温度对桥梁模态的影响 李成才

温度对桥梁模态的影响李成才

摘要：桥梁健康监测中桥梁的固有频率是其主要的研究内容，而桥梁的运营环

境对其固有频率的影响也是极其显著的，其中尤以温度影响最为广大学者所接受。本文采用桥梁专用有限元计算软件MIDAS/Civil建立了鹤洞大桥的有限元计算模型，研究温度对其固有频率产生的影响。

关键词：温度；桥梁模态；MIDAS

1绪论

1.1国内外研究现状

桥梁模态参数的识别主要有桥梁频率、模态阻尼和振型。其中桥梁固有频率

被用为桥梁健康监测中的主要依据。而桥梁运营环境对桥梁频率的影响有时甚至

大于桥梁损伤带来的影响，这就导致桥梁结构损伤较难识别。桥梁运营环境中对

桥梁模态影响的主要因素有温度、风、车辆荷载。邓扬等【1】在对润扬大桥的

研究中，分别考虑了环境温度、风、车辆荷载3种因素对润扬大桥频率的影响，

利用修正的BP 神经网络建立桥梁频率与三种环境因素之间的相关模型得出温度、交通荷载、风速对桥梁频率产生的影响最大值分别为1.975%、0.262%、0.215%，

平均值分别为1.175%、0.104%、0.163%，由此可知环境温度对桥梁模态频率的影

响最为明显。李爱群等【2】分析认为实际运营环境与桥梁固有频率有明显的相

关性。随着温度的改变斜拉桥模态频率有明显的变化，而风和车辆荷载对其影响

并不明显。Zhao和DeWolf【3】对两跨钢-混桥进行了监测分析，得出温度与桥梁频率呈现出负相关性的结论。

1.2温度变化对桥梁频率的影响机理

对于大跨度结构，如斜拉桥、索桥、大跨度空间钢结构等，温度对结构动力

参数的影响比较明显。随着运营环境温度的变化必将引起结果内部温度的变化进

而对桥梁模态频率产生影响。影响机理主要由以下3个方面：

（1）温度变化能够引起材料弹性模量的变化，随着弹性模量的变化进而引起桥梁频率的变化；

（2）温度的变化引起结果边界条件的变化；

（3）温度的不变化导致结构内部应力的变化；

2 MIDAS有限元模型计算分析

2.1广州市鹤洞大桥概况

广州市鹤洞大桥是位于广州市海珠区和荔湾区之间的珠江后航道上，是连接

海珠区与芳村区的主要交通枢纽工程，是上世纪九十年代中后期广州市跨江大桥

中技术含量最高、跨度最大、工艺最复杂的一座双塔双索面复合斜拉桥。大桥全

桥总长2300米，主桥为双塔空间索拉复面斜拉桥，长648米，主跨为360米，

桥下通航净高34米。桥面宽30.3米，于1998年7月建成通车。

2.2鹤洞大桥有限元模型建立

采用桥梁专用有限元计算软件MIDAS/Civil建立了鹤洞大桥的有限元计算模型，共建立了1696个节点和2441个梁单元，如图2-1所示。

图2-1 鹤洞大桥有限元计算模型

Xia等【4】研究表明在常温下（T<100℃），温度每升高1℃钢材的弹性模量

就降低0.036%，混凝土的弹性模量降低0.45%；根据此研究成果，以20℃为基准

温度分别计算出鹤洞大桥实际所用钢材和混凝土在-10℃至40℃的弹性模量，然

后通过MIDAS/Civil建立的鹤洞大桥有限元计算模型分别计算出不同温度下鹤洞大桥的固有频率和振型。不同温度下钢梁每阶振型对应的频率结果如表2-1所示，温度与鹤洞大桥前三阶频率的相关性如图2-2所示。由表2-1和图2-2可以看出随着温度的升高桥梁模态频率呈下降趋势，表面温度与桥梁频率呈现负相关性。

结语

本文主要利用有限元模型通过改变材料的弹性模量来模拟桥梁运营环境中温度的变化对桥梁模态频率的影响，得出温度与桥梁模态频率呈负相关性的结论，其中考虑因素较少还有待进一步修正。

参考文献：

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[2]李爱群，丁幼亮，费庆国，等.润扬大桥斜拉桥模态频率识别的环境变异性[J].东南大学学报（自然科学版），2007，37（2）：245-250.

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