利用三分量地震计检测自然载荷下桥梁结构响应特征

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1、利用三分量地震计检测自然载荷下桥梁结构响应特征摘要:基于环境激励信号的桥梁结构响应在线检测系统，利用高灵敏度三分量宽频带地震计，连续监测北京市四座典型在役桥梁在自然荷载作用下的微弱振动信号，分别利用峰值法和互相关函数法获得了在役桥梁结构不同方向上的频谱特征及其结构响应特征。结果表明：三分量地震计能够准确可靠地连续记录宽频带范围内的环境激励的微弱振动信号，非常适用于构建新型的桥梁结构响应检测系统；峰值法和互相关函数法都能够可靠地识别多阶桥梁模态频率，互相关函数法的识别结果更为稳定；桥梁的模态频率受桥梁结构、材料、环境温度等多种因素影响，桥梁不同方向的固有振动频率不同，

2、不同类型的桥梁的结构响应也存在显著差异。该桥梁结构响应检测技术为在役桥梁实时健康诊断打下了基础。关键词：桥梁结构响应；环境激励信号；频谱特征；模态分析中图分类号：V442文献标识码：A文章编号：1000-066603-0519-07[HJ]0引言桥梁是重要的现代交通基础设施，对于加强地区文化交流、促进社会经济发展具有重要作用。在长期的使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化等原因，桥梁存在着不同程度的损伤和功能失效的隐患。地震、飓风、洪水等自然灾害、以及超限机动车、履带车、铁轮车等经过桥梁都有可能诱发桥梁倒塌，从而造成巨大的经济损失。近实时地监测桥梁损伤状态，对桥梁的健康

3、状况进行综合评估，是预防灾难性桥梁事故，确保桥梁安全可靠运行的重要方面。因此桥梁安全健康检测对于保障大型桥梁的安全性和适用性具有非常重要的意义。长期以来，人们对于大跨桥的安全检测以人工方法为主，检查方式具有一定的主观性，并且检查周期长，难以实时地对桥梁的健康状况进行综合评估。另一种检查方式是用仪器和损伤识别技术进行自动损伤识别，然而目前检测技术还有待完善，缺乏统一的定量损伤指标，亟需发展新型的检测技术和方法。振动模态参数是决定结构动力特性的主要参数，具有简明、直观和物理概念清晰等优点。准确识别桥梁结构模态参数及其变化，对于桥梁健康监测和综合评价具有重要作用。固有频率

4、是结构动力学特性的重要参数，能反应结构自身属性和状态，同时也是结构模分B参数中最容易获得的参数。结构发生损伤会导致频率降低，这一现象直接推动了与频率相关的敏感参数在结构识别中的应用。Cawlye和Adams最早利用频率数据对结构进行损伤识别，通过特征值对结构物理参数的灵敏度分析，得出结论：结构发生损伤后的任意二阶模态频率之比仅是破损位置的函数，与损伤大小无关。Stubbs等研究了利用共振频率识别结构损伤的灵敏度方法，通过单元损伤指标的灵敏度分析，使用了广义逆方法进行了结构损伤定位研究。Heam和Testa指出，结构损伤后，各阶频率变化按与最大频率变化归一化后，任意两

5、阶频率变化的比值，是结构损伤位置的函数。Penny等和袁颖对结构的各种损伤情况进行了数值模拟，计算出由于模拟损伤引起的结构频率变化，然后用最小二乘法来拟合模拟频率变化和实测频率改变，认为拟合误差最小的损伤情况是结构的实际损伤状态。Salawu评述了土木工程领域应用固有频率作为诊断参数的结构评估方法，对损伤频率变化间的关系以及限制振动测试在损伤识别中的应用可能因素进行了讨论。其结论表明：基于固有频率的损伤识别方法对结构的常规评估是有用的，但也存在一些局限性。应用频率进行损伤识别，当损伤发生在低应力区域时可能是不可靠的，另外，两个不同位置程度相似的损伤可能引起相同的频率

6、改变。仅根据固有频率的变化确定结构损伤的位置可能是不充分的。环境激励下的模态参数识别由于不需要外部激励设备且不影响正常交通，已经成为大型桥梁模态参数识别的主要方法。目前常用的方法包括时域法、频域法和时频分析法。频域法识别方法发展较早，主要包括峰值法和频域分解法，主要是通过傅里叶变换将时域数据转换到频域内，由振幅谱或功率谱密度的峰值确定模态参数。频域法的物理概念清晰，简单快捷，在模态分析中得到广泛应用。时域识别法直接利用时域内的数据建立方程，进而求解结构的模态参数。时域法能够避免频域识别法因傅里叶变换所带来的误差，一般能得到较精确的辨识结果，近年来逐渐成为研宄热点，主

7、要有序列分析法、随机减量法、NExT方法、随机子空间法等。本文实验中，笔者选取北京市区4座典型的大型在役桥梁为监测实验对象，在桥面上布置多个高灵敏度三分量宽频带地震计，连续监测桥梁受到车辆行驶、风载、气压等自然荷载激励的微弱振动信号。采用功率谱密度以及地震学中干涉测量方法，获得大型桥梁多阶模态频率，精确识别低阶模态频率，为将来桥梁结构动力特性检测和结构健康诊断打下基础。1监测设备与实验桥梁监测实验采用高灵敏度三分量宽频带地震计GuralpCMG-6TD。与常用的加速度传感器及普通的速度传感器相比，CMG-6TD地震计具有灵敏度高、频带宽、监测动态范围大、自噪声低