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大型斜拉桥的动力试验
摘要
这篇文章介绍了对大型斜拉桥瓦斯科·达·伽马桥进行的动态测试,通过非常规的测试系统,利用由笔记本电脑进行同步的几个独立加速器,以及激光干涉测量系统对斜拉索进行非接触式动态测量。这个系统显得相当轻便,高效、准确, 针对桥的动态行为得出了一个非常大的高质量的数据库。从空气动力学和地震作用的观点来看，后续处理的数据吻合了所有关键的模态参数，这些数据还呈现出与设计阶段的3 d数值有限元模型相关值有很大的关联性。
简介
对于研究动力响应以及在交通荷载、风荷载、地震荷载作用下大跨度桥梁的承载状况来说，可靠的动态分析模型的发展至关重要。虽然复杂的有限元规范正用于这个目的,但他们的成功应用,是强烈依赖于以实验来验证结果。为了正确反映结构属性和边界条件，一次合适的实验校正和分析模型的验证就必须包含对大部分重要的结构模型参数（自振频率、震型、阻尼系数）的测定，并找出其与相关计算值的关系。
桥梁模型参数测定的动力试验可以大致分为以下三类：（1）强迫震动试验；（2）环境震动试验；（3）自由震动试验。
强迫振动试验与标准的试验模态分析技术直接相关,这项技术在早前开发并应用在机械、航空和航空航天工程。它包含了静定结构、超静定结构以及随机激励的应用与测定，不同点上结构响应的同步测定，以及后来的频率响应函数的估算。这些频率响应函数往往是多自由度模型测定算法的应用基础，而这种算法能够在信号捕捉时信噪比足够高的前提下使得模型参数的精确估算成为可能。
脉冲锤和电动振动器这两种设备适用于较小结构的强迫振动试验，比如板桥或者人行桥。当面对大型结构时，就需要用到更大型更昂贵的设备，比如偏心质量或者电液伺服振动机。当复杂的大型桥梁的固有频率在0-1HZ范围内时，提供高水平的控制激励仍然会更困难、更昂贵。由于力的大小取决于旋转频率的平方值，所以柔性结构上的正弦振动器的应用要求很重的设备，需要足够的资金，运输和安装阶段也尤为关键，除此之外，强大的能源供应也是必须的。
环境振动试验是一个很有趣的选择，这种试验方法成功应用于各式各样的民用建筑中，无论是大跨度桥梁还是小跨度桥梁，无论是高耸建筑还是堤坝，它都适用。这种方法只要求结构处在环境激励下进行测定其振动响应，通常是由风或者交通引起激励，并且能廉价而快速地得到模型参数的精确估值。这种方法的一大好处就是能避免测试期间由于大型振动机的安装而影响交通。测试程序通常包括对一个或者多个参考点以及沿着建筑设置的多个点的同步测定。假如激励点相对平均地分布在作用的频段上，通过几个点的测量很容易获得频域、 振幅和结构响应之间的相位关系，进一步就可以得到自振频率和震型的精确估计。
尽管模型的阻尼系数也可以通过环境振动试验的方法来测定，但得到的相应估值不是那么精确，这也可能是一些应用上备受关注的焦点。而大型斜拉桥和悬索桥的分析与设计就意味着需要对颤振空气动力不稳定的条件进行详尽的研究，在这种情况下，结构的阻尼就至关重要。因此在这种情形下，自由振动试验就更加适宜，在自由震动试验中，由初始扰动所引起的自由振动响应比环境振动试验中的响应强烈很多。借助以下方法即可完成自由振动试验：用易熔的构件将一根拉索与地面连接，并增加拉索的拉力至极限；或者在桥面上悬挂一定重量的重物，然后突然释放。
图1描述的是组成典型环境或自由振动桥梁测试系统的传统设备，其中包括：（1）一套传感器，能精确到1mu;g的一般强迫平衡加速度计；（2）放大器和滤波器单位，覆盖较高的测值，并通过给可选的低通提供较低的截止频率来删除信号中不想要的高频率值；（3）一个能够将模拟信号数字化为至少16位分辨率的模拟数字转换器，它能方便地由软件控制，可以存储很长的记录；（4）两台电脑，一台用来协调数据结果，一台用来运行所有的现场数据分析、模式形状动画以及打印。
虽然这种常规的环境振动系统已经被成功地使用（Brownjohn等人1989; Felber和Cantieni 1996），但是它们存在一些缺点，即一些缺乏可移植性，并且需要开发一个相当困难和繁琐的设置，使用数百米的拉索，其应该是坚韧的，屏蔽的，并且确保在很大距离上的信号损失和干扰最小。 除此之外，在斜拉桥的具体情况下，由于几个原因，对缆索进行系统动态测量的性能可能很重要（Cunha和Caetano，1999年）。
本文详细描述了最近在使用非常规测试系统的瓦斯科达伽马大桥上进行的动态测试。 该系统涉及多个独立的加速度计方便同步，以及用于拉索中非接触动态测量的激光干涉测量系统，被证明是相当便携，高效和准确的，导致创建了一个非常大的高质量数据库关于动态 桥梁的行为。 数据的后续处理允许从空气动力学和地震观点对所有有意义的模态参数进行精确识别，并且与设计阶段先前开发的3D数值有限元模型提供的相应值呈现非常好的相关性。
瓦斯科·达·伽马斜拉桥
葡萄牙的塔霍河新河口瓦斯科达伽马大桥长达17,300米，包括三座交汇处，长5公里的陆地，长达一万三千三百米长的桥梁。 该桥最近在EXPO-98国际展览会附近建成，并在主导航通道上包括一个斜拉索（图2），中间跨度为420米，横向跨度为62170.6 1 72米每侧，对应于过渡码头之间的总长度为829.2米。 桥面板宽31米，由两条横向预应力梁组成，高度为2.6米，通过板坯和横向钢筋梁连接。 它的总长度是连续的，并且通过连接到每个塔的48个拉索悬挂在52.5米的高度上。 两个H形塔在其基地的大块区域上方，高147米，旨在防止船舶碰撞。
动态测试的目标和任务
由于长跨度桥梁对空气动力学不稳定性问题的高度偏好以及葡萄牙南部的高地震风险，瓦斯科·达·伽马斜拉桥的动态行为已经被广泛研究，包括实验和数值方法。 特别是波尔图大学进行了动态测试，以便从空气动力学和地震学行为的角度来实验性地确定斜拉桥最相关的模态参数，并与由EEG开发的通过使用有限元程序Hercules的3D数值模型提供的相应参数相关联。
动态测试涉及：（1）评估加速度水平和适当参考部分的初步测量;（2）环境振动试验，以确定桥梁的全局固有频率和振型，测量沿着甲板和塔架的58个不同点的结构响应; （3）在重型卡车通过期间进行响应测量，通过发动机盖板，以增加垂直加速度;（4）自由振动试验，基于从甲板偏心悬挂的60t质量的突然释放，以便准确地测定模态阻尼因子;（5）使用传统的压电加速度计和干涉测量激光传感器来确定拉索的动态测量，以便测定整个结构的全局固有频率或拉索的局部频率;（6）与不同速度和多条车道的大型交通相关的动态放大因子（DAFs）的实验评估。
环境振动试验
开发了环境振动试验，采用六个独立的三轴加速度计进行振动测量，其中两个永久性地安装在给定的参考横截面（第10节，北三分之一跨度），而其余的则连续放置在28个不同的移动部分，桥面板和桥塔（图3）。 在所有部分中，传感器对位于横向，上游和下游，总是根据正交参考xx（纵向），yy（横向）和zz（垂直）定向。 这些加速度计在每个测量序列之前进行了适当的编程，原则上每20分钟开始一次采集。 考虑非常低的频率范围（0-1Hz），每个设置的采集时间总是为16分钟，采样频率为50Hz，最后获得平均频谱分辨率低于0.01Hz。在连续设置之前，改变加速度仪位置的时间是4分钟，除了在沿着塔的测量的情况下，由于需要将楼梯攀登到顶部，将加速度计运送到岩石袋中。由于捕获的信号水平相对较低，因此使用适当的放大系数，导致使用16位A / D转换器的精度优于0.015 mg（1 g / 2 16）。为了增加垂直分量中的信号水平，在重型卡车通过期间，还要进行振动测量，卡车质量为30吨，超过4厘米高的发动机板，放置在1/3跨度。值得强调的是，使用的测量系统被证明是相当实用和高效的，允许在2.5天内开展整个环境振动试验，不需要将18个力平衡加速度计的长拉索与传统的中心数据采集和处理系统连接。所获得的实验数据被定期下载到笔记本电脑的硬盘上，并随后进行分析和处理，以提取桥梁的全局模态参数。值得注意的是，虽然大多数信号处理和模态识别工作已经在实验室中开发，但是在测试期间甚至可以在现场进行信号处理和模态识别工作，前提是仅用于输出系统识别和模式动画的适当软件以前就已安装在笔记本电脑中。 除了这个测量系统，风速计仍然用于定期测量风速。 所获得的时间记录的检查显示，在环境振动试验期间结构响应有显著变化，这主要是由于风速的振荡。中跨区段测得的平均风速在1〜22米/秒之间变化，导致上升幅度相当大。 参考部位的加速度值（垂直方向为0.06-1.69mg，横向为0.03-0.35mg，纵向为0.03-0.13mg）。
固有频率的识别基于对应于每个部分（下游，上游，半和和半差异信号）的归一化加速度功率谱（NPSD）的平均值的峰值以及在几对点的同时测量得到的相关值（Felber 1993）。 基于16分钟的时间记录获得的平均频谱估计的频率分辨率为0.006Hz。 图4显示了与垂直（Z）和横向（Y）加速度分量相对应的平均归一化自动光谱（ANPSD）和交叉光谱（ANCPSD），其作为与测量i23不同部分相关联的NPSD和NCPSD光谱的平均值， 同时考虑半和差信号（上游 - 下游）。图5还显示了NCPSD光谱的振幅以及与第10和16部分同步测量相关联的相应相干函数。鉴于所获得的所有平均光谱估计值与鉴定表1中总结的固有频率测定值相符合，可见，在0-1.15Hz的范围内，估计值与数值模型提供的固有频率相对应。
频率在0-1.15Hz范围内的振动模式的测定基于传递函数（使用估计器H 1）和对应的相干性的估计，以及参考部分的环境响应（半和和差分信号 ，上游 - 下游），和沿着甲板和塔的其他测量部分的响应。 与几个部分相关联的每个固有频率（线性幅度）相关的那些传递函数的值之间的比率导出模态分量的绝对值，相应的信号已经根据相位演化进行了评估。图6示出了桥面板的一些已测定的振型，也呈现相应的数值模型，以及使用下一节中描述的自由振动测试识别的一些模态组件。
进行自由振动试验不仅是为了检查以前开发的环境振动试验的主要结果，而且基本上允许准确地测定与振动模式相关的阻尼因子，特别是在风荷载下对桥梁的动态响应有更重要的贡献。为此目的，靠近上游边界的距离北部（图7）的一段距离甲板附近的一个点悬挂了一个60吨的质量，随后释放出来，在16分钟内通过六个三轴加速度计记录了位于1/3和1/2跨度（上游和下游）部分的振动现象。为了验证风不会影响结构模态阻尼因子评估的准确性，引入空气动力学阻尼的一个部分，风速在中跨时间永久测量，将风速计连接到频谱分析仪，最大风速不超过2.5米/秒。
然后根据加速时间序列的傅立叶变换的峰值（图8和9）进行固有频率的测定。每一个序列（图10）由在50Hz下采样的32,768点形成，对应于655.36s的采集时间，导致最后的频率分辨率为0.0015Hz。
在固有频率测点周围，用一个带通10极巴特沃思数字滤波器来测定振型，并且比较不同测量点处的滤波信号的幅度和相位。 图6呈现了通过该程序测定的模态分量，其与通过环境振动测试获得的振型以及以数字计算的模态配置显然很一致。
最后，基于在0-1.0Hz范围内围绕每个固有频率的带通10极巴特沃斯数字滤波器获得的滤波信号的包络衰减进行模态衰减因子的测定（图11）。 由于模态阻尼因子的估计取决于振动水平，因此对应于自由响应的不同时间间隔进行了不同的指数回归。 表2显示了获得的平均估计值以及相应的变化间隔。
值得一提的是，除应用对数递减方法外，根据与测量响应相关的传递函数，在每个激发点上仍然使用频域多自由度识别算法RFP（有理分数多项式方法）（Han和Wicks 1989）。 由于当从桥面突然释放60吨的质量时，实际上没有检测到激发，所以传递函数被假设为输入作为脉冲负载，单位幅度在非常短的时间内被应用，导致光谱在有效的频率范围内具有几乎恒定的强度。 图12示出了根据该过程获得的两个传递函数，以及相应的合成传递函数，其基于使用RFP算法识别的模态参数来评估。
斜拉索的动力测量
试验目的
通常需要对斜拉索进行动态测量，以评估在斜拉桥的设计、施工和维护阶段的不同问题，例如：（1）拉索拉力的评估，这对于在成桥阶段中的正确对位和内力分配有重要意义，并且拉力随时间的变化可以就结构承载状况提供许多有价值的信息; （2）安装在拉索锚固附近的阻尼装置的阻尼特性的评估; （3）长期交通负荷造成的拉索疲劳问题的评估; （4）评估由于涡流脱落现象或因雨风的激发而引起的拉索振动的强弱程度，这对几个重要的斜拉桥的行为都有影响;（5）本地和全局固有频率的实验测定，这可能有助于验证和更新用于模拟风力或地震荷载下桥梁动态特性的有限元数值模型。
进行这种动态测量的最常见的方法是使用可以方便地连接到外部拉索表面的加速度计，这涉及在处理现代斜拉桥中常见的大量拉索上的相当困难且乏味的设置。 因此，在实际应用中，开发和应用新的测量系统是至关重要的，这些测量系统能够以简单舒适的方式实现系统的、准确的动态测量。
在这种情况下，在激光多普勒测速仪的基础上，还进行了瓦斯科·达·伽马斜拉桥的一些最长拉索中的一些振动测量，以便阐明这种测量技术的可靠性和实际效应， 以及能够避免与结构直接接触的显著优点。 拉索的动态测量与压电加速度计同时进行。 获得的结果清楚地表明，与常规加速度计相比，该激光系统的使用提供了极好的精度。 此外，还可以验证在实际应用方面该测量技术也体现出巨大的便利性。
固有频率的测定
为了测量一些最长的拉索中的振动，将加速度计拧在小金属立方体上，借助金属带牢固地紧固，方便地附着在拉索的外表面上。 这种比较乏味的准备操作，只有桥梁不开通正常道路交通时才能在所有拉索中系统地重复，通过起重机将加速度计放置在桥面板以上5米处，并测量垂直方向的振动 平面 1
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