杨泗港长江大桥模态参数识别与分析

1 工程概况杨泗港长江大桥是主跨为1 700 m的双层公路悬索桥。锚碇基础采用圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬支护结构。主塔塔身采用钢筋混凝土结构，横梁采用预应力混凝土结构。主缆跨度布置为465 m+1 700 m+465 m，中跨主缆矢跨比为1/9。加劲梁采用华伦式桁架钢桁梁,梁高10 m，宽32.5 m。上、下层车行道桥面系均采用正交异形钢桥面板。2 理论分析2.1 有限元模型的建立借助midasCivil2017桥梁专用有限元软件，建立成桥有限元模型，主桁、横梁、桥面板、主塔等离散为空间梁单元和板单元，正交异形桥面板的重量加到上、下桥面的横梁上，主缆和吊索用索单元模拟，桥梁各部位边界条件见表1。三维有限元模型如图1所示。表1 桥梁各部位边界条件图1 杨泗港长江大桥三维有限元模型示意2.2 理论计算结果基于有限元模型，对桥梁结构进行特征值分析，得到大桥理论计算频率，见表2。表2 杨泗港长江大桥理论模态参数3 模态参数测试3.1 基本原理基于环境随机激励的模态测试是一种直接利用自然环境激励（风、地脉动、水流等产生微弱振动），通过高灵敏度的加速度或速度传感器，拾取各测量部位的环境振动响应。基于参考点的随机子空间模态参数识别法是根据参考点和各移动点之间的相关性，利用环境激励下测得的时域数据，将输出的行空间投影到过去输出的行空间，采用有效的数学处理方法，得到离散后的系统状态空间矩阵，从而识别桥梁模态参数的方法。3.2 测点布置对于1 700 m跨径悬索桥，从经济和结构等方面考虑，若在全桥所有自由度上布设传感器并不现实，因此有必要对传感器的数目和测点定位进行优化设计，采用尽可能少的传感器得到最可靠、最全面的桥梁状态参数。根据桥的结构形式，采用在上层桥面板钢桁架位置附近布设传感器，同时结合理论计算振型，避开振幅较小的节点位置。本次主桥振型测试将在主梁12等分点、主塔2分点、主缆4分点处布置测点，参考测点选在主梁的5/12截面处右侧，共设置19个测点。用1台仪器固定在参考点处，其余仪器可移动测量，全桥共分7批次测量。第1次测量1、2、3、4点；第2次测量4、5、6点；第3次测量4、7、8、9点；第4次测量4、10、11点；第5次测量4、12、13点；第6次测量4、14、15、16点；第7次测量4、17、18、19点。模态试验测点布置如图2所示。图2 模态试验测点布置示意3.3 数据采集与处理对于1 700 m超大跨径悬索梁，其振动信号具有超低频、大幅值的特点。根据理论计算，该桥前10阶计算频率在0.01~0.5 Hz。实桥测试时规模大、传感器的点数多，正确采集、处理数据是桥梁结构动力分析的关键。主桥试验采用1 B 101压阻式加速度传感器，分析频率设定为4 Hz；采样频率设定为9.1 Hz；FFT块大小8 192，共4块，分4次平均；频率分辨率为9.1/8 192 Hz=0.001 Hz；每次采样时间为60 min；数据用汉宁窗加以平滑。3.4 模态参数识别采用某无线桥梁模态测试分析系统DH 5907 N对该桥模态测试信号进行时域分析，得到桥梁的模态参数（频率、振型、阻尼比）见表3。表3 实测模态参数与理论值对比4 分析与讨论依据理论计算及实测数据可得出以下结论。（1）杨泗港长江大桥前10阶自振频率均小于0.3 Hz，符合超大跨径桥梁具有超低频的特点。一阶振动为主梁侧向弯曲，符合本桥宽跨比（B/L=1/61）较小的特点。二阶振动出现主梁纵向漂移，符合本桥漂浮体系的特点。一阶扭转振型出现在横弯和竖弯振型之后，与主梁具有较大扭转刚度的结构形式相符，一般来说颤振临界风速与扭转频率呈线性关系，该结果对结构抗扭及避免结构颤振较为有利。本桥横弯、竖弯、扭转频率均很小，故其相应的周期都很长，再加上主梁采用较轻的钢梁，对结构抗震较为有利。（2）桥梁各阶实测振动频率均大于理论计算频率，根据结构频率与刚度的正相关性可知，桥梁实际刚度大于理论计算刚度。桥梁各阶实测振型均与理论振型相符，实测数据能够很好地反映桥梁的振动，桥梁整体状况良好。桥梁各阶实测阻尼比为0.662 %~5.910 %，与同类桥型基本一致，均在正常的范围。5 结论建立了杨泗港长江大桥的有限元模型，对其进行了自然环境随机激励的模态测试，采用了基于参考点的随机子空间模态参数识别法，对该桥的模态参数进行了识别，最后对比分析识别结果与有限元模型计算结果，评价了该桥的设计与施工质量，结论如下。（1）理论计算结果与测试结果基本吻合，测试数据质量较好，测试结果可靠。（2）基于参考点的随机子空间模态参数识别法能够通过尽可能少的传感器来获取最可靠、最全面的桥梁模态参数，从而有效降低测试成本。（3）本次模态试验准确识别出了该桥的各模态参数，对评价该桥的设计与施工质量，为该桥安全有效运行提供了坚实依据。通过对该桥模态参数的测试与分析，可以确定该桥动力特性满足设计要求，桥梁具有较好的