佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析_王立新

佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析
王立新，姜
慧，杜
鹏，李小华，吴英琴
（广东省地震局，广东
广州
510070）
摘要：佛开高速九江大桥全长1819.16m ，主桥采用六孔一联、最大跨度160m 的变截面预应力砼连续箱梁。

为实时监测桥梁结构振动状况和记录大型桥梁真实地震反应，在九江大桥主桥上架设了总计23通道的强震动监测系统。

简要介绍了该监测系统的测点布置、系统构成和技术特点，并对系统试运行期间的加速度记录进行了峰值、频谱和模态分析，得到了箱梁前六阶模态频率变化曲线，并与现场实测模态参数进行了比较验证。

研究识别出的模态频率的长期变化可以为桥梁结构的健康监测和损伤评估提供参考依据。

关键词：佛开高速九江大桥；强震动监测；模态分析中图分类号：P315.943
文献标识码：A
文章编号：1001-8662（2010）S0-0028-08
引言
九江大桥是佛山至开平高速公路上的一座特大型公路桥梁，跨越广东南海和鹤山二市交界处的西江干流，江面宽约1200m 。

大桥全长1819.16m ，主桥为六孔一联（50m+100m+
2×160m+100m+50m ）变截面预应力砼连续箱梁（图1）；南段边孔为十一孔一联（40m ＋10×50m ）的预应力砼等截面连续箱梁，北段边孔为四孔一联（40m ＋3×50m ）的预应力砼等截面箱型连续刚构；两岸引桥为16m 跨钢筋砼简支T 型梁，南北岸分别为13和16孔。

桥下
通航净空为上下水两孔80m （宽）×22m （高），通航船舶吨位为3000t 江海快速轮船[1]。

桥址处水文情况相当复杂。

该桥按1％的洪水频率设计，设计流量为46736m/s ，设计流速为2.3m/s 。

设计荷载为汽－超20，挂－120，人群3.5kN/m ，船撞力1200吨。

设计风速按100年一遇的最大风速为33m/s ，相应的风压为680Pa 。

本桥按7度地震烈度计算地震力，大桥场地类别为Ⅲ类，地面脉动周期为0.5s ，场地基岩面及地面50年超越概率
10％最大水平加速度分别为0.095g 和0.122g
[1]。

收稿日期：2010-09-01
基金项目：广东省科技计划项目“大型桥梁强震（振）动实时监测实用方法研究”（项目编号：
2010A030200010）。

作者简介：王立新，男，1976年生，博士，高级工程师，主要从事地震工程、桥梁强震动监测、结构
抗震等方面研究工作。

E-mail:wlxustc@.
第30卷
增刊
2010年10月
华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGY
Vol.30,Supp.Oct.,2010
DOI:10.13512/j.hndz.2010.s1.026
增刊九江大桥为国内规模较大的预应力砼连续梁桥，具有桥梁长、墩柱高、跨度大的特点。

大桥跨越西江干流，自1996年12月8日建成开放交通以来，桥上桥下交通繁忙，桥址处水文及地质情况复杂。

为实时监测桥梁结构振动状况和记录大型桥梁真实地震反应，2009年九江大桥主桥上架设了强震动监测系统。

监测系统如能捕获实际地震时程数据，将有助于深入了解大型桥梁地震反应特性和破坏机理，服务于桥梁抗震设计；长期监测数据也将有助于判断桥梁结构信息的变化，为判断桥梁健康状况提供参考依据。

本文简要介绍了九江大桥强震动监测系统的测点布置、系统构成和技术特点，并对系统试运行期间的加速度记录进行了峰值、频谱和模态分析。

1
监测系统概况
如图1所示，为获取桥址场地输入地震动和桥梁整体特别是关键部位的地震反应数据，
本监测系统在桥址场地、桥墩、主梁等部位布置9测点，其中包括5个三分量加速度计、3个竖向－横向双分量加速度计、1个横向－纵向双分量加速度计，共计23线道。

各通道的具体位置及测量方向见表1，其中z 表示竖向，y 表示横桥向，x 表示顺桥向。

利用桥梁结构对称的特点，传感器均布置在九江侧主桥上。

为记录桥梁可能受到的船舶撞击，桥上传感器均布置在桥梁下游侧。

在边孔16#墩处地表布置一个三分量加速度计以记录自由场地处地震动值。

图1九江大桥强震动监测系统测点分布图
Fig.1Locations of monitoring sensors on Jiujiang bridge
系统由24通道中心记录式数据采集器和力平衡式加速度计构成。

数据采集器采用美国
Kinemetrics 公司生产的Granite 多通道数字强震数据采集器，该数据采集器具备高动态范围
和高计时精度的特点，动态范围90dB ，通道数可达36道，所有通道同步采样；具有GPS 授时和本机存储功能；具备阈值触发、手动触发等触发模式；支持远程通信与数据传输；支持UDP/IP 协议。

由于仅通过网页浏览器即可修改参数，Granite 可以极为方便的改变现有仪器的运行参数，改变记录与遥测的模式和格式，以及观察和回收记录文件。

因此，
Granite 数字强震数据采集器广泛应用于水坝、电站、生命线工程、大型桥梁以及高层建筑
的结构健康监测与地震观测。

传感器采用中国地震局工程力学研究所生产的SLJ-100FBA 型加速度计，测量范围±2
g ，频带0~80Hz ，相位为线性(0~100Hz)，动态范围135dB 。

如图2的工作框图所示，系
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华南地震
表1各通道传感器位置及测量方向
Table 1Locations and measuring directions of sensors
通道编号
1234567891011121314151617181920212223
位置
22#墩墩顶箱梁内部22#墩墩顶箱梁内部22#与23#墩160m 主跨L/2处22#与23#墩160m 主跨L/2处
23#墩墩顶箱梁内部23#墩墩顶箱梁内部23#墩墩顶箱梁内部21#墩墩顶箱梁内部
23#主墩墩顶23#主墩墩顶23#主墩墩顶21#墩墩顶箱梁内部20#墩伸缩缝南侧主梁20#墩伸缩缝南侧主梁20#墩伸缩缝南侧主梁20#墩伸缩缝北侧主梁
22#主墩墩顶22#主墩墩顶22#主墩墩顶20#墩伸缩缝北侧主梁16#墩边自由场地16#墩边自由场地16#墩边自由场地
传感器分量
z y y z z y x y z y x z z y x y z x y x z y x
统采取远程监控和存储数据的方式，定时将仪器的运行状况传回台网中心，台网中心可以进行远程仪器调试和数据采集，在检测到突发事件发生后系统自动将事件的有关参数、数据传回台网中心。

2
峰值与频谱分析
强震动监测系统建成后，在
仪器设备正式投入运行前，为保证其处于最佳工作状态，进行了相关的调试和试运行。

对加速度计进行了标定试验，试验结果表明，Granite 数字采集器及加速度传感器工作正常；对GPS 授时进行了同步检测，测试结果表明，
GPS 能成功授时。

为确定仪器是
否工作正常，监测系统安装及试运行期间通过采用敲击法、仪器的外触发或keyboard 触发法进行了多次人工触发试验，实时检测地震计、数据采集器以及传输设备的运行状态，发现异常及时排除修复。

试运行期间，系统进行了长时间的连续记录，获得了桥梁结构在环境激励下振动的大量记录数据。

对记录到的加速度数据，我们进行了峰值、频谱及模态分析。

首先统计了各
图2强震动监测系统专用设备技术系统构成图
Fig.2Schematic diagram of the vibration monitoring system
30
增刊通道每小时加速度记录的绝对峰值，图3(a)、(b)显示的是2010-01-25~2010-02-
07期间各通道约260小时记
录的统计结果，图中横坐标每个点代表一个小时。

需要说明的是，由于在此期间第
3、4、18通道记录出现异常，图3中未包括这3个通道的
结果。

表2列出的是所有时段各通道峰值加速度的最大、最小、平均值及标准差。

从图3和表2中可以看出，各通道加速度峰值离散程度较大，其中伸缩缝处受来往过车影响，竖向加速度（第13通道）较大；而主墩墩顶加速度则普遍较小，如22#墩墩顶的第17、19通道。

除了峰值分析，我们还对每小时的加速度记录进行了FFT 分析。

为方便程序自动处理起见，只通过程序自动挑选、存储各通道频谱最大幅值所对应的频率值，结果显示在图4中。

从图中可以看出，与加速度峰值相比，傅氏谱频率值离散程度要小得多，除少数通道外，基本
保持稳定。

自由场地处的第21、22、23通道由于记录到的是地脉动信号，傅氏谱频率值较离散。

另外，横桥向的通道频率值也较离散，如第2、6、10、16、19通道等，这可能是由于桥梁横桥向受到的激励较小，结构未得到充分激振，频谱受噪声干扰较大。

值得注意的是，傅氏谱频率值有可能不是稳定在一个固定数值，而是围绕两个或多个固定数值波动，如图4中的第5、19通道。

这是因为不同时段受不同激励的影响，傅氏谱频谱的最大幅值可能出现在不同的频率处，这也是傅氏谱频率值图像区别于加速度峰值图像的一个特点。

要尽量消除或减弱外部随机激励对傅里叶谱的影响，需要对傅氏谱进行一定的再处理，如进行平滑处理等，这样得到的傅氏谱频率值能更多的反映结构本身信息，这些有赖于今后进一步的研究。

图3各通道2010-01-25~2010-02-07期间每小时峰值加速度
Fig.3Peak acceleration value of each channel in every hour during
Jan.25~Feb.7,2010
王立新等：佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析31
30卷
华南地
震图4各通道2010-01-25~2010-02-07期间每小时频谱最大幅值
对应的频率值
Fig.4Frequency corresponding to maximum FFT amplitude of each
channel in every hour during Jan.25~Feb.7,2010
3
模态分析
由于监测系统多数测点布
置在箱梁中，本文只进行箱梁结构的模态分析，共使用10个通道的加速度记录，横桥向、竖向各5个通道。

采用随机子空间法(SSI)[2,3]进行环境振动下的模态识别，这种方法的优点是可以获得稳定图，能比较准确地确定系统模态，避免模态选择上的盲目性和随机性，识别质量较高，因此被广泛应用于环境振动的模态识别[4]。

图
5显示的是2010年2月6日00:00~04:00期间九江大桥箱梁
振动数据的随机子空间法稳定图，可见在各阶频率处均有较清晰的稳定轴。

取记录期间每天00:00-04:
00时段的四小时数据进行分
析，得到的每日箱梁结构前六阶模态频率如图6所示，图中横坐标为日期（2010-01-25~
2010-02-07），纵坐标为频率（Hz ）。

从图中可以看出，识别
出的箱梁前六阶模态频率在分析时段内基本保持稳定，尤其
是第3~6阶频率变化幅度很小，这说明桥梁主体结构在监测期间基本稳定，未发生大的变化。

值得注意的是，多数时间段未能识别出箱梁的前2阶频率，表现在图6中第1、2阶频率的部分缺失，这可能是由于结构低阶频率未得到充分激振，也可能与系统的测点布置有限有关。

为了验证结果的可靠性，我们将所得结果与现场实测得到的桥梁结构模态参数进行了比较。

王立新等（2009）采用北京东方振动与噪声技术研究所的24位INV3018-CPCI 信号采集仪和991B 超低频拾振器对九江大桥进行了现场模态测试，得到了桥梁前几阶模态频率及振型[5]。

表3第2列是现场实测得到的箱梁前8阶模态频率，而第3列则是使用强震监测系统2010年1月25日00:00点记录数据识别出的模态频率。

通过比较可以看出，尽管由于
32
增刊
表2
各通道20100125-20100207期间每小时峰值加速度统计结果
Table 2Statistics of peak acceleration value of each channel in every hour during
Jan.25-Feb.7,2010
通道
125678910111213141516171920212223
最大值/gal
6.683.093.124.075.164.584.213.054.16
7.8113.479.566.289.163.664.877.4613.449.666.26
最小值/gal
1.140.510.961.601.79
2.061.341.281.522.647.13
3.622.56
4.480.871.603.42
5.744.592.66
均值/gal
2.081.311.572.342.65
3.002.091.842.073.979.765.543.966.031.522.35
4.748.55
5.923.77
标准差/gal
0.590.530.320.460.480.430.390.310.300.840.980.810.540.790.380.470.531.280.940.67
图5九江大桥箱梁随机子空间法稳定图
Fig.5Stability diagram of SSI method for acceleration data of the beam of Jiujiang bridge
王立新等：佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析33
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华南地震测点数较少，通过强震监测系统的记录数据不能完全得到桥梁结构的前几阶频率，但就能识别出的频率而言，二者结果非常接近，相对误差不超过
5%。

这说明通过强震监测系统的加速
度记录可以比较可靠的识别桥梁结构的部分模态信息，研究这些识别出的模态信息的长期变化可以有助于判断桥梁结构的健康状况。

4
结论
本文从测点设置、系统构成和技
术特点等方面简要介绍了架设于佛开高速九江大桥主桥上的强震动监测系统。

通过在桥址场地、桥墩、主梁等部位安装共计23通道的加速度计和采用24通道Granite 数字强震数据采集器，系统实现了远程仪器监控调试及远程数据采集、存储和传输。

对系统试运行期间的加速度记录进行了峰值、频谱和模态分析。

统计了各通道每小时加速度记录的峰值和傅里叶谱频率值，结果显示，傅氏谱频率值离散程度比加速度峰值要小得多，多数通道表现为围绕一个或多个固定数值波动。

今后通过积累更多的数据和采取更有效的分析方法，可以更详细的掌握各通道加速度峰值、傅氏谱频率的变化规律，从而可以从一个侧面反映桥梁结构信息的变化情况。

通过选取系统每天凌晨的记录数据进行模态分析，得到了箱梁结构前六阶模态频率变化曲线，并与现场实测模态参数进行了比较验证。

识别出的箱梁前六阶频率在分析时段内基本保持稳定，研究这些模态信息的长期变化可以为桥梁结构的健康监测和损伤评估提供参考依据。

致谢：感谢广东省交通厅和广东省佛开高速公路有限公司对本项研究的大力支持。

图62010-01-25~2010-02-07期间箱梁前6阶频率每日变化图
Fig.6Variation of the first 6modal frequencies of the beam during Jan.25~Feb.7,2010
表3箱梁前8阶模态频率比较[5]
Table 3Comparison of the first 8modal frequencies
of the beam
阶数
12345678
现场实测频率
/Hz 0.5710.9651.0551.5001.8912.4012.9553.517
2010/01/25监测数据
计算频率/Hz
0.992
1.896
2.410
3.0083.507
34
王立新等：佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析35增刊
参考文献
［1］吴健华,王志仁,郭波,黄绍敏.佛开高速公路九江大桥施工［J］.广东公路交通,1995,41(4):40-46.［2］顾培英,邓昌,吴福生.结构模态分析及其损伤诊断［M］.南京:东南大学出版社,2008.
［3］续秀忠,华宏星,陈兆能.基于环境激励的模态参数辨识方法综述［J］.振动与冲击,2002,21(3):1-5.［4］宗周红,Jaishi,B.,林友勤,任伟新.西宁北川河钢管混凝土拱桥的理论和实验模态分析［J］.铁道学报, 2003,25(4):89-96.
［5］王立新,杜鹏,李小华.佛开高速九江大桥模态测试与分析［J］.华南地震,2009,29(3):9-16.
Preliminary Analysis on Vibration Monitoring Data at Jiujiang
Bridge in Fokai Highway
WANG Lixin,JIANG Hui,DU Peng,LI Xiaohua，WU Yingqin
(Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou510070,China) Abstract：Jiujiang bridge in Fokai highway has a total length of1819.16m and its main part is a prestressed reinforced concrete continuous bridge with variable cross-sections and a main span of160m.To monitor its real-time vibration and capture possible real earthquake responses of the bridge,a vibration monitoring system comprising23-channel accelerometers has been set up at its main part.The location of sensors,equipments and technical feature of the monitoring system are briefly introduced in this paper.The recorded acceleration data during the test run period are analyzed to study the variations of peak acceleration,Fourier frequency and modal frequencies of each channel.The first six modal frequencies of the main beam have been obtained daily and compared with previous modal test results of the bridge.It is believed that studying the long-term variation of these modal parameters will provide helpful references to bridge health monitoring and damage evaluation.
Keywords：Jiujiang bridge in Fokai highway;Vibration monitoring;Modal analysis。