[分享]悬索桥的“原始指纹测试”

时间: 2020-08-01 06:43 阅读: 次大中小

概述

这个概念也是从前辈们那里听说的，最早见到一副照片，照片中显示的是汀九桥桥通车之前用超长卡车加载进行静态测试，测试关键桁杆应力影响线。这些在国内桥梁成桥试验中是没见过的。当然青马桥梁也做了静力影响线测试。

图1 汀九桥梁通车之前影响线测试

另外一个渠道是从清华大学，清华大学土木系在青马大桥通车之前承担了桥梁脉动激励下的模态测试，根据实测数据识别出了大桥几十阶模态。非常精细的模态测试在国内桥梁界也是几乎很难能够见到。请参考检师学社文章《香港青马桥时域模态识别》。

合起来看，关键部位关键参数静力影响线测试和详细的模态测试，就是桥梁“原始指纹测试”。桥梁建成后，通过试验的方式获得其力学行为特性，建立桥梁初始时期的原始基准，大白话就是桥梁刚刚建成时候是什么样的。设计院计算分析是桥梁的理论模型，理论模型与实际情况往往是有出入的。

《公路桥梁安全监测技术规程JT/T1037-2016》8.5.3条文如下：

其中基本思想就是，成桥模态与使用中桥梁模态的“相关系数”MAC，MAC值是表征两种状态下的模态差别。这里的“成桥模态”即来自于原始指纹测试中的动力特性测试结果，也可以称呼为动力特性原始指纹。

模拟案例

检师学社成员曾经为国内某悬索桥设计过“原始指纹测试”技术方案。考虑到国内工程实践中只有成桥试验，而成桥试验达不到原始指纹测试的详细程度。为此这个技术方案是在成桥试验基础上增加了“影响线测试”和“动力特性测试”两部分内容。最后，原始指纹测试部分未能获得业主采纳。

0.概述

“沪蓉西高速四渡河大桥成桥试验及‘初始指纹’测试”是交通部西部科研课题《高速公路结构健康检测关键技术研究》的依托工程项目。本项目一方面为四渡河大桥通车验收提供技术依据，另一方面为今后桥梁病害诊断提供桥梁初始状态信息，后者在桥梁诊断中非常重要。试验完成后在桥梁上安装一套加速度传感器系统，一方面满足科研的需要，更重要的是为今后桥梁运营中病害诊断提供数据。

这种测试在国内尚属首次，试验方案的设计一方面要参考国内外大型悬索桥成桥试验的经验，如日本关门桥、江阴长江大桥以及厦门海沧大桥等，同时还要借鉴安装了桥梁结构健康监测系统的桥梁“初始指纹”测试试验的经验，如香港青马大桥。

由于本试验的难度较大，所以试验的设计及实施要有国内一流实验室的配合和支持。

1.试验依据及参考资料

●《四渡河特大桥施工图设计》

●《公路悬索桥设计规范》

●《公路工程质量检验评定标准》

●《大跨径混凝土桥梁的试验方法》

●《公路桥涵设计通用规范》

●Final Report of Influence Line/Surface Measurements on Tsing MaBridge After The Completion of Surface Paving Works. 香港青马桥成桥影响线/影响面测试报告

●Ambient Vibration Measurement on Tsing Ma Bridge After TheCompletion of Surface Paving Works. 香港青马桥成桥脉动测试报告

2.试验内容

本试验包括以下内容：

● 成桥试验（包括静载试验和动载试验两个部分）

●桥梁静力影响线测试

●桥梁动力“初始指纹”测试

前两项测试是在通车之前实施，后一项测试在通车之后实施，这样可以利用交通荷载这一最好的“激励”，保证测试的质量和效果。

测试完成后，在桥梁上安装一套加速度传感器系统（这里暂称为动力特性监测系统），为今后桥梁运营中病害诊断提供数据。

3.试验目的

桥梁成桥试验是桥梁竣工验收的重要依据，包括静载试验和动载试验两部分。静载试验的目的是通过对结构整体刚度、内力以及重要构件的内力（或应力）的实测值与设计值进行比较，验证桥梁的使用安全性。桥梁动载试验测试桥梁动力特性，主要是结构频率、阻尼比和最大振幅等，其结果与设计理论值进行比较，验证设计的合理性，并对桥梁在动力荷载作用下的动力响应进行测定。动力特性是检验桥梁在汽车荷载冲击作用以及在风荷载、地震荷载作用下动力反应的重要依据。同时桥梁成桥试验能够为设计理论的改进提供数据。

静载试验目的是在各种工况荷载下，各个控制截面或者关键杆件的位移、内力（或应力）与设计理论对比，验证设计的安全性。静载试验只能验证对应荷载工况下的结构受力情况，而静力影响线的测量能够对各种静载下（包括荷载的组合）的结构反应进行验证，也就是能够考虑多荷载效应，同时静力影响线也是桥梁运营中病害诊断的重要依据。

桥梁各种损伤是局部的，最好的检测方法是利用无损检测技术对损伤部位进行检测，然而在损伤位置没有确定的情况下对桥梁，尤其是特大跨径的悬索桥或者斜拉桥，进行“普查”是不现实的，一般的解决方式是首先通过桥梁整体动力特性的测量，对桥梁进行诊断，定位损伤，然后应用无损检测技术对损伤进行详细检查。这也是桥梁结构健康监测的基本思路。几乎所有结构诊断方面的理论均认为有结构“初始指纹”的结构损伤诊断的能力要远远优于没有“初始指纹”的损伤诊断，然而这一点还没有引起国内工程界足够的重视。

4.成桥试验（静载试验）

4.1 试验项目

为对四渡河桥结构的设计安全度进行检验，拟进行如下项目的静载试验测定：

●加劲梁控制截面杆件应力；

●塔柱应力；

●主缆内力；

●吊索拉力；

●加劲梁竖向挠度；

●加劲梁梁端顺桥向位移；

●塔顶顺桥向位移；

4.2 传感器布点

请见图纸SDH-SY-01～9

4.3 荷载工况及观测内容

静载试验荷载效率取值0.8-1.0。

加载车辆如图1所示，

图2 静载试验加载车辆

各个荷载工况布载方式见图纸SDH-SY-10

各个荷载工况下观测内容如表1，其中荷载工况Ⅰ－1，2，3，4是根据计算分别使得截面S-1，S-2，S-3，S-4主桁架上弦杆或者下弦杆应变最大，Ⅰ－5使得主缆拉力增量最大，而荷载工况Ⅱ－1，2，3，4是使得跨中截面S-4产生最大扭转效应。荷载要分3-4级分级加载。

表1 成桥验收静载试验荷载工况及测量内容

序号	荷载工况	观测内容
1	Ⅰ－1	截面S-1的应变，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，附件吊索内力，塔柱应力
2	Ⅰ－2	截面S-2的应变，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，附件吊索内力，塔柱应力
3	Ⅰ－3	截面S-3的应变，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，附件吊索内力，塔柱应力
4	Ⅰ－4	截面S-4的应变，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，附件吊索内力，塔顶位移，塔柱应力
5	Ⅰ－5	主缆内力，加劲梁挠度，塔柱应力，加劲梁两端位移，塔顶位移，塔柱应力
6	Ⅱ－1	截面S-4的应变，截面S-4扭转角，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，塔柱应力
7	Ⅱ－2	截面S-4的应变，截面S-4扭转角，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，塔柱应力
8	Ⅱ－3	截面S-4的应变，截面S-4扭转角，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，塔柱应力
9	Ⅱ－4	截面S-4的应变，截面S-4扭转角，加劲梁挠度，加劲梁两端位移，塔柱应力

4.4 试验终止条件

结构控制截面的变位、应力（或者应变）如果在未加到预计的最大试验荷载前，提前达到或者超过设计标准的容许值。

5.成桥试验（动载载试验）

5.1 试验项目

●结构自振特性，频率和阻尼测定，采用常用的脉动测试法；

●结构在动力荷载下的动力反应测定。

5.2 传感器布点

成桥试验（动载试验）加速度计布点如图SDH-SY-11

5.3 荷载工况及观测内容

（1）桥梁结构自振特性的测量采用现场测试常用的“脉动法”；

（2）桥梁结构动力响应测量安排如下几种工况

表2 成桥试验（动载试验）荷载工况

序号	荷载工况		观测内容
1	Ⅲ－1	跑车试验，分40km/h，60 km/h，80 km/h	动荷载对桥梁的冲击系数和跨中和L/4截面垂向动位移幅度，并分析与车速的关系。
2	Ⅲ－2	跳车试验	跨中和L/4截面垂向最大动位移、垂向自振频率和衰减系数。跨中主桁上下弦杆的动应变。
3	Ⅲ－3	制动试验，分40km/h，60 km/h，80 km/h	顺桥向最大动位移、顺桥向自振频率和衰减系数。
以上各荷载工况加载车辆为两辆并排行驶。

6.影响线测试

6.1 影响线测试布点

影响线测试应变计布置与成桥试验（静载试验）相同，但是如果有资金或者时间等限制条件可考虑只测L/4和跨中两个截面。

图3 桁架杆件应力静力影响线测试布点图

6.2 荷载工况

荷载工况见图SDH-SY-12

影响线测试采用总重120-150吨的加载车辆1辆，或者其他可代替的加载车辆。

7.动力“初始指纹”测试

7.1 动力“初始指纹”测试的意义

桥梁各种损伤是局部的，最好的检测方法是利用无损检测技术对损伤部位进行检测，然而在损伤位置没有确定的情况下对桥梁，尤其是特大跨径的悬索桥或者斜拉桥，进行“普查”是不现实的，一般的解决方式是首先通过对桥梁整体动力特性的测量，对桥梁进行诊断，定位损伤，然后应用无损检测技术对损伤进行详细检查。这也是桥梁结构健康监测的基本思路。有结构“初始指纹”情况下的结构损伤诊断的效果要远远优于没有“初始指纹”的损伤诊断，然而这一点还没有引起国内工程界足够的重视。

7.2 测试方法及传感器布点

由于大跨径悬索桥自振频率较低，动力特性测试一般采用比较昂贵的伺服加速度传感器，加之动力“初始指纹”测试要求布点的截面较多，如青马桥加劲梁在26个截面布设加速度计，每个截面4-5个，如果每个截面同时测量，那么仪器的费用投资巨大。工程上采取了分截面测量最后组装成全桥模态的方法，这要求在合适的位置布设参考加速度计，每个截面进行测量的时候要与参考截面的加速度计同时测量。

图4 动力原始指纹测试布点图

7.3 结果整理

根据测试的数据应该识别出多少阶模态是四渡河桥动力“初始指纹”测试的关键问题，为此我们征询了香港青马桥监测室主任黄启远博士，黄博士的意见如下：

表3 拟识别出的模态

位置	方向	对称振形	反对称振形
加劲梁	横桥向弯曲	20	20
	竖向弯曲	20	20
	顺桥向	10	10
	扭转	15	15
主塔	顺桥向弯曲	20	20
	横桥向弯曲	20	20
	扭转	10	10
主缆	平面内	10	10
主缆	平面外	10	10

从青马桥的测试实践来看，由于在通车之前进行的测试，不能利用交通荷载这一比较好的激励，所以并没有识别出上表所示那么多的模态，如表4。

表4 青马桥动力“初始指纹”测试识别出的模态数

位置	方向	共计
加劲梁	横桥向弯曲	19
	竖向弯曲	13
	顺桥向
	扭转	7
主塔	顺桥向弯曲	10
	横桥向弯曲	12
	扭转	9
主缆	平面内	7
主缆	平面外

根据青马桥的经验，有专家建议四渡河大桥动力“初始指纹”测试在通车之后进行，具体能够识别出多少阶模态，视测试结果数据的质量而定，但至少不低于青马桥的测试结果。

8.动力特性长期监测系统

8.1 动力特性长期监测系统的作用

利用安装在桥上的加速度计可以定期采集数据，对桥梁的动力特性进行分析，然后与动力“初始指纹”数据一起进行桥梁损伤诊断，及时发现结构的病害，以采取紧急措施。

动力特性长期监测系统与结构健康监测系统一样包括传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和结构健康评估系统四部分，其中传感器系统安装在桥梁上、同时配备两台数据采集系统定期采集数据。数据处理与控制系统和结构健康评估系统为西部科研项目《高速公路结构健康检测关键技术研究》的成果，所以不再计入工程成本。

8.2动力特性长期监测系统传感器布点

图5 长期动力特性监测传感器布点图

9.试验使用设备

表5 静载试验及静力影响线测试设备

项目	设备	规格	数量
传感器及数据线	简易应变计	个	260
	振弦应变计	个	16
	屏蔽电缆	m	10000
仪器设备	低速采集仪	台	2
	振弦采集仪	台	1
	GPS	套	1
	全站仪	台	1
	静态应变仪	台	8
	集线箱	台	4
车辆、机具	30t试验车	台班	200
	120t试验车	台班	5
	桥梁检测车	台班	20
	磅秤	次数	205

表6 动载试验设备

项目	设备	规格	数量
传感器及数据线	铂电阻应变计	个	16
	伺服加速度计	个	16
	加速度计连线	m	2000
仪器设备	高速采集仪	台	2
仪器设备	动态应变仪	台	2
车辆、机具	30t试验车	台班	160
	120t试验车	台班	5
	桥梁检测车	台班	10
	磅秤	次数	165

表7 动力“初始指纹”测试设备

项目	设备	规格	数量
传感器及数据线	伺服加速度计	个	16
	伺服加速度计	个	3
	加速度计连线	m	2000
仪器设备	高速采集仪	台	2

10 其他说明

(1) 本方案只是初步设计方案，试验之前还要进行详细设计，其中要包括成桥验收的外观检查及几何测量部分；

(2) 由于没有进行详细计算，所以各种工况的加载通过估计得到，在试验详细设计阶段，要对布载进行详细的计算；

(3) 总的费用可以分成两个部分，一部分为成桥试验（静载试验和动载试验）费用，另一部分为影响线测试和动力“初始指纹“测试费用，后一部分的费用可归为交通部西部科研《高速公路结构健康检测关键技术研究》的依托工程费用。

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