汕头海湾大桥整体自振模态的测试与分析

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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行了详细说明。在采样频率已经合理设置的条件下如何进一步提高频率分辨率、获取足够的频率分析精度和阻尼分析精度本文也进行了论述。实测结果表明：相同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、前言汕头海湾大桥位于汕头港的人海口，大桥全长2500m，其中主桥长760m，采用154＋452＋154（m）三跨双铰预应力混凝土加劲箱梁结构

2、体系，引桥部分除在北副航道处设2孔50m刚构外，其余均为钢筋混凝土多片式T梁，下部结构采用双柱式桥墩。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60kin／h。由于该桥是我国第一座现代化的大跨度悬索桥，其设计及施工经验明显不足，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结构的模态参数，被

3、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，如果发生病害或者实际约束状态发生改变，则桥梁结构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。受汕头海湾大桥有限公司的委托，铁道部科学研究院于1999年11且对大桥进行了首期全面运营监测，本文介绍模态参数测试部分的分析方法与有关结论。二、该桥用脉动试验法测试、分析结构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结构，在动态测试之前，应结合结构的构造特点并结合可靠

4、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。具体地说，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结构的振动模态。这种整体低频的上限按设计计算将是1.0Hz，应该看到；对于这种大型复杂结构的实际模态振型是受多种因素影响的，实际结构的模态振型对实际约束状态是相当敏感的，而实际结构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

5、频率与理论计算频率上的偏差，有时这种偏差还比较大。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，因为主桥结构的特点是每一梁段用4根吊索与主缆相接，从结构受力上分析，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，为避免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，否则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，使得后续的频域分析了可能正确，最后导致

6、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3～4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40／4096＝0.0098Hz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

7、足本结构频率识别的要求。（4）在阻尼比的分析中，采用了更高的频率分辨率，即一次功率谱密度分析中的分析点数打破4096点的限制，利用了Matlab分析软件，把分析数据点数加长到诸如10240，20480等以上，极大地提高了阻尼比ξ的分析精度。分析中分析点数最多取多少，视阻尼比ξ的分析值是否达到稳定而定。此外，为消除噪声的影响，在谱分析中采用了多次平均技术；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ASQ－500型低频

8、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，否则在采样频率比较低的条件下极易产生高频混叠，而ASQ－500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