基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的斜拉橋模態(tài)頻率變化特性分析

1、1 基于 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的斜拉橋模態(tài)頻率變 測(cè)數(shù)據(jù)的斜拉橋模態(tài)頻率變化特 化特性分析 分析 孫利民 1，周毅 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092 1lmsun@#edu.cn 【摘要】 【摘要】 “基于實(shí)測(cè)模態(tài)頻率的變化對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估” 是本文的出發(fā)點(diǎn)。前期研究發(fā)現(xiàn)， 環(huán)境因素可以比結(jié)構(gòu)損傷引起模態(tài)頻率更大的變化， 因而有必要把握環(huán)境因素對(duì)頻率的影響規(guī)律， 以消除其造成的影響。對(duì)東海大橋主航道斜拉橋五年

2、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示， 模態(tài)頻率存在長周期的變化成分，主要的周期成分如 1 年、1 周、1 天、12 小時(shí)等。本文考慮溫度、車流等環(huán)境因素對(duì)第一階豎彎和第一階側(cè)彎頻率的影響， 對(duì)頻率變化的主要周期成分所產(chǎn)生的原因進(jìn)行了推測(cè)，并在 1 年、1 周、1 天、12 小時(shí)四個(gè)周期成分上對(duì)頻率的變化進(jìn)行了回歸建模。本文的工作可以為基于模態(tài)頻率變化的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供參考。 【關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；東海大橋；模態(tài)頻率；環(huán)境因素 【ABST

3、RACT】 Vibration-based structural health monitoring utilizes variation of modal parameters to assess structural condition. However, it was widely recognized by many researches that modal parameters can be influenced by en

4、vironmental factors and it is necessary to investigate the correlations of environmental factors and structural modal parameters to “normalize” the environmental condition. Based on the long-term monitoring data recorded

5、 by the Donghai Bridge Structure Health Monitoring System (DBSHMS) from 2007 to 2011, this paper studied the variation of modal frequencies of the main navigation channel bridge (MNCB), a cable-stayed bridge with a steel

6、-concrete composite girder of 420m central span. The spectral analysis showed that the variation of modal frequencies possessed some long periods components such as 1 year, 1 week, 1 day, 12 hours and so on. Focused on t

7、he first vertical bending mode and the first lateral bending mode, this paper took such environmental factors as temperature, traffic loads into consideration and inferred the reasons for those long-period variation comp

8、onents of modal frequency, respectively. Moreover, the regression analyses were also conducted for each variation component. Results of this study could contribute to a better understanding on the behavior of long-span c

9、able-stayed bridges and benefit the maintenance of bridge. 【KEYWORDS】 Structural Health Monitoring；Donghai Bridge；Frequency；Environmental Factors 3 3 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)和方法 和方法 3.1 溫度數(shù)據(jù) 主航道斜拉橋上的溫度傳感器包括氣象站中的溫度計(jì)（WS*）、箱梁內(nèi)空氣溫度計(jì)（RT*）、鋼結(jié)構(gòu)溫度

10、計(jì)（ST*）、混凝土結(jié)構(gòu)溫度計(jì)（CT*）、溫度補(bǔ)償用溫度計(jì)(TB*)。經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)，沿主梁縱向各個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)間的整體變 化趨勢(shì)相似， 且文中不考慮溫度梯度對(duì)頻率的影響， 所以采用跨中斷面上的傳感器 ST004 和 CT006 的數(shù)據(jù)分別代表鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的溫度狀態(tài)。由于監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)穩(wěn)定性的原因， 部分時(shí)段的數(shù)據(jù)丟失或存在明顯錯(cuò)誤， 文中采用線性插值的辦法確定了這部分?jǐn)?shù)據(jù)， 并對(duì)五年數(shù)據(jù)進(jìn)行了滑動(dòng)平均和減采樣， 最終的樣本間隔為 1

11、 小時(shí)。 3.2 加速度數(shù)據(jù) 本文利用加速度數(shù)據(jù)獲得了反映振動(dòng)強(qiáng)度的加速度 RMS 值，以及主航道斜拉橋的第一階對(duì)稱豎彎頻率和第一階對(duì)稱橫彎頻率。 因?yàn)闆]有動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)， 所以這里采用加速度 RMS 值來代表車輛的加載效應(yīng)。原始的豎向、橫向加速度數(shù)據(jù)分別來自監(jiān)測(cè)截面 7 上的加速度傳感器 5AV006 和 5AH003。 3.3 分析方法 本文的主要分析思路如錯(cuò)誤 錯(cuò)誤!未找到引用源。 未找到引用源。所示。 首先通過功率譜分析確定原始信

12、號(hào)中的周期成分， 通過相關(guān)函數(shù)考察變量間的線性聯(lián)系。本文通過下式計(jì)算變量間的互相關(guān)函數(shù)，分析頻率與溫度、頻率與RMS 間的線性聯(lián)系及變量之間的時(shí)間延遲： (1) 其中分子 為兩變量之間協(xié)方差的估計(jì)，分母 為兩變量標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)的乘積，相關(guān)系數(shù) 。在 0 步延遲時(shí)的相關(guān)函數(shù) 表明兩變量正相關(guān)； 表明兩變量負(fù)相關(guān)。對(duì)于正相關(guān)的情況，尋找相關(guān)系數(shù)的最大值 及其對(duì)應(yīng)的延遲 ， 越大則正相關(guān)越顯著； 對(duì)于負(fù)相關(guān)的情況，尋找相關(guān)系數(shù)的最小值 及其對(duì)應(yīng)的