2012年--橋梁工程外文翻譯--溫度對一鋼-混凝土組合梁橋的每日模態(tài)變化的影響（譯文）

1、<p>　　5400漢字，3400單詞，18500英文字符</p><p>　　出處：Mosavi A A, Seracino R, Rizkalla S, et al. Effect of Temperature on Daily Modal Variability of a Steel-Concrete Composite Bridge[J]. Journal of Bridge Engineeri

2、ng, 2012, 17(6):979-983.</p><p>　　溫度對一鋼-混凝土組合梁橋的每日模態(tài)變化的影響</p><p>　　阿米爾答 Mosavi ，博士，PE ，M.ASCE 1 ; 魯道夫 Seracino ，博士2 ;薩米 Rizkalla ，博士，F.ASCE 3</p><p>　　1 nyvale，CA 94085，土木，建筑和環(huán)境的前身

3、，系心理工程，北卡羅萊納州立大學，羅利，NC27695-7533 （通訊作者）。電子郵 amosavi@scsolutions.com 2 工程，北卡羅萊納州立大學，羅利，NC27695-7533。電子郵箱： rudi_seracino@ncsu.edu</p><p>　　3 TAL 工程，北卡羅萊納州立大學，羅利，NC27695-7533。 電子郵件：sami_Rizkalla@ncsu.edu</p

4、><p>　　摘要：以振動為基礎的損傷檢測技術通常是以橋梁模態(tài)特性的變化作為橋梁可能損害的跡象。但是，結構損害不是這些變化 的唯一原因。本研究探討溫度變化在北卡羅萊納州的兩跨鋼 - 混凝土組合結構橋梁的模態(tài)特性的影響，并解決在其動態(tài)特 性中觀察到的日變化的程度和原因。現場測試包括對橋梁在整個夏季一整天的振動響應，撓度和溫度的測量。由一天不同時 間段的每組測量數據之間比較得到橋梁的動態(tài)特性。記錄的橋面板溫度和撓度用于報

5、告觀察橋在自振頻率狀態(tài)下的變化。現 場測試結果表明，溫度變化會引起模態(tài)變化的每日循環(huán)。能觀測到這種現象主要是由在橋面板上從晚上到中午的溫度梯度所 造成的。</p><p>　　分類號：10.1061/（ASCE)工學士.1943-5592.0000372。 ©2012年美國社會土木工程師。 ASCE 主題詞：組合梁橋，自振頻率，損傷，模態(tài)分析，溫度影響，混凝土，鋼</p><p>

6、;　　關鍵詞：加速度，鋼-混凝土組合橋梁，頻率響應函數，自振頻率，溫度，損傷識別，模態(tài)分析</p><p><b>　　作者簡介</b></p><p>　　1.結構分析師，資深大律師解決方案，公司1261奧克 m 德景觀道路，太陽 nyvale，CA 94085;以前，土木，建筑和環(huán)境工程，北卡羅萊納州立大學的 系，羅利，NC27695-7533（通訊作者）。電子郵

7、件：amosavi@scsolutions.com</p><p>　　2.副教授，土木學系，建筑與環(huán)境 工程，北卡羅萊納州立大學，羅利，NC27695-7533。電子郵箱： rudi_seracino@ncsu.edu</p><p>　　3.特聘教授，土木工程系，建設和使用環(huán)境工程，北卡羅萊納州立大學，羅利，NC27695-7533。 電子郵件：sami_Rizkalla@ncsu.e

8、du</p><p><b>　　請注意：</b></p><p>　　這個手稿于2011年5月1日與提交; 2012年1月18日通過審核；2012年1月20日在網上公布；討論時間開放至2013年4月1日;單獨的討論必須提交單 篇論文。本技術說明的是橋梁雜志的一部分技術說明。 17號6，2012年11月1日.©ASCE，ISSN1084-0702/

9、2012/6-979e983/25.00美元</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　自振頻率和振型是橋梁在其使用壽命中長期 監(jiān)測的基本特征。橋梁質量和剛度等物理性質的變 化導致其模態(tài)特性改變。因此，橋梁的模態(tài)特性已 被廣泛作為基于振動的損傷檢測技術的基礎。然 而，也有報道說環(huán)境條件的變化也會對橋梁結構的 模態(tài)性質有類似的效果。（Alampa

10、lli，1998年;徐和 吳，2007年; 西迪基等，2007年 ;DeWolf 等，1995 年 ; 傅和 DeWolf ，2001年; 瓦哈卜和 ROECK ， 1997年; 劉和 DeWolf 2006年; 法拉等，1997年）。 例如，每天或季節(jié)性的溫度變化可能會因為橋梁邊 界條件或撓度變化等引起橋梁的剛度變化（西迪基 2007 ; DeWolf 等，1995 ; 傅和2001年 DeWolf）。因 此，區(qū)分由環(huán)境變化和結構損害

11、引起的模態(tài)變化， 以減少溫度在基于振動損傷檢測程序的誤導作用 是至關重要的。</p><p>　　雖然許多研究者已經報道了溫度會引起橋梁 的動態(tài)特性的變化，但觀察到的模態(tài)發(fā)生變化的現 象較少受到重視。法拉和豪雷吉（1996）測量橫跨 新墨西哥州格蘭德河的 I-40大橋在自然頻率變化所 引起的鋼梁的破壞效果。這項研究發(fā)表了自振頻率 額混合變化與溫度的日變化有關。Alampalli（1998） 還指出在溫度變化的情況

12、下測量自振頻率難以觀 測小跨徑橋梁結構的損傷。徐和吳（2007）表明， 橋梁損傷的誤測可能是由溫度變化的改變引起的。 同樣，西迪基等（2007）顯示，在兩跨立交橋結構， 溫度變化和在橋面板上的混凝土保護層損傷在導 致橋梁自振頻率的變化上是同一個級別的。瓦哈卜 和 ROECK（1997）和劉和 DeWolf（2006）在兩個 單獨的混凝土橋梁上研究了季節(jié)性的溫度變化的 對自振頻率的影響，并發(fā)現橋梁自振頻率的變化在 一年內可高達5-6％。法

13、拉等人已經報告了自振頻率 變化的幅度在 24h 內與第一個自振頻率相近。（ 1997）。然而，少數的研究人員（DeWolf 等，1995 ; 傅和2001年 DeWolf）已經調查溫度的變化會影響橋 梁的模態(tài)特性的可能原理。</p><p>　　該研究得到了在一個兩跨鋼 - 混凝土高速公 路橋梁的現場檢測結果，并探討其中相對簡單的橋 梁在一天內動態(tài)變化的可能機制。在此現場測試 中，通過儀器的沖擊錘施加沖擊荷載對橋

14、梁進行激 振，并在一天的不同時間對振動響應進行了測量。 并在一天中的三個不同的時間對橋梁對應的溫度 和撓度進行了測量。觀察到在一天中的不同時間測</p><p>　　得的自振頻率的的變化與測量撓度（撓度）和溫度 有關。日常模態(tài)變化的最可能是因為在橋梁的橫截 面上溫度梯度在白天和夜晚的差異。</p><p><b>　　2.現場測試</b></p><

15、;p>　　2.1橋梁結構的說明</p><p>　　該測試的雞公路大橋是位于蘭伯頓，北卡羅萊 納州的一座立交橋結構。該橋建于2007年，是一座 兩跨（41.28和38.96m 跨度）四車道橋面板總寬度 為10.99m 并且?guī)缀跖c路面成46度斜交的鋼-混凝土 組合斜交橋，如圖（圖1） 該橋是每跨由等距為3m 高為1.5m 的4片鋼梁的東西走向的復合材料橋。鋼 筋混凝土橋面為300mm 厚。每個跨度的混凝土橋面

16、 端部用熱敏伸縮縫隔開。鋼梁被簡支在橋墩頂部的 氯丁橡膠墊上。中間橋墩由三排鋼筋混凝土墩柱和 頂部的柱帽組成。</p><p>　　圖1 雞公路大橋（從東北看）</p><p>　　2.2儀器儀表和數據采集</p><p>　　主要儀器是六個 PCB 股份有限公司的393A03 型號單向加速度計，這些加速度計靈敏度為1 V / g， 設置的最大范圍為±0

17、.5 g。能夠在0.5-2,000Hz 的頻 率范圍內進行測量。這些加速度計被安裝在鋼梁底 部凸緣的豎直方向，如示于圖（2）。加速度計位置 避免與橋梁任何的主要振型的穩(wěn)態(tài)節(jié)點重合。在一 天中三個不同時間記錄三組測量中，記錄的第一組 測量為2008年8月16日的午夜十分。第二天早上早 上7點附近進行第二組測量，而最后一組測量記錄 為當天中午附近。在第三組測量值中（1，4，5， 和6）四個位置的加速度計被改為測量主梁 A1的網 絡上的橫向振

18、動。這些橫向測量并沒有出現數據， 因為橫向加速度相對于信噪比很小。這座橋在整個 測試項目與通車相接近。</p><p>　　A 跨的四個鋼梁跨中撓度在24 h 內均使用拉繩 式傳感器測量。用熱電偶連續(xù)監(jiān) A1和 A2梁底梁和 法蘭盤頂部的鋼板表面溫度，以及梁 A1和 A2的中</p><p>　　間橫隔板之間的空氣溫度。在振動測量的同時用非 接觸式激光熱電偶測量在混凝土橋面板整個頂板 表面

19、溫度。用一個配有測力傳感器的大沖擊錘來激 發(fā)橋的振動響應（激振），如圖（3）。如前所述， 在在一天中的三個不同的時間進行激振。該錘的測 力傳感器具有0.23mV / N 標稱靈敏度和±45kN 的峰 值幅度。在橋梁的混凝土橋面選擇六個位置用于施 加沖擊載荷。這些位置正好在安裝于 A1梁的加速 度計上方。在這些六個位置都重復加載五次，以減 小的測量噪聲和激發(fā)特性的影響。數據采集系統(tǒng)配 有模擬和有限脈沖響應濾波器的組合，以提供抗混

20、 疊濾波能力。此外，每個數據采集系統(tǒng)中的傳感器 信號感應卡采用24位模擬數字轉換器。所有的數據 采集的采樣頻率為2048Hz。以0.0078 Hz 的分辨率 收集的加速度和加載的時間關系按標準算法來推 導頻率響應函數（頻響函數），在后面的章節(jié)將介 紹。</p><p>　　圖2 橋上加速度計的位置</p><p><b>　　3.實驗數據的分析</b></p&

21、gt;<p>　　為了研究溫度對橋梁模態(tài)特性的影響，橋梁的 自振頻率均源自所計算的頻響函數。多個輸入和輸 出的數據為在一天中不同時間加載位置和6個加速 度計相應的測量結果。為了計算出頻響函數，指數 函數窗口用于輸出雞公路大橋（由東北看）的測量 圖（1），一個力的窗口被應用到輸入的測量。五組</p><p>　　響頻函數獲得每個輸入/輸出位置作為在任何輸入 位置 5 次迭代加載的結果。取頻響函數的平均

22、值來 減少測量噪聲和激發(fā)特性的影響。對應的相干函數</p><p>　　（> 0.93），表現出了滿意的噪聲級別。圖 4（a） 表示在一天中的三個不同時間，在 5 號位置 5 次迭 代加載和 2 號位置傳感器的振動測量的一個例子計</p><p>　　算出的頻響函數的平均值（ H25 ）。峰頻對應于橋梁 不同振動模態(tài)的自振頻率。研究數據表明，發(fā)現七 個自振頻率低于 20Hz。<

23、/p><p>　　圖4（a） H25 在一天的不同時間的平均值，（b）及（c）放</p><p><b>　　大 H25</b></p><p>　　在一天的不同時間內的兩個頻段</p><p>　　在圖4（a） ，頻響函數的平均值在夜間和早晨 測量的峰頻高度一致，而中午測量顯示的峰頻對于 其他兩個頻響函數平均值之間有突變

24、。將這些曲線 圖放大觀察到的的頻響函數變化如圖 4（b 和 c） 。</p><p><b>　　4.數據和結果分析</b></p><p>　　圖3 采用沖擊錘的儀器使橋梁激振</p><p>　　理解到導致橋梁的動力學特性變化的結構改</p><p>　　變的機理是一個復雜的問題，但事實上，所選擇的 橋每跨都為簡

25、支并由一個伸縮縫分離，簡化了研 究，更好理解其中的模態(tài)發(fā)生變化的機制。因此， 所有的振動，偏轉和溫度測量僅在橋 A 跨進行，在 隨后的結果討論也僅僅限于這些測量。</p><p>　　橋的前五個自振頻率用于做比較。將一天中不 同時間測量的前五個自振頻率的平均值列于表1。 表1的自振頻率值取自30組頻響函數的平均值。因 為在橋梁三個不同位置進行五次迭代加載，所以取 兩個加速度計位置（2號和3號加速度計）的振動響 應

26、測量值為這30組頻響函數的數據。30組不同自振 頻率測量的頻響函數的標準差也列于表1。小的標 準偏差顯示出了高精確度的測量和每天同一時間 測試的接受度。這也表明，自振頻率在一天中的不 同時間觀察到的自振頻率變化不是由于在測量時</p><p>　　表1 實驗在一天中不同的三個時刻實測的自振頻率和溫度</p><p>　　的可能誤差。在一天中不同時間測得的前五個自振 頻率的平均值和標準差示

27、于圖5，圖5清楚地表明， 在中午所測量的自振頻率相對于在早上和晚上的</p><p>　　測得的自振頻率都增加，增加的固有振動頻率的量 遠遠高于參與計算的自振頻率的標準差。</p><p>　　圖5 橋在一天中的不同時間測量的前5個模態(tài)頻率</p><p>　　相對于從夜間測量得到的自振頻率，自振頻率 的百分比偏差也列于表1。結果表明：測量的前5個 振態(tài)頻率在早上

28、和晚上沒有明顯的變化，而在中午 測量的自振頻率可以在所有模式下觀察到幾乎1-2</p><p>　?。サ淖兓Ｋ涗浀臏囟仍?4h 的期間如圖6（a） 。 陰影區(qū)域對應于振動測量的時間為晚上，早上，中 午。A1梁頂部的一個熱電偶最初是不穩(wěn)定的，因此， 在這段時間內所收集的數據未在圖圖6（a）中示 出 。A1梁和 A2梁測得的平均溫度示于表1。表1 中，從夜間到早晨，在底部的法蘭盤溫度變化最大， 為-2.8℃；而

29、在混凝土橋面板溫度變化最小， 為</p><p>　　+0.6℃。溫度的變化在夜晚到中午有顯著提高。溫 度變化最大和最小分別為混凝土橋面板（+15.8℃） 和在底部法蘭盤（+3.3℃）。更重要的是，在早上和 晚上測定的溫度，混凝土橋面板和鋼梁的頂部法蘭 盤比鋼梁底部法蘭盤的低；而中午測得的溫度，混</p><p>　　凝土橋面板和主梁頂部法蘭盤都比主梁底部法蘭 盤高。因此，溫度除了從晚上到

30、中午有大變化，溫 度曲線圖在主梁頂部和底部法蘭盤之間有突變。在 混凝土橋面板和鋼主梁從早晨到中午溫度梯度的 突變這正好符合表1中所觀察到的峰值頻率偏移。</p><p>　　在 A 跨的三片梁的跨中實測撓度如圖6（b）所 示。測量偏差以凌晨1點的測量值為參照值，并且 以向上變形為正。陰影部分對應于晚上，早上，中 午的振動測量。三片梁從晚上到早晨出現了小幅度 向上的撓度，從晚上到中午出現比較大的向上的撓 度。從夜晚

31、到早晨相對撓度可以忽略不計，這恰好 與溫度和自振頻率不變一致。另一方面，所有三片 主梁從夜晚到中午的撓度有明顯變化，這與溫度的 突變和自振頻率的變化是一致的。</p><p>　　橋梁從晚上到中午所觀察到的相對撓度，與溫 度梯度突變會使復合材料橋梁橫截面產生次彎矩 和次內力。溫度荷載可導致復合材料橋梁在整跨的 橫截面上產生負彎矩。這主要因為混凝土板和鋼主 梁頂部法蘭盤相對于鋼梁的底部法蘭盤有較低的 溫度。 混凝土

32、板在夜間和清晨測量的低溫導致混 凝土板相對于鋼梁底部法蘭盤收縮。這種在夜間和 清晨的相對收縮會在整個復合材料橋梁的跨徑方 向的橫截面產生負彎矩。與此相反，在混凝土板相 對鋼梁的底部法蘭盤溫度較高會導致在中午混凝 土板相對于鋼梁底部法蘭盤相對膨脹。此相對膨脹 會于中午在整個橋梁跨徑上的橫截面產生正彎矩。 因為溫度荷載的唯一區(qū)別是在晚上，早晨和中午之 間，而整個橋梁跨徑橫截面由溫度引起的正負彎矩 之間的區(qū)別是鋼梁的中午相對晚上有向上撓度的

33、主要原因。最后，橋梁的剛度會受到從晚上到中午 橋梁輪廓和撓度變化的影響。橋梁剛度的可能改變 是在橋梁輪廓上考慮非線性 P-Delta 效果（重力二 階效應分析）和大撓度效應的直接結果。最后，橋 梁輪廓和剛度的改變會導致橋梁從晚上到中午的 自振頻率的變化。</p><p><b>　　5.結論</b></p><p>　　對一個兩跨鋼—混凝土組合結構斜交橋 梁的響應在2

34、4h 內進行了監(jiān)測，以解決橋梁的模態(tài)頻率存在日變化的可能原因。在夏季的整個一天記錄橋梁撓度，溫度和加速度測量值。在在測量的自振頻率的變化對一天內不同時間溫度和撓度的變化的測量值進行研究。觀察橋從晚上到中午的自振 頻率有一致的變化，而從晚上到早晨自振頻率并沒</p><p>　　有顯著改變。從晚上到中午自振頻率的突變與晚上 至中午橋梁復合截面溫度梯度的突變是一致的。</p><p>　　圖6

35、（a）A 跨溫度變化（2008年8月16日），（b）對應的跨中 撓度</p><p>　　溫度梯度從晚上到白天的突變是鋼梁產生一 個較大的向上撓度和自振頻率測量值變化的最主 要原因，一個比較大的向上撓度?？紤]到非線性</p><p>　　P-Delta 效果（重力二階效應分析）和大撓度的影響 這種向上的撓度改變了橋梁輪廓，甚至可能改變了 橋梁剛度。一個全面的實地考察與一系列完整的長 期撓度

36、測量連同證明分析函數對驗證提出的自振 頻率觀測值的變化的原因是必不可少的。了解到模 態(tài)變化的機理，由于溫度變化可以幫助人們更好地 規(guī)劃橋梁的振動測量以達到損傷檢測的目的。這可 以通過在記錄溫度和橋梁撓度曲線相似的一天的 振動數據來實現。另外，發(fā)現的自振頻率變化的統(tǒng) 計關于的氣溫變化以及建立測量頻率和溫度之間 的數學關系，可以幫助，可以幫助區(qū)別溫度荷載和 損傷引起的自振頻率的變化。</p><p><b>

37、;　　6.致謝</b></p><p>　　我們?yōu)楸笨_來納運輸部門（NCDOT）讓我 們有權訪問并收集有關橋梁的數據而感謝。特別感 謝舊金山莫雷拉博士誰協(xié)助進行數據收集。這種材 料是基于由美國國土安全部美國下獎號碼支持的</p><p>　　工作：2008-ST-061-ND 0001。本文件所載的觀點和 結論是那些作者的，不應該被解釋為一定代表官方 政策，包括任何明示或暗示

38、的保證，國土安全部美 國。</p><p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　Alampalli, S . (1998). “Influence of in-service environment on modal parameters.” Proc., 15th Int. Modal Analysis Conf .,

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