随机 的，所以用模态分析来确定模态参数是必耍的，在箱梁中进行了五次自由振动的 试验，由于加速度计和数据获取设备的限制，每个试验步骤的16个加速度计的 最大值可以同时监测。

在这些加速度计中，以B&K4507单轴加速度计作为参考 点，它的位置在整个试验过程中不能改变，B&K8340加速度计可作为可移动加 速度计，移动覆盖所有加速度计的位置选择测点步骤如下：第一步：在第一组实验步骤中，Gulbumu高速公路桥分为两个对称的部分, 为Giresun和Trabzon,以便于所有部分的动力特性可确定和相互比较，而桥梁 Giresun部分从箱梁交汇点上测量第二步：在第二步试验中，桥梁的Trabzon部分在箱梁交互点测量横向影响 更为有效，加速度计放在第一步中的对称点上，来比较桥梁的Giresun和Trabzon 部分的动力持性第三步：在第三步试验中，在箱梁中进行，只有两柱间的主跨用竖向和侧向 固定的加速度计测量第四步：在第四步试验中，在第二步的基础上增加加速度计的数量，沿桥面 布置(只在主跨)，来获得纵向振型第五步：在第五步试验中，从箱梁的一端测试到另一端桥梁二维图解加速度计布罝如图7所示，表2总结了巫族测量和加速度计位 置的细节环境激励不适用频率响应和脉冲响应函数计算，因为在环境振动中力没冇测 量，因此，棊于只输出数据的模型识别程序是必要的(Ren等人2004),提高计 算能力和信号过程程序的几个模态参数的识别方法是可用的，在高速公路桥这个 研宄中提取时域中的频域子空间识别和在频域中的增强频域分解域的动力特性。

增强频域分解域法在増强频域分解域法技术中，围绕一个波峰的共振，单自由度功率谱密度函数利 用离散傅里叶逆变换送回时域，自然频率从过零的数量来确定作为一个吋间函数 和阻尼的对数衰减的归一化自和关函数来获得(Jacobsen 2006)未知输入所测 得的相应为以下表达式：[Gyy(j ^)] = [H(j [Gxx(/- 6>)] [H(J ⑴式中：Gxx(/<^)力rXr功率密度函数矩阵，r力输入数；Gyy(j 为mXm功率密度响应矩阵，m为响应数；H(j 0)为mXr的频率响应函数矩阵；*和上标T表示共轭和转置关于增强频域分解域的方法更详细的内容在(Felber 1993； Peeters 2000；Brancker 等人 2000; Rainieri 等人 2007)中找到随机子空间识别法随机子空间识别法是一种只输出时域的方法，直接与时间变量相关，不需要转化 为相关性或者光谱这种方法对识别模态参数尤为重要，但是很难做合力详尽的 解释，振动结构模型可定义为一组二阶线性常系数微分方程组(Peeters和De Roeck 1999)OMU(t)+C：U(t)+KU(t)=F(t)=B,u(t) (2)式中：M, C., K分别表示质量，阻尼，刚度矩阵；F⑴为激振力；U⑴时间t的位移矢量。

力向量用矩阵表示，描述空间的输入值和向量，虽然公式(2)与结构振动很相似随机子空间识别方法不直接使用，因此，动态公式(2)将转换为更合 适的形式，离散时间随机状态空间模型(Peeters和De Roeck 1999)源于控制理 论，但是它也用于机械/土木工程中来计算具有一般粘性阻尼动态结构的模型参 数冇关随机子空间识别方法更多的内容可参考文献(Ewins 1984； Juang 1994； Yu 和 Ren 2005)用增强频域分解域法和随机子空间识别方法获得的谱密度奇异值，平均自动 谱密度和一个测试步骤状态空间模型的估计稳定图，如图8所示用有限元的方法和使用增强频率分解域法(EFDD)和随机子空间识別(SSI) 的方法获得的动力特征比较如表3, 4所示在Gulburnu高速公路桥自由振动试验中，在箱梁中碱性了五种不同的测试 步骤，使用增强频域分解域法和随机子空间识别方法获自然频率，模态振型和阻 尼比等动力特性，有W种方法获得的模态振型很和似，一组试验模态振型如图9 所示(前八阶模态)，模态振型与两柱间的主跨有关用增强频率分解域法(EFDD)和随机子空间识别(SSI)。