懸索橋模型試驗技術(shù)分析論文

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摘要：特大跨度懸索橋相似模型的模態(tài)參數(shù)測定一直是一個難題。本文從模態(tài)分析基本原理出發(fā)，介紹解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)，并通過實(shí)例加以說明。

關(guān)鍵詞：懸索橋橋梁模型模態(tài)試驗

一、前言

試驗?zāi)B(tài)技術(shù)發(fā)展已將近20年，工程應(yīng)用亦十分普遍。一般橋梁結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)試驗，和大多數(shù)結(jié)構(gòu)模型一樣，因都是在線性小振幅范圍內(nèi)進(jìn)行，且頻率范圍適中，所以都比較容易做。但特大跨徑懸索橋相似模型的模態(tài)試驗卻不是這樣。

如全橋風(fēng)洞模型，因要求與原型相似，模型本身就是一座既柔又輕的結(jié)構(gòu)物。加上實(shí)際模型設(shè)計過程中，原橋結(jié)構(gòu)的剛度相似往往以脊骨形式滿足，質(zhì)量分布相似則以加集中質(zhì)量滿足，而加勁梁斯塔等又都要求氣動外型相似，故整個結(jié)構(gòu)質(zhì)地輕柔、形?quot;松散"。懸索橋相似模型的這些特點(diǎn)，使傳統(tǒng)的模態(tài)試驗方法產(chǎn)生如下幾個問題：

1．激勵錘作用在輕柔的模型上，出力大小不易掌握。太重，模型不能承受：輕了，能量不夠，遠(yuǎn)離激勵點(diǎn)的測點(diǎn)的傳遞函數(shù)（由于信躁比低）質(zhì)量會很差。

2．用隨機(jī)信號發(fā)生器驅(qū)動連接在模型上的電磁激振器，因為激勵模型的力是有一定周期的隨機(jī)躁聲且大小是可調(diào)的，所以能激發(fā)出模型比較理想的多階模態(tài)。但這里：①激振器與模型的連接桿對模型有一個附加質(zhì)量，當(dāng)模型本身的質(zhì)量貢獻(xiàn)不能忽略這個附加質(zhì)量的影響時，就不能用這種方法。②懸索橋橋塔和加勁梁（包括主纜）的低階振動模態(tài)是分開的，在橋塔上安裝激振器，基本不能激勵出加勁梁的模態(tài)。

3．模擬實(shí)橋環(huán)境隨機(jī)振動方法，對模型進(jìn)行隨機(jī)激勵，以能使全模型保持隨機(jī)振動狀態(tài)，測定模型各測點(diǎn)的響應(yīng)，用這些響應(yīng)的線性譜和（響應(yīng)對響應(yīng)的）傳遞函數(shù)確定模態(tài)參數(shù)。實(shí)測表明，由此得到的傳遞函數(shù)質(zhì)量比較差也難以滿足要求。

針對上述問題，筆者憑籍對模態(tài)試驗技術(shù)原理的深刻理解以及在各種結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗方面豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，采用一種"準(zhǔn)周期脈沖激?quot;（介于上述1，2之間）的方法，使特大跨徑懸索橋相似模型的模態(tài)試驗這個難題得到了解決。

二、模態(tài)試驗分析的基本原理

結(jié)構(gòu)模型可離散為某種具有N個自由度的線彈性系數(shù)，其運(yùn)動微分方程為：

給定輸入{f(x)}（可以是激勵錘產(chǎn)生的脈沖力，也可以是小型電磁激振器產(chǎn)生的隨機(jī)激勵力），測出模型的響應(yīng)信號（輸出）{x（t）}，就可以得到該模型的傳遞函數(shù)。用公式表示：

｛X(w)｝＝[H(w)]{F(w)}

對系統(tǒng)p點(diǎn)的激勵并在l點(diǎn)措振，可得到傳遞函數(shù)矩陣中的第p行l(wèi)元素

式中，φliφpi為l,p點(diǎn)的振型元素，從而對結(jié)構(gòu)上一（或多）點(diǎn)激勵，多（或一）點(diǎn)拾振，即可得到傳遞函數(shù)矩陣的某一列（或行），進(jìn)而計算出模態(tài)參數(shù)。

具體做起來，對錘擊法，單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)措振或多點(diǎn)激勵、單點(diǎn)措振都是一樣的；而激振器激勵一般采取單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)拾振方法。

三、模態(tài)試驗分析方法

"準(zhǔn)周期脈沖激勵"方法的思路是針對普通脈沖力出力偏大偏小都不妥而激振器激勵會產(chǎn)生附加質(zhì)量的影響提出來的。考慮用一個大小適中的脈沖力，按一定的周期連續(xù)地對模型進(jìn)行激勵，使模型始終保持振動狀（當(dāng)然，這種振動絕對是與錘擊力有關(guān)的）。同時測量,記錄輸入力和輸出加速度的時域信號，再進(jìn)行傳遞函數(shù)分析。

下面通過某長江公路大橋的例子介紹具體做法。

1．測點(diǎn)布置

把模型縱向分成10個斷面，每個斷面加勁梁和纜索上各兩個測點(diǎn)，所有測點(diǎn)都是二維的，整個模型試驗共60個測點(diǎn)。

2.幾項關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)測、分析過程中，主要把握以下幾點(diǎn)：

（1）激振。在激勵錘上安裝橡皮緩沖頭，既保護(hù)模型免遭硬物沖擊，又使脈沖力的作用時間加長，并且增強(qiáng)低頻段的能量。脈沖力作用周期為3～5s，視具體模型頻響特性而定。

（2）多點(diǎn)拾振。同時測量幾個測點(diǎn)的二維振動，一方面節(jié)省試驗時間，另一方面盡可能減少對（纖弱的）模型的敲擊次數(shù)。

（3）信號采樣和分析。懸索橋模型的感興趣頻率最高一般不超過10Hz，為此：①采用30～50Hz的采樣頻率，至少采滿51200個數(shù)據(jù)點(diǎn)；②做傳遞函數(shù)時，對力和響應(yīng)都加海寧窗；

③采取分段平均。以上措施可以保證傳遞函數(shù)在10Hz以前的質(zhì)量。

四、結(jié)論

做大跨度懸索橋相似（如風(fēng)洞）模型的模態(tài)試驗比較難做，本文介紹的方法解決了這一難題，實(shí)際模態(tài)試驗得到了理想的數(shù)據(jù)結(jié)果。其關(guān)鍵在于：

（l）提出了"準(zhǔn)周期脈沖激勵"的方法，并付諸實(shí)用；

（2）對模態(tài)試驗分析技術(shù)的熟練掌握，包括合適的激勵點(diǎn)和激勵角度、單點(diǎn)激勵和多點(diǎn)二維拾振等測振技巧。

順便指出：這里介紹的方法同樣適用于大跨度斜拉橋相似模型的模態(tài)試驗分析。