桥梁模态分析方法及应用

以一 处枢 纽互通式立交 内环 匝道 交织 区段 为例 ， 进行 了计算 ， 经对计算结果的深入分析 ， 出了结论。 得
关 键 词 ： 通 式 立 交 ； 织 区段 ； 行 能 力 ； 务 水 平 互 交 通 服 中 图分 类 号 ：４ ８ １ Ｕ ４ ．７ 文 献标 识码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：６ ３— ０ ２ ２ １ ） ２— ０ ４一ｏ １７ ６ ５ （ ０ １ １ ０ ２ ４
根据 交 织车辆 通 过交织 路段 必须 进行 的车道 变
换最 少次 数 ， 将交 织 区分 为三 种 主 要 的交 织 构 型 ： Ａ
型、 Ｂ型 和 Ｃ型 ， 图 １ 见 。
分析 、 评价 ， 全线服务水平保持均衡 一致” 现行 使 ； 《 公路工程基本建设项 目设计文件编制办法》 中也 指 出 “ 转 换 交 通 量 较 大 的 枢 纽 互 通 ， 匝 道 间或 对 当
２ 分析 方 法
２ １ 交 织 区类 型 ．
流， 沿着相当长的路段 ， 不借助交通控制设施进行的 交叉。我 国现行《 公路工程技术标准》 中规定 “ 互通 式 立体 交 叉 的分合 流 区段 、 匝道 以及 交织 区段 ， 可采
用 三级 服 务水 平 设 计 ” 现 行 《 路 路 线 设 计 规 范 》 ； 公 中规定 “ 速 公 路 、 级 公 路 的 路 段 和 互 通 式 立 体 高 一 交 叉 的匝 道及其 交 织 区段必 须分 别进 行通 行能 力 的
合理 论计 算 ， 我们 可 以综 合评 价桥 梁 的动 态 特 性 是
否符 合要 求 。
建 立在 试验 基础 上 的 ， 因此 得 到 的 动态 特 性 参 数 比 较 准确 ， 特别 是 可 以识 别桥 梁 的阻 尼 。
参 考文 献
［］ １ 邵旭 东． 梁工程 ［ ． 民交通 出版社 ，０ ４ 桥 Ｍ］ 人 ２０ ．
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２ ４・
北 方 交 通
２ １ ０ｌ
互 通 式 立 交 交 织 区段 通 行 能 力 及 服 务 水 平 分 析
彭 飞
（ 辽宁省交通规划设计 院 ， 阳 沈 摘 １０ ６ ） １１ ６
要： 介绍 了高速公路 互通式立交 匝道 出入 口与 主线 交织 区段 的通行 能力及服 务 水平分析 的基本 方法 ， 并
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２ ２・
北 方 交 通
２１ ０１
桥 梁模 态分 析 方法及 应 用
唐
（ ． 阳建筑 大学 ， 阳 １沈 沈 摘
伟 ， 永 勤 党
１０ １ ） １０ ５
１０ ６ ；． 宁省交通科 学研 究院 ， 阳 １ １８ ２ 辽 沈
要： 简要介 绍模 态分析的原理和步骤 ， 并以一座 中承式拱桥 为例 ， 阐述其在桥梁动 态性能评价 中的应 用。
关键词 ： 梁； 态分析 ； 态性 能 桥 模 动
中图分 类号 ：４ １ Ｕ ４
文献标 识码 ： Ｂ
文章编号 ：６ ３—６５ （０ １ １ ０ ２ ０ １７ ０ ２ ２ １ ） ２— ０ ２～ ２
１ 概 述
态 试 验方 案 的 确 定 （ 括 试 验 激 振 方 式 的 确定 、 包 传
『 顾培英 ， 结 构模 态分 析 及其损 伤诊 断 『 ． ２］ 等． Ｍ］东南 大学 出版社 ． ０． ２ ８ ０
此外 ， 过模 态 分 析 的结 果 我 们 可 以校 验 结 构 通 模 型 的合 理性 以及 理论 计算 的准确 性 。桥梁 的动 态 特 性虽 然 可 以用 有 限元 方 法 计 算 ， 由于 其 结 构 的 但 复杂性 ， 建立 有 限元模 型 时所 引进 的一 系列 人为 在
计 算结 果往 往 不太 理想 。我 们可 用模 态试 验得 出的 试 验结 果去 修正 有 限 元 理 论模 型 ， 理论 模 型更 趋 使
完善和合理 。
２ 基本 原理
由度来分可以分为单 自由度和多 自由度两种。模态
模型 验证 是 对 模 态 参 数 估 计 所 得 结 果 正 确 性 的校
频 率下 ， 构 的变形 趋 势 ； 态 阻尼 大小能 反应 结构 结 模 耗 散外 部 能量 输入 的能 力 。 模 态分 析 可用 于桥 梁结 构振 动测 量 和结构 动力 学 分析 。利 用模 态试 验 测得 的桥 梁模 态参 数我 们可
以评价 现有 桥 梁 结 构 的 动 态特 性 。此 外 ， 由于 理论 模 型计 算很 难得 到 结 构 的 模 态 阻 尼 ， 而 进行 响应 因
尼 等 。这 些参 数对 于描 述 结 构 的振 动 特 性 ， 少 振 减 动 对结 构 的不 利 影 响 都具 有 重要 意 义 。 例如 ： 态 模 频 率 中的一 阶频率 （ 固有频 率 ） 的确 定 ， 以用 来 避 可
免 结 构 的共 振 ； 过 振 型 可 以知 道 在 某 个 自然共 振 通
Ｍｅｈ ｄ ａ ｄ Ａｐ ｌ ａｉ ｎ ｏ ｉ ｇ ｏ ｅ ａｙ ｉ ｔ ｏ ｎ ｐ ｉ ｔ ｆＢｒｄ ｅ Ｍ ｄ ｌＡｎ ｌｓｓ ｃ ｏ
Ａｂ ｔ ｃ Ｐ ｉｃｐ ｅ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｕｅ ｆｍｏ ｅ ｎ ｌｓ ｒ ｎｒｄ ｃ ｄ ｂ ｅ ｙ Ｔ ｋｎ ａｆ—ｔ ｒｕ ｈ ａｃ ｓｒ ｔ ａ ｒ ｉｌ ｎ ｒ ｃ ｄ ｒｓ ｏ ｄ ｌａ ａｙ ｉ ａｅ ｉｔ ｕ ｅ ｒ ｆ ． ａ ｉｇ ａ ｈ ｌ ｎ ｓ ｏ ｉｌ ｈ ｏ ｇ ｒｈ
击、 电子信号等 。此外 ， 还应该保证有足够的数据采 集时间。如果采集时问过短 ， 就无法真实 、 全面地反
应结 构 振动 过程 ， 数据 将不 具有 代 表性 。 模 态参数 估 计 和模 态 模型 验证 这两 步一般 可用 专 门 的模 态分 析 软件来 完 成 。其 中模 态参 数估 计通 常是 利 用 曲线 拟 合一组 频 响 函数 数 据来 实现 的 。曲 线拟 合就 是 频 响 函 数 的参 数 与 试 验 数 据 匹 配 的过 程 。 目前 ， 行模 态参 数估 计 的方法 有很 多种 ， 自 进 从
通过 模 态分 析可 以 得 到上 述 动 态 特 性 参 数 ， 同时 结
图１
Ｃ Ａ 型交织 区 中每 辆 交Ｄ 车 辆 为 了 完 成 交 织 运 织 Ｃ Ｄ Ｃ Ｄ
假设（ 如假 设桥 梁 的阻尼 ） 常 与 桥梁 的实 际情 况 不 ， 太 相符 ， 因此计 算 结 果 往往 不 理 想 。而模 态 分 析 是
模 态分 析 通 常 指 的是 试 验 模 态分 析 ， 过 模 态 通
感 器 以及 数 据 采 集 分 析 仪 器 的选 择 等 ） 测 试 系 统 ，
的安装 、 试及 校准 。 调
试 验将 采 集到 的系统输 入 与输 出信 号经 过参 数识 别
从而得到模态参数 ， ： 如 模态频率 、 模态振型 、 模态阻
验， 是对模 态 试验 成 果评 定 以及 进 一 步 对 结 构进 行 动力 学分 析 的必 要 过 程 。此 外 ， 态 分 析 过程 中还 模
模 态分 析基 于振 动原 理 。单 自由度 系 统是 最基
本 的振 动 系统 ， 然而 实 际结构 往往 是多 自由度 系统 。
但 是 对单 自由度 系统 的分 析 可 以得 到 系统振 动 的很 多基 本 特性 。 同时 ， 自由度 线 性 系 统 常 常可 以看 多 成 是许 多单 自由度 系统 的线 性 叠 加 。 因此 ， 们 可 我 以从 单 自由度 系统 出发 ， 析 系统 的频 响 函数 ， 将 分 这 便 于分 析和 理解 系统 振 动 的基 本特 性 。
３ 基 本 步骤
一
包括测量设备 （ 传感器 、 数据采集仪等 ） 的验证。
４ 实例 分 析
某拱 桥 的结 构形 式 为 中承式 系杆 拱 ， 径组 合 跨 为 ３ ｍ（ ０ 边跨 ）＋１０ 主跨 ）＋ ０ 边跨 ） 桥 型结 ０ ｍ（ ３ ｍ（ ，
构 简 图如 图 １ 。该桥 主梁 为现 浇预应 力 钢筋 混凝 示 土变 截面 箱梁 ； 主拱 圈 在桥 面 以上为组 合 钢箱结 构 ， 桥面 以下 （ 含边 跨拱 肋 ） 用 钢筋 混 凝 土 结构 ； 部 采 下 结 构 采用 实体 墩 、 基 础 。该 桥 的设 计 荷 载等 级 为 桩 公 路 一Ｉ 。 级 经 结构 动 力 学 分析 可 知 ， 桥 主拱 圈和 下 部结 该
匝道与 主线 间存 在 交 织 运 行且 交织 段 长 度 较 短 时 ，
应对 交 织 段 的通 行 能力 进 行 分 析 ” 以上 标 准 、 。 规
范都 对 互通 式立 交交 织 区段 的通行 能力 及服 务水 平 分析 作 了定 性 规 定 ， 并 未 提 供 定 量 的 分 析 办 法 。 但 目前 ， 遍采 用 的是美 国《 路 通行 能 力 手 册 》 四 普 道 第 版 （ Ｈ Ｍ ０ ０版 ） 即 Ｃ ２０ 中提 供 的 分 析 方 法 ； 此 基 础 在
１ 前 言
Fra Baidu bibliotek
上 ， 了适 应我 国 的实 际情 况 ， 为 交通 部公 路科 学研 究
交织 区段 是指 行驶 方 向相 同 的两股 或多股 交 通
所编制的《 公路通行能力手册》 中对部分参 数进行
了修正 。下 面先 对这 一分Ｂ Ａ 法进 行简 要 的介 绍 。 Ａ 析方 Ｂ Ａ Ｂ
响应 数 据 的采 集 是 模 态分 析 中重要 的一 步 ， 将 直 接 影响模 态 分析 的结 果 。桥 梁 在某 一激 振力 的作 用 下被 激振 起来 后 ， 可 以通 过 专业 测 试 仪 器 测 量 就 得 到激 振力 或 响应 的时域 信号 。在数据 采集 过程 中 应 保证 数据 采集 的实 时 连续 性 ， 尽 量 减 少 外 界 对 并 ｉ试 系统和 采集 设 备 的不 利 干扰 ， 较 强 的振 动 撞 贝 ０ 如
ｂ ｄ ｅ ａ ｘ ｍｐｌ ｉ ｒ ｇ ｓｅ ａ ｅ，ｔ ｅ ａ ｐ ｉ ａｉｎ ｉ ｖ ｌ ａｉ ｎ ｏ ｒｄｇ ｙ ａ ｃ ｐｅ ｏｍａ ｃ ｓ ｅａ ｏ ａｅ ｈ ｐ ｌｃ ｔｏ ｎ ｅ ａ ｕ ｔｏ ｆｂ ｉ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｒ ｒ ｎ ｅ ｉ ｌｂ ｒ ｔｄ． ｆ Ｋｅｙ ｗｏｒ Ｂｒｄ ｅ；Ｍｏ ｅ ｎ ｌ ｓｓ ｄｓ ｉ ｇ ｄ ｌａ ａｙ ｉ ；Ｄｙ ａ ｃ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｎ ｍｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｍ
般地 ， 梁模 态 分 析 过程 大 致 可 分成 测 试 系 桥
统建 立 、 响应 数据 采集 、 态参 数估 计 和模 态模 型验 模
证 这 四个 步 骤 。
测 试 系统 的建 立 是模 态分 析 的前 期准 备 过 程 ， 主要 包括 桥 梁结 构 的 理 论模 型建 立 及 分 析 计 算 ， 模