环境温度对连续刚构桥模态频率的影响
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影响， 这 对基 于 动力 的结 构 损 伤识 别 产 生 不 利 的 影 响口 ］ 。例 如 ， 研究 显示 昼夜 温差 和季 节温 差将 会 导
１ 下 白石 大桥 环 境 温 度 监测
１ ． １ 下 白 石 大 桥 温 度 测 点 布 置
致桥 梁两 端 约 束 程 度 和挠 度 的改 变 ］ 。 由于 环 境
环 境 温度 对 连 续 刚构桥 模 态 频 率 的影 响
余 印根 ， 宗周 红 。 ， 陈 宝春 ， 夏 樟 华
（ １ ． 福 州大学土木工程学院 福州 ， ３ ５ ０ １ ０ ８ ） （ ２ ． 东南 大学土木工程学院 南京 ， ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
摘要
针 对 环 境 温 度 对 大 跨 度 预应 力 钢筋 混凝 土 连 续 刚 构 桥 的频 率 影 响 问题 ， 通 过 下 白石 大 桥 健 康 监 测 系 统 的 温
关键词
连 续 刚构 桥 ；桥 梁 健 康 监 测 ；模 态 频 率 ； 环境温度 ； 数 理 统 计
Ｕ４ ４ ６ ； Ｕ４ ４ ８ ． ２ ３
中图分类号
基 于沈 海线 （ 闽） （ Ｇ１ ５ ） 福 宁高 速 公路 下 白石 大
引 言
基 于振 动测试 的桥梁 自动 实 时监测 系统 由于 输
桥 梁动 力特 性 的影 响在桥 梁健 监 测损 伤识 别 中是
不 可忽 视 的 。
近 年来 ， 研 究人 员 开 始 关 注温 度 对 桥梁 动 力 影 响 的机 制口 ］ 。文献 ［ １ ２ ］ 以香 港 汀九 大桥 ６ ０ ０ ｈ测 试 数据 为基 础 ， 提 出了利 用基 于 支 持 向量 机 （ Ｓ ＶＭ ） 的非线性 回归算 法建 立“ 模 态 频 率一 温度 分 布” 模型， 并 建立 消除 环境 温 度 的模 态频 率 修 正 模 型 ， 消 除 了 环 境温 度 引起 的模态 频率 的波 动 。大跨 度 连续 刚构 桥 梁结 构受 温度 影 响较大 ， 且温 度 场分 布较 复杂 ， 温 度 对模 态频 率 的影 响存 在 时 间 和空 间效 应 ， 研 究 其
模 态频 率一 温度 分布 模式 是必 要 的 。
度和模态频率数据统计分析 ， 建 立 了 该 桥 环 境 温 度 与 模 态 频 率 的 三 元 线 性 回归 模 型 。检 验 结 果 表 明 ， 该 模 型 具 有
较好的拟合和预测精度 ， 可 对 桥 梁 后 续 的模 态 频 率 数 据 进 行 预 测 评 判 。基 于 该 回 归 模 型 ， 提 出 了 下 白 石 连 续 刚 构
桥 健康监 测 信 息 ， 笔 者 选 取 一 年 中 ４个不 同 季 度 、 ９ ２ ０ ｈ的模 态 频 率 与环 境 温 度 数 据 ， 采 用 数 理 统 计 方 法研 究环 境温 度 对其 模 态 频 率 的 影 响 ， 为 下 白石 大 桥桥 梁安 全性 耐久 性评 估 、 桥 梁损 伤诊 断 、 桥 梁模 型 修正 等桥 梁健 康监 测 问题提 供温度 修 正 的模 态频 率 数据 。
入荷 载 的不 确定 性 ， 结 构 振 动参 数 只 能 由 响应 信 号 确定 。同时 ， 桥梁 又 是 由多 种材 料 和 子 结 构 复 合 而 成 的复 杂结 构 ， 这 决 定 了仅 基 于 响应 信 号 识 别 得 到 的动力 特性 参数 不仅 与 系统 自身 的刚度 和质 量等 参 数有 关 ， 还受 到温 度 、 湿度 、 车 载 以及 风 力 等 因素 的
多雨 ， 无 霜期 长 和 台 风频 繁等 特 点 。多 年 平 均气 温
为 １ ９ ℃， 极 端 最 高气 温 为 ３ ９ ． ４ ￣ Ｃ， 设 计 最 大 风 速 为 ４ ０ ｍ／ ｓ 。２ ０ ０ ７年 ， 下 白石 大桥 建 立 了实 时健康 监 测 系统 ］ ， 全桥 纵 桥 向 在 Ｃ， Ｅ两 个 断 面 布 置 温 度 传 感器 ， 纵向、 竖 向及横 向温度传 感器 布置 如 图 １ ， ２所 示 。全 桥共 布设 １ ６个温 度传感 器 ， 各温 度测 点编 号 分别为 Ｃ ～Ｃ 和 ～Ｅ ｓ （ 分别 表示 Ｃ断 面 １ ＃～ ８ ＃测 点和 Ｅ断 面 １ ＃～ ８ ＃测 点 ） ， 每 ５ ｍｉ ｎ执 行 一 次温 度数据 采 集 ， 一 天采 集 ２ ３ ｈ的数据 。
桥 梁 模 态 频 率 的温 度 修 正 模 型 ， 可 以有 效 剔 除环 境 温 度 对 模 态 频 率 的 影 响 ， 使频 率变化趋 于平稳 ， 为 桥 梁 进 一 步 的
安全性评估 、 损 伤 诊 断 和 桥 梁 模 型 修 正 等 提 供 温 度 修 正 的模 态 频 率 数 据 。
第３ ４ 卷第 １ 期 ２ ０ １ ４年 ２月
振动 、 测 试 与诊 断
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ Ｄｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ＮＯ ． １
Ｆｅ ｂ ． ２Ｏ１ ４
温度 的影 响， 桥 梁 的 固 有 频 率 的 变 化 可 能 高 达 １ Ｏ ， 远 远超 过 了一 般 结 构 损 伤所 引起 的结 构 固有 频率 的变 化 ］ 。因此 ， 环境 因素 尤其是 环 境温 度 对 下 白石 大 桥 主桥 上 部结 构 为 跨径 １ ４ ５ ｍ＋ ２ × ２ ６ ０ ｍ＋１ ４ ５ ｍ 的预应 力混凝 土连续 刚 构 ， 主桥 桥 面 宽为 ２ ４ ． ５ ０ ｍ， 分 为 上 下行 两 幅 。桥 梁跨 越 福 建 宁 德 市赛 江赛 歧 至下 白石 河段 ， 桥址 所 在 地 区属 于 中 亚 热带 海洋 性 季风 气 候 ， 具 有 四季 分 明 、 气候 温 暖 、
１ 下 白石 大桥 环 境 温 度 监测
１ ． １ 下 白 石 大 桥 温 度 测 点 布 置
致桥 梁两 端 约 束 程 度 和挠 度 的改 变 ］ 。 由于 环 境
环 境 温度 对 连 续 刚构桥 模 态 频 率 的影 响
余 印根 ， 宗周 红 。 ， 陈 宝春 ， 夏 樟 华
（ １ ． 福 州大学土木工程学院 福州 ， ３ ５ ０ １ ０ ８ ） （ ２ ． 东南 大学土木工程学院 南京 ， ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
摘要
针 对 环 境 温 度 对 大 跨 度 预应 力 钢筋 混凝 土 连 续 刚 构 桥 的频 率 影 响 问题 ， 通 过 下 白石 大 桥 健 康 监 测 系 统 的 温
关键词
连 续 刚构 桥 ；桥 梁 健 康 监 测 ；模 态 频 率 ； 环境温度 ； 数 理 统 计
Ｕ４ ４ ６ ； Ｕ４ ４ ８ ． ２ ３
中图分类号
基 于沈 海线 （ 闽） （ Ｇ１ ５ ） 福 宁高 速 公路 下 白石 大
引 言
基 于振 动测试 的桥梁 自动 实 时监测 系统 由于 输
桥 梁动 力特 性 的影 响在桥 梁健 监 测损 伤识 别 中是
不 可忽 视 的 。
近 年来 ， 研 究人 员 开 始 关 注温 度 对 桥梁 动 力 影 响 的机 制口 ］ 。文献 ［ １ ２ ］ 以香 港 汀九 大桥 ６ ０ ０ ｈ测 试 数据 为基 础 ， 提 出了利 用基 于 支 持 向量 机 （ Ｓ ＶＭ ） 的非线性 回归算 法建 立“ 模 态 频 率一 温度 分 布” 模型， 并 建立 消除 环境 温 度 的模 态频 率 修 正 模 型 ， 消 除 了 环 境温 度 引起 的模态 频率 的波 动 。大跨 度 连续 刚构 桥 梁结 构受 温度 影 响较大 ， 且温 度 场分 布较 复杂 ， 温 度 对模 态频 率 的影 响存 在 时 间 和空 间效 应 ， 研 究 其
模 态频 率一 温度 分布 模式 是必 要 的 。
度和模态频率数据统计分析 ， 建 立 了 该 桥 环 境 温 度 与 模 态 频 率 的 三 元 线 性 回归 模 型 。检 验 结 果 表 明 ， 该 模 型 具 有
较好的拟合和预测精度 ， 可 对 桥 梁 后 续 的模 态 频 率 数 据 进 行 预 测 评 判 。基 于 该 回 归 模 型 ， 提 出 了 下 白 石 连 续 刚 构
桥 健康监 测 信 息 ， 笔 者 选 取 一 年 中 ４个不 同 季 度 、 ９ ２ ０ ｈ的模 态 频 率 与环 境 温 度 数 据 ， 采 用 数 理 统 计 方 法研 究环 境温 度 对其 模 态 频 率 的 影 响 ， 为 下 白石 大 桥桥 梁安 全性 耐久 性评 估 、 桥 梁损 伤诊 断 、 桥 梁模 型 修正 等桥 梁健 康监 测 问题提 供温度 修 正 的模 态频 率 数据 。
入荷 载 的不 确定 性 ， 结 构 振 动参 数 只 能 由 响应 信 号 确定 。同时 ， 桥梁 又 是 由多 种材 料 和 子 结 构 复 合 而 成 的复 杂结 构 ， 这 决 定 了仅 基 于 响应 信 号 识 别 得 到 的动力 特性 参数 不仅 与 系统 自身 的刚度 和质 量等 参 数有 关 ， 还受 到温 度 、 湿度 、 车 载 以及 风 力 等 因素 的
多雨 ， 无 霜期 长 和 台 风频 繁等 特 点 。多 年 平 均气 温
为 １ ９ ℃， 极 端 最 高气 温 为 ３ ９ ． ４ ￣ Ｃ， 设 计 最 大 风 速 为 ４ ０ ｍ／ ｓ 。２ ０ ０ ７年 ， 下 白石 大桥 建 立 了实 时健康 监 测 系统 ］ ， 全桥 纵 桥 向 在 Ｃ， Ｅ两 个 断 面 布 置 温 度 传 感器 ， 纵向、 竖 向及横 向温度传 感器 布置 如 图 １ ， ２所 示 。全 桥共 布设 １ ６个温 度传感 器 ， 各温 度测 点编 号 分别为 Ｃ ～Ｃ 和 ～Ｅ ｓ （ 分别 表示 Ｃ断 面 １ ＃～ ８ ＃测 点和 Ｅ断 面 １ ＃～ ８ ＃测 点 ） ， 每 ５ ｍｉ ｎ执 行 一 次温 度数据 采 集 ， 一 天采 集 ２ ３ ｈ的数据 。
桥 梁 模 态 频 率 的温 度 修 正 模 型 ， 可 以有 效 剔 除环 境 温 度 对 模 态 频 率 的 影 响 ， 使频 率变化趋 于平稳 ， 为 桥 梁 进 一 步 的
安全性评估 、 损 伤 诊 断 和 桥 梁 模 型 修 正 等 提 供 温 度 修 正 的模 态 频 率 数 据 。
第３ ４ 卷第 １ 期 ２ ０ １ ４年 ２月
振动 、 测 试 与诊 断
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ Ｄｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ＮＯ ． １
Ｆｅ ｂ ． ２Ｏ１ ４
温度 的影 响， 桥 梁 的 固 有 频 率 的 变 化 可 能 高 达 １ Ｏ ， 远 远超 过 了一 般 结 构 损 伤所 引起 的结 构 固有 频率 的变 化 ］ 。因此 ， 环境 因素 尤其是 环 境温 度 对 下 白石 大 桥 主桥 上 部结 构 为 跨径 １ ４ ５ ｍ＋ ２ × ２ ６ ０ ｍ＋１ ４ ５ ｍ 的预应 力混凝 土连续 刚 构 ， 主桥 桥 面 宽为 ２ ４ ． ５ ０ ｍ， 分 为 上 下行 两 幅 。桥 梁跨 越 福 建 宁 德 市赛 江赛 歧 至下 白石 河段 ， 桥址 所 在 地 区属 于 中 亚 热带 海洋 性 季风 气 候 ， 具 有 四季 分 明 、 气候 温 暖 、