【精品】桥梁动力分析

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1、模拟环境对塔玛悬索桥动力特性的影响摘要为了达到结构健康监测的目的，结构在环境因素的影响下，去理解、模拟和补充环境变化对结构动力特性的影响是极其重要的。本文屮，己经研究了从英国塔玛悬索桥小测得的加速度值，这些加速度值是用数据激励随机了空间系统识别方法处理的，并IL用温度和风载对结构自振频率的影响进行了环境变量的模拟。木文应用了两种方法:1)棊于冇效识别环境效应所致的线性变化规律的主因子分析法(PCA)；2)元模型法,这是一种通过多项式函数的组合变化來确定系统输入输出关系的纯数学方法°研究发现在所有环境因素中温度是影响桥梁自振频率最关键的因索。引言坏境因索对土木结构自振频率的影响是导致结构健

2、康监测技术只能应川于实验室而不能在实际工程结构中得到应用的主要原因。在实验室发展起来的损伤检测技术往往无法在具冇实验室相同条件的现场发挥作用；作为衡量破坏敏感性的特征参数也通常对工作环境引起的结构动力反应变化很敏感，而这种情况在实验室是不会出现的。这一方面的研究在过去的儿年中得到了很大的关注，处理这个问题的方法在Sohn的关于工作环境对结构健康监测的影响一文中有很好的阐述。木文研究了环境因素对塔玛悬索桥自振频率的影响，尤其是温度和风速的影响。以前主要集中在温度变化对桥梁模态频率相关性的研究上，事实上,温度被认为是环境因索中对模态特性影响最主耍的因素。进一步的研究已经转移到了风载对大跨度桥

3、梁的影响。尤其是发现了口本的白舟(Hakucho)悬索桥的自振频率随着风速的增加而降低，在此过程中没有考虑温度的影响。在文献［6］屮对大跨悬索桥的重型车辆荷载的影响进行了研究,发现车辆荷载对人跨度桥梁的自振频率彩响很小或者没有。在本项研究中诸如交通荷载和湿度等环境因素被忽略，认为本论文所讨论的桥梁不会受到交通荷载的影响，由于桥址的原因，也认为湿度不作为考虑的因素。这篇文章的FI的主要是确定促使所观察到的引起桥面U常自由振动的主要因素。塔玛悬索桥塔玛大桥(如图1)是一座跨度为643m的大跨度悬索桥，它跨越塔玛河，将康沃尔郡(Wornwal1)的索尔塔什(Saltash)市与德文郡(Devo

4、n)的普利茅斯(Plymouth)连接在—•起。自1961年建成后它成为两个地区的一个至关重要的交通纽带。这座桥具有对称儿何形状的常规设计，主跨为335m,两个边跨为lldnio钢筋混凝土主塔高达73m,采用沉井基础并直达岩面。主缆肓径为350mm,每根主缆由31根钢丝捻成，并设置间距为9.Im的垂肓钢索。加劲桁架为5.5米厚，由焊接的空腹箱梁组成。在2001年，按照欧盟指示对这座桥进行了加强和扩宽。尤其是采用了18根直径为lOOnun的预应力钢索对原来的悬索体系进行了补强，原来复合型的主桥面板被一个三车道的正交各向界性钢板代替，在桁架的每侧加上了单车道悬愕梁。现在对塔玛悬索桥布置了几种

5、监测系统。2007年菲尔徳人学(theUniversityofSheffield)的振动工程科开始临测桥面板和缆索的动力响应。这个临测系统包括8个缆索加速度计，3个安装在桥面上，3个仲长计用于测虽梁截面与主塔Z间相对运动。出于这个研究目的，模态参数是从加速度计信号中得到的，而加速度计信号是基于一种随机子空间识别(SSI)程序的数据激励方法处理的。自振频率和阻尼系数在每天中每隔十分钟通过随机子空间识别方法获得。图1塔玛悬索桥(英国普利茅斯)辉固结构监测公司安装一种附加的监测系统，并用来记录缆索荷载，结构和环境温度,风速以及风向的变化。感兴趣的是温度和风速的监测；桥面，缆索和温度被十个钠金电

6、阻温度计不间断的记录下来，在索尔塔什(Saltash)主塔顶部、底部和桥面线以上5米位置处的风速和风向被测量出來。读者可以参考文献［8］或［9］以便更加深入地了解塔玛大桥仪器设置和监测的过程。木论文考虑了两天时间的有价值的详细数据，这些数据包括桥而的自振频率、桥血•的温度和和桥而以上5山处的风速。为了确定桥面白振频率变化的影响因索进行了两个工作H连续的研究。首先，为了更好的了解口振频率潜在的发展趋势采用了主因子分析法。然后，采用元模型对输入温度和风速得到的反应数据进行分析。分析方法主因子分析法本文屮所采用的第一种分析方法就是主因子分析方法，在文献［10］'

7、＞对这种多变量的分析方法做了很

8、好的证明，在这里仅做简要的介绍。主因了分析法采取一个多变呆数据集合,并用一组新的变虽进行表达，或采用主因了，它是泊变量的线性组合。在这些新变虽中，第一主因子需要考虑在数据集合中占最大比例的变量，而这些变量能够用单-•的数轴进行描述。第二主因子需要考虑在数据集合中占笫二大比例的变量，而这些变量能够用单一的数轴进行描述，依次类推。如果原來的变量数目是p,相当于有p个新变量可能形成。如果主因了中的前n个能够表示人部分的变量，也就是说这n个