基于监测数据的斜拉桥模态频率变化特性分析

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1、基于监测数据的斜拉桥模态频率变化特性分析孙利民1，周毅同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海2000921lmsun@tongji.edu.cn【摘要】“基于实测模态频率的变化对桥梁状态进行评估”是本文的出发点。前期研究发现，环境因素可以比结构损伤引起模态频率更大的变化，因而有必要把握环境因素对频率的影响规律，以消除其造成的影响。对东海大桥主航道斜拉桥五年实测数据的分析结果显示，模态频率存在长周期的变化成分，主要的周期成分如1年、1周、1天、12小时等。本文考虑温度、车流等环境因素对第一阶竖弯和第一阶侧弯频率的

2、影响，对频率变化的主要周期成分所产生的原因进行了推测，并在1年、1周、1天、12小时四个周期成分上对频率的变化进行了回归建模。本文的工作可以为基于模态频率变化的结构状态评估提供参考。【关键词】结构健康监测；东海大桥；模态频率；环境因素【Abstract】Vibration-basedstructuralhealthmonitoringutilizesvariationofmodalparameterstoassessstructuralcondition.However,itwaswidelyrecognized

3、bymanyresearchesthatmodalparameterscanbeinfluencedbyenvironmentalfactorsanditisnecessarytoinvestigatethecorrelationsofenvironmentalfactorsandstructuralmodalparametersto“normalize”theenvironmentalcondition.Basedonthelong-termmonitoringdatarecordedbytheDonghaiB

4、ridgeStructureHealthMonitoringSystem(DBSHMS)from2007to2011,thispaperstudiedthevariationofmodalfrequenciesofthemainnavigationchannelbridge(MNCB),acable-stayedbridgewithasteel-concretecompositegirderof420mcentralspan.Thespectralanalysisshowedthatthevariationofm

5、odalfrequenciespossessedsomelongperiodscomponentssuchas1year,1week,1day,12hoursandsoon.Focusedonthefirstverticalbendingmodeandthefirstlateralbendingmode,thispapertooksuchenvironmentalfactorsastemperature,trafficloadsintoconsiderationandinferredthereasonsforth

6、oselong-periodvariationcomponentsofmodalfrequency,respectively.Moreover,theregressionanalyseswerealsoconductedforeachvariationcomponent.Resultsofthisstudycouldcontributetoabetterunderstandingonthebehavioroflong-spancable-stayedbridgesandbenefitthemaintenanceo

7、fbridge.【Keywords】StructuralHealthMonitoring；DonghaiBridge；Frequency；EnvironmentalFactors51引言近20年来，结构健康监测技术在土木工程领域，尤其是在大跨度桥梁上得到了广泛的应用，如亚洲的青马大桥、苏通大桥，欧洲的GreatBeltEastBridge、TamarBridge，美洲的ConfederationBridge、CommodoreBarryBridge等等[1]。伴随着健康监测技术应用的脚步，基于实测数据的结构状态评

8、估也成为了研究的热点。其中结构的模态参数，尤其是模态频率，由于在理论上与结构的物理参数（如刚度、质量、阻尼分布等）存在函数关系同时易于从环境振动信号中测得且精度较高，因而成为了最常用的评估结构状态的动力学指标。然而，实际结构的模态频率不仅与结构的损伤有关，还会受到温度、湿度等环境条件，以及风力、车流等荷载因素的影响，本文将这些外部作用统称为环境因素。大量研究发现[2-6]