温度对单箱三室箱梁动力特性影响研究.pdf

引用格式：引用格式：刘钰,于鑫,潘旦光.温度对单箱三室箱梁动力特性影响研究J.中国测试，2024,50(3):37-44.LIUYu,YUXin,PANDanguang.Studyoneffectoftemperatureondynamiccharacteristicsofthree-cellboxgirderJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):37-44.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2023050039温度对单箱三室箱梁动力特性影响研究刘钰，于鑫，潘旦光(北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083)摘要:箱梁因其具有良好的结构特性被工程广泛应用。温度会对箱梁的动力特性产生影响，由温度作用产生的混凝土箱梁的应力和变形直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性。为研究温度对箱梁动力特性的影响，对陕西沣河大桥进行不同温度情况下基于环境的模态识别试验研究。由于特殊原因，桥梁施工到当前位置需要暂停施工，因此进行动力特性试验时，桥梁处于封闭状态，从而可以避免外部干扰。通过试验得到结构的固有频率和模态，并将试验结果与有限元结果进行对比分析。在此基础上，进行箱梁动力特性和温度变化相关性的分析。研究结果表明，在短期范围内，温度对箱梁自振特性的影响并没有出现明显的正相关或负相关，温度的升高会使箱型桥梁结构温度更为不均匀，对其自振频率的影响更大且对低阶频率的影响更明显。关键词:单箱三室箱梁;温度;频率;模态中图分类号:U441;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03003708Study on effect of temperature on dynamiccharacteristics of three-cell box girderLIUYu,YUXin,PANDanguang(SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:The box girder is widely used in engineering because of its good structural characteristics.Thetemperaturewillaffectthedynamiccharacteristicsoftheboxgirder.Thestressanddeformationofconcreteboxgirdercausedbytemperaturedirectlyaffectthesafety,durabilityandapplicabilityofconcretestructure.Inordertostudytheinfluenceoftemperatureonthedynamiccharacteristicsoftheboxgirder,anexperimentalstudyofmodalrecognitionbasedonenvironmentwascarriedoutuponFengRiverBridgeinShaanxiProvinceunderdifferenttemperatures.Duetospecialreasons,theconstructionofthebridgeneedstobesuspendedtothecurrentposition.Therefore,thebridgeisinaclosedstatewhenthedynamiccharacteristicstestiscarriedout,so as to avoid external interference.The natural frequencies and modals of the structure are obtained byexperiments,and the experimental results are compared with the finite element results.On this basis,thecorrelationbetweendynamiccharacteristicsofboxgirderandtemperaturevariationisanalyzed.Theresultsshowthatintheshortterm,thereisnoobviouspositiveornegativecorrelationbetweentheinfluenceoftemperatureontheboxgirdersnaturalvibrationcharacteristics.Theincreaseoftemperaturewillmakethetemperatureoftheboxbridgestructuremoreuneven,andtheinfluenceonitsnaturalvibrationfrequencyis收稿日期:2023-05-10；收到修改稿日期:2023-08-31作者简介:刘钰（1987-），女，辽宁大连市人，工程师，硕士，研究方向为岩土工程。通信作者:潘旦光（1974-），男，浙江台州市人，教授，博士，研究方向为防灾减灾及防护工程。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,2024greaterandtheinfluenceontheloworderfrequencyismoreobvious.Keywords:three-cellboxgirder;temperature;frequency;modal0 引言结构自振频率反映了结构总体的刚度特性，常用作结构健康监测的损伤指标1-2。但由于实际桥梁结构受环境温度的影响，将产生温度应力，也将导致结构自振频率的变化。因此，为利用自振频率进行实际桥梁损伤识别，需要修正由于温度导致结构自振频率的变化3-4。针对温度对桥梁动力特性的影响，国内外学者通过较长时间的桥梁监测、有限元建模等方法进行了大量的研究。ALAMPALLIS 等5、PEETERSB等6通过对桥梁进行长时间健康监测研究桥梁的模态频率与温度的对应关系，认为温度对桥梁模态频率的影响甚至超过桥梁本身损伤的影响且模态频率随温度的变化率在 0 前后发生了显著变化。李爱群等7、孙君等8对润扬大桥展开研究，分析模态频率与温度之间的相关性并建立了模态频率与温度的多项式模型。李小年等9从理论上推导了温度对简支梁频率的影响公式，并利用有限元计算来量化温度对复杂结构频率影响的方法。虽然对模态频率与温度之间的关系已经进行了大量的研究，但随着桥型和尺寸的改变，模态频率与温度之间的关系也随之改变，目前，关于温度对大跨度混凝土箱梁结构模态参数的影响研究还比较少，温度会给大跨度混凝土箱梁结构的健康检测带来诸多不确定因素10-12。且由温度作用产生的混凝土箱梁的应力和变形直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性13，结果导致对反映结构健康状态较为敏感的参数(如结构刚度、变形以及自振频率、振型、阻尼等)难以准确测量14-16。箱型桥梁作为最常用的桥型之一，在非线性温度梯度下具有显著的温度应力。温度应力是桥梁的一种重要环境荷载形式，对桥梁结构的力学性能影响显著，同时也是造成桥梁损伤和性能退化的主要原因之一，有时甚至可能造成严重的安全事故。因此开展温度对桥梁结构自振频率的影响研究，有利于利用自振频率进行实际桥梁损伤识别，从而可以及时发现和控制桥梁损伤，确保桥梁的安全运营，提高桥梁的耐久性，具有重要的工程意义。本文通过对陕西省红光路沣河大桥进行现场动力学试验，在不同季节（夏季和冬季）情况下，进行现场 24h 动力监测试验，进而得到结构的固有频率与模态，并与有限元结果进行对比分析，探究温度对混凝土箱梁自振频率的影响范围及变化规律，以及环境温度的改变对于混凝土平均温度的影响问题。1 现场试验1.1 工程概况试验桥梁红光路沣河大桥，位于陕西省红光路段，红光路位于沣东新城科技统筹示范区内。红光路沣河大桥是西咸新区十大民生工程之一，是连接沣东新城与沣西新城的重要节点性工程和主要干道，同时也是联系西安至咸阳两地的重要纽带。桥位跨越处的沣河规划水面宽度 427m，规划东西两侧堤坝距离 823m，桥梁长度 917m。红光路沣河桥主桥上部结构采用(55+5100+55)m 变截面预应力混凝土连续梁，下部采用方柱式桥墩配钻孔灌注桩群桩基础；引桥上部结构均采用 30m 等截面预应力混凝土连续箱梁，下部采用圆柱式桥墩配钻孔灌注桩群桩基础，两侧桥台均采用肋板式桥台配钻孔灌注桩基础。沣河大桥建成后的总体立面图如图 1 所示。1.2 传感器系统及监测点的布设对红光路沣河大桥混凝土箱梁在不同季节（夏季和冬季）情况下，进行现场 24h 动力监测试验，展开温度对桥梁动力特性的影响研究。动力试验中采用的速度传感器如图 2 所示，其中信号采集仪器为北京东方振动和噪声技术研究所 INV3020C 型信号采集仪，如图 3 所示。单台采集系统可达 104 通道并行采集，每通道最高采样频率可达 216kHz。同时可多台级联，最高可达千余通道高速并行数据采集，与 DASP 软件相连，可形成具有一百余项先进技术的高性能数据采集和信号处理系统。箱梁夏季动力监测试验是通过对五跨连续梁结构中的一跨 11#和 12#桥墩上的桥面进行现场 24h动力试验，每小时传感器记录一次数据，共得到 24组数据，传感器布置如图 4 所示。箱梁冬季动力监测试验是通过对五跨连续梁结构中的一跨 9#和 10#38中国测试2024年3月桥墩上的桥面进行现场 24h 动力试验，每隔半小时传感器记录一次数据，共获得 36 组数据，传感器布置如图 5 所示。2 试验结果分析2.1 箱梁夏季动力监测试验根据连续梁夏季 24h 动力监测试验数据，利用 Dasp-V10 软件中随机减量法及特征系统实现算法（ERA）进行模态分析，dasp 自谱分析图如图 6 所示。因为受各种因素影响，需要对提取到的频率进行真假模态的鉴别。因此结合有限元软件 Ansys 建立连续梁模型，如图 7、图 8 所示。其中，建立连续梁结构有限元模型时通过节点约束代替柱子连接，其中支承情况示意图如图 9 所示，对其进行模态分析后得到前 20 阶振型图，图 10 为前 4 阶振型图。对连续梁进行模态分析后得到的结构频率及模态特征如表 1 所示。由于本次夏季试验主要在 11#和12#桥墩之间（第 3 跨）布置的传感器，所以不能准确提取到全桥模态特征的所有自振频率。对连续梁每阶频率下的 24 组试验数据进行误差分析，并对每阶频率下的实测频率与对应温度变化趋势进行分立面西安西安咸阳咸阳桥梁全长:91 700桥梁全长:91 70035043 00033 00033 000510 000510 0005 5005 500382.00382.00蓄水位 382.00最大洪水位 391.81规划河道地面线011121314151617350图 1 沣河大桥总体立面图（单位：cm）图 2 速度传感器图 3 INV 3020C 型信号采集仪1357924681011#桥墩12#桥墩图 4 夏季 24 h 动力试验传感器布置图159111315372610121416489#桥墩10#桥墩图 5 冬季 24 h 动力试验传感器布置图第50卷第3期刘钰，等：温度对单箱三室箱梁动力特性影响研究39析，如图 11 所示，连续梁夏季自振频率的变化情况如表 1 所示。0.060.040.020246810121416频谱光标读数测点号幅值123456789101112131415160.020610.020280.007310.014660.009140.010370.003910.003970.009550.009800.013830.013840.005870.006141.059E-44.253E-4速度/(ms1)频率/HzNc:8f=0.875 Hz图 6 dasp 自谱分析图图 7 连续梁结构有限元模型通过对连续梁在夏季（平均温度 26.5C）进行的现场 24h 监测试验数据结果可知：通过动力试验及有限元计算，提取到了桥梁的四阶真实模态自振频率平均值分别为 1.24、2.20、3.96、5.21Hz，由于温度的改变，自振频率变化最大值发生在第二阶频率，最大变化值为 5.60%，变化幅度大于 5%。2.2 箱梁冬季动力监测试验通过结合有限元及试验模态分析结果共同分析，最后所得连续梁的结构频率及模态特征如表 2 所示，同样由于本次连续梁冬季试验主要在 9#和 10#桥墩之间（第 1 跨）及悬臂端布置的传感器，所以也不能提取到全桥模态特征的所有自振频率。对连续梁每阶频率下的 36 组试验数据进行误差分析，并对每阶频率下的实测频率与对应温度变化趋势进行分析，如图 12 所示，连续梁冬季自振频率的变化情况如表 2 所示。图 8 半跨桥梁有限元模型9#桥墩10#桥墩11#桥墩12#桥墩13#桥墩14#桥墩501234550100100100100图 9 连续梁支承情况示意图频率/Hz温度/(a)1 阶频率1.261.251.241.23262728 实测频率频率/Hz温度/(d)4 阶频率2627285.325.285.245.205.165.12 实测频率2627284.024.003.983.963.943.923.90 频率/Hz温度/(c)3 阶频率 实测频率频率/Hz温度/(b)2 阶频率2627282.282.242.202.162.12 实测频率图 11 连续梁（夏季）各阶频率与温度变化关系40中国测试2024年3月表 1 连续梁（夏季）提取频率表阶数1234频率平均值/Hz1.242.203.965.21模态特征一阶第2、3、4跨竖向振动二阶第1和第2跨竖向振动二阶全桥竖向振动三阶全桥竖向振动最大值/Hz1.262.254.015.30最小值/Hz1.232.123.915.12最大值差/Hz1.462.331.221.69最小值差/Hz0.963.401.181.79最大变化率/%2.385.602.373.41ANSYS 15.0NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX=0.612103SMX=0.612103FREQ=0.944 082USUM(AVG)0.6801040.1361030.2041030.2721030.3401030.4081030.4761030.5441030.612103(a)第 1 阶YXZANSYS 15.0NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=2RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX=0.568103SMX=0.568103FREQ=1.242 88USUM(AVG)0.6311040.1261030.1891030.2521030.3151030.3791030.4421030.5051030.568103(b)第 2 阶YXZANSYS 15.0NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=3RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX=0.522103SMX=0.522103FREQ=1.441 95USUM(AVG)0.5801040.1161030.1741030.2321030.2901030.3481030.4061030.4641030.522103(c)第 3 阶YXZANSYS 15.0NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=4RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX=0.477E103SMX=0.477E103FREQ=1.837 06USUM(AVG)0.5301040.1061030.1591030.2121030.2651030.3181030.3711030.4241030.477103(d)第 4 阶YXZ图 10 连续梁结构前 4 阶振型图表 2 连续梁（冬季）提取频率表阶数12345频率平均值/Hz0.912.254.025.215.85模态特征一阶第1跨竖向振动二阶第1和第2跨竖向振动二阶全桥竖向振动三阶全桥竖向振动扭转振动最大值/Hz0.932.304.085.285.89最小值/Hz0.892.193.945.105.81最大值差/Hz2.762.071.601.230.69最小值差/Hz1.862.911.792.131.94最大变化率/%4.504.873.333.321.44第50卷第3期刘钰，等：温度对单箱三室箱梁动力特性影响研究41通过对连续箱梁在冬季（平均温度 1.5）进行的现场 24h 监测试验数据结果可知：通过动力试验及有限元计算，提取到了连续梁桥的五阶真实模态自振频率平均值分别为0.91、2.25、4.02、5.21、5.85Hz，温度的改变对低阶频率影响较大，自振频率变化最大值也是发生在第二阶频率，最大变化值为 4.87%。2.3 环境温度与箱梁平均温度分析试验很多学者对桥梁进行监测试验时，都是针对模型进行有规律的温度变化，对于实际大型复杂的桥梁工程，环境温度的改变对于混凝土平均温度的影响存在怎样的关系鲜有探讨。因此在箱梁内外建立测点，测得混凝土的温度，并同步监测环境温度。分别在 2021 年 6 月、9 月、1 月进行三次监测，混凝土平均温度与环境温度的变化关系如图 13 所示。通过上图可知，在冬季环境温度变化最大温度为 6，而混凝土变化值仅不到 2。夏季环境温度变化最大值达到 14 时，混凝土平均温度变化值也仅为 2。因此，对于实际大型复杂桥梁工程，混凝土温度的变化受到环境温度变化的影响不明显，并且存在一定的滞后性。3 结束语通过动力试验探究了温度对单箱三室混凝土箱梁自振频率的影响范围（夏季平均温度 26.5，冬季平均温度 1.5），结合有限元分析，验证了动力试验模态结果的准确性。从模态分析结果来看，得到如下结论：1）箱梁夏季试验中，频率的最大变化值为 5.6%，冬季试验中频率的最大变化值为 4.87%，夏季最大频率/Hz温度/(a)1 阶频率0.940.920.900.81.01.21.41.61.82.02.2 实测频率频率/Hz2.302.282.262.242.222.202.18 实测频率温度/(b)2 阶频率0.81.01.21.41.61.82.02.2实测频率频率/Hz温度/(c)3 阶频率4.084.044.003.960.81.01.21.41.61.82.02.2频率/Hz5.285.245.205.165.125.08 实测频率温度/(d)4 阶频率0.81.01.21.41.61.82.02.2频率/Hz5.905.885.865.845.825.80 实测频率温度/(e)5 阶频率0.81.01.21.41.61.82.02.2图 12 连续梁（冬季）各阶频率与温度关系变化图42中国测试2024年3月频率变化值大于冬季，且温度对低阶频率影响更大。因此温度的升高会容易使箱型桥梁结构温度更为不均匀，对其自振频率的影响更大。2）从两次动力监测试验箱型桥梁各阶频率与温度关系变化数据分析可知，温度的变化对箱梁自振特性的影响并没有出现明显的正相关或负相关。3）尽管环境温度变化较大，但混凝土箱梁平均变化温度都较小。而且混凝土箱梁内部平均温度随着环境温度的变化有滞后性。参考文献 胡利平,韩大建.考虑环境因素影响的动态法桥梁损伤识别J.华南理土大学学报,2007,35(3):117-121.HU L P,HAN D J.Dynamic method for bridge damageidentificationconsideringenvironmentalfactorsJ.JournalofSouthChinaUniversityofScienceandTechnology,2007,35(3):117-121.1马慧宇,李剑,苏新彦,等.基于无线传感器网络的桥梁全天候健康监测系统设计 J.国外电子测量技术,2021,40(8):150-155.MAHY,LIJ,SUXY,etal.Designofabridgeall-weatherhealthmonitoringsystembasedonwirelesssensornetworksJ.Foreign Electronic Measurement Technology,2021,40(8):150-155.2向玲,鄢小安,陈涛.基于 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