珠江黄埔大桥模态频率连续监测中的温度影响Ⅰ:频率识别

温度对桥梁模态参数的影响李小年;陈艾荣;马如进【摘要】In this paper, a theoretical formula describing the temperature effect on the frequency of simply-supported beam is deduced. Then, by taking a single-pylon cable-stayed bridge with curved composite beam as the object, the temperature response and the effect on the frequency are analyzed, and a finite element method is proposed to quantify the effect of ambient temperature on the frequency of complex structures. The results show that (1) ambient temperature influences the modal frequency of the bridge structure mainly in three ways, namely, changing the structural size, producing internal force in the statically indeterminate structure and changing the mechanical properties of the structural material; (2) the influence of structure size change on the modal frequency can be neglected; and (3 ) the influence degree of ambient temperature on the modal frequency mainly depends on the structure form, the material, the section size and the internal force state. Moreover, case study results indicate that(1) different temperature modes have different influences on the deformation and the internal force of the structure;(2) the influence of uniform temperature on the modal frequency of cable-stayed bridge is mainly due to the change of elastic modulus, while the influence of girder temperature gradient is mainly due to the change of internal force; and ( 3) neither the cable temperature difference nor the pylon temperature gradient has any significant influence on the modal frequency.%从理论上推导了温度对简支梁频率的影响公式,并对一个独塔组合梁弯斜拉桥进行了温度效应和频率影响分析,提出了利用有限元计算来量化温度对复杂结构频率影响的方法.结果表明:环境温度主要通过使结构尺寸变化、使超静定结构产生内力以及使结构材料的力学性能发生改变这3种方式影响结构模态频率,其中结构尺寸变化的影响可以忽略不计；环境温度对结构模态频率的影响程度主要取决于结构形式、材料、截面大小以及结构内力状态.实例分析显示:不同温度模式对结构变形和内力的影响差别很大；体系温差对斜拉桥频率的影响主要是由弹性模量随温度的变化而引起的；主梁温度梯度对频率的影响体现在温度内力的改变上,而索梁温差和索塔温度梯度对频率基本无影响.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(040)004【总页数】6页(P138-143)【关键词】温度;模态参数;简支梁;斜拉桥;有限元【作者】李小年;陈艾荣;马如进【作者单位】同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】U441近年基于振动的结构健康监测技术已经越来越多地受到关注，英国和美国在20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统，我国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥等［1-2］.但目前在基于环境激励的结构健康监测和损伤识别技术研究中还存在许多困难，如何区分环境因素变化与结构损伤所引起的结构模态参数的变异性，并量化环境因素对结构模态参数的影响，是最值得关注的难点之一.已有的部分环境激励测试结果显示，环境因素导致的模态参数变异非常显著，且远远大于结构损伤引起的变化.国内外的研究者们在这方面做了很多工作，如Xia等［3］分析了一个室外钢筋混凝土连续板在两年内的结构模态参数变化，并基于线性回归方法建立模态参数与环境因素的关系模型; Peeters等［4］研究了瑞士Z24桥一年的监测数据，发现由环境变化导致的结构的前4阶模态频率的年相对变化比大致为14%～18%，并认为温度是影响模态参数的主要原因，温度和频率的关系基本呈双线性，其频率基本随着温度的升高而降低;Farrar等［5-6］研究了各种环境因素对Alamosa Canyon桥振动频率的影响，观测得到该桥的第一阶自振频率在一天内的变化可以达到5%;Sohn等［7］基于多元线性回归方法对Alamosa Canyon桥的测试数据进行了分析，认为模态参数的改变和温度之间是线性的;闵志华等［8］对东海大桥主航道斜拉桥一年的结构状态监测数据进行了处理，基于相干性分析和相关性分析，认为在一年的分析周期内环境温度和结构振动水平是影响桥梁模态频率的主要因素.从以上可以看到，大部分研究都是基于实桥或模型的监测数据，选择结构模态参数与环境因素建立关系模型，并没有从理论上揭示环境因素对结构模态参数的影响机理，且不能保证环境因素与模态参数之间关系模型的准确性.文中主要研究了环境温度对结构模态参数的影响，深入揭示了温度对结构模态参数的影响机理.1 环境温度对模态频率的影响机理环境温度影响结构模态频率主要有3种方式: (1)温度变化会使结构产生变形，从而使结构尺寸发生变化;(2)温度变化会使超静定结构产生内力，而拉力使结构刚度增大，压力使结构刚度减小; (3)温度变化会影响结构材料的力学特性，尤其是材料的弹性模量.混凝土和钢材的弹性模量均会随着温度的升高而降低，从而导致结构模态频率的降低.温度对不同的结构形式的模态影响结果不同.例如，对于两端固定的梁而言，温度变化将只产生内力而不发生变形;对两端自由的梁，温度变化只产生变形而不产生内力;而大部分工程结构在温度作用下会同时产生内力和变形.以下以简支梁及约束轴向位移的简支梁为例，探讨温度对结构模态参数的影响机理.1.1 简支梁模型为简化问题，取一个等截面简支梁模型，如图1所示.分别以E、A、I、表示简支梁的弹性模量、截面面积、截面惯性矩及均布质量，且均为常数;L为简支梁跨度. 图1 简支梁模型Fig.1 Model of simply-supported beam第n阶模态频率的表达式为对式(1)两边取自然对数后微分，整理可得式中，δ表示相应参数的增量.上式右边第一项表示弹性模量变化对频率的影响，第二项和第三项表示变形对频率的影响.假设各参数均随温度线性变化，则当温度改变δt时，各参数相对变化值分别为式中:θE为弹性模量随温度的变化率，为待定参数; θL=α为材料的线膨胀系数;θI 则根据不同截面，数值稍有不同，一般与α4同量级，因此可以忽略不计.将相对变化值代入式(2)中，可得式(3)可用来估计温度改变引起的简支梁频率变化.对于混凝土材料，α=1.0×10－5/℃;对于钢材，α=1.2×10－5/℃.而对于环境温度作用下θE的取值，目前的研究成果很少.借鉴材料抗火研究［9］，混凝土和钢材的θE取值如下:将其代入式(3)可知，温度每升高1℃，混凝土构件频率降低0.076%，钢构件频率降低0.024%.同时可以看出，结构尺寸变化对频率的影响可以忽略不计.1.2 约束轴向位移的简支梁模型约束简支梁的轴向位移，则温度改变仅产生轴向压力N=αδtEA，而不产生轴向位移，如图2所示.图2 约束轴向位移的简支梁模型Fig.2 Model of simply-supported beam with axial displacement restraint有轴力作用下的简支梁第n阶模态频率的解析式为在此只考虑轴力N的影响，其他参数均作为常数处理.则对式(5)两边取自然对数后微分，整理得到式中，为构件的欧拉临界力.从式(6)可以看出，轴力对结构频率的影响是非线性的，频率相对变化不仅和轴力相对变化量有关，还与结构原轴力大小有关.当原有轴力接近于欧拉临界力时，轴力改变对结构频率的影响越来越剧烈，且对低阶频率的影响比对高阶频率的影响大. 从以上分析可知，温度主要通过改变材料弹性模量以及结构内力来影响结构频率，其影响程度则取决于结构形式(静定或超静定)、材料物理性能(E、α)、截面大小(I、A)以及结构内力状态.对于复杂的桥梁结构而言，模态参数的解析解通常很难寻求，而通过有限元计算方法能有效地考虑各种因素.以下以一座单塔双跨组合梁弯斜拉桥为研究对象，研究了温度对结构频率的影响.2 工程实例2.1 斜拉桥温度效应某独塔组合梁弯斜拉桥跨径布置为42 m+ 105m+126m+30m+42m+42m，其第二至六跨位于半径为175m的圆曲线上，主跨的主梁由一个中央箱梁、两个边工字梁以及现浇25～27 cm厚的混凝土桥面板组成，75 m高的斜塔成为当地独特的一道风景，如图3所示.图3 桥梁立面、平面及主梁截面图(单位:cm)Fig.3 Elevation，plan view and cross section of the bridge (Unit:cm)采用大型通用有限元程序MIDAS建立空间模型，其中钢主梁、横梁、桥墩等均采用梁单元模拟，混凝土桥面板采用板单元模拟，拉索采用索单元模拟，混凝土斜塔用实体单元模拟，全桥共4375个节点、5100个单元(2946个梁单元，18个索单元，732个板单元及1404个实体单元)，如图4所示.图4 桥梁有限元模型Fig.4 Finite element model of the bridge静力分析时，考虑拉索的垂度效应、塔梁P-δ效应、几何大变形等非线性因素;动力特性分析时，考虑内力对结构刚度的影响，并根据拉索的内力对其弹性模量进行垂度修正.由于斜拉桥的温度分布情况非常复杂，一般可将温度作用分为体系温差、索梁(塔)温差、主梁温度梯度以及主塔温度梯度4个方面来分别考虑［10］.体系温差是指斜拉桥各构件发生均匀的温度变化;索梁(塔)温差是由于斜拉索的结构尺寸较小且导热性能较好而引起的附加的温度变化;主梁温度梯度是指主梁沿截面高度发生不均匀温度变化，即竖向温度梯度;主塔温度梯度由日照引起，即朝阳面和阴面之间的侧向温差.以温度日变化为研究对象，体系温差考虑升温20℃，索梁温差为+10℃，主塔温度梯度为塔身左右侧+5℃，主梁温度梯度采用 Eurocode《BS EN 1991-1-5:2003》来取值，即混凝土桥面板升温+10℃.通过几何非线性有限元计算，得到各种温度模式作用下主梁的位移，如图5所示.由于影响结构频率的主要是轴力，故只列出各温度模式作用下主梁的轴力，如图6所示.图5 各温度模式作用下的主梁变形Fig.5 Deformation of girder in each temperature mode图6 各温度模式作用下的主梁轴力Fig.6 Axial force of girder in each temperature mode计算结果表明，不同温度模式对结构变形和内力的影响差别很大.就位移而言，体系升温主要引起主梁纵向伸长，索梁温差和索塔温度梯度主要引起主梁竖向挠度，而主梁温度梯度则引起较小的主梁纵向位移和竖向挠度;从主梁内力上来看，体系升温产生较大的轴向压力，而主梁温度梯度产生较大的轴向拉力.2.2 温度对斜拉桥频率的影响从以上分析可以看出，温度对结构频率的影响机理主要在于其改变了材料的弹性模量及结构的内力状态.利用有限元来量化这种影响时，弹性模量的改变可根据式(4)，在模型中进行手动修正;结构内力的改变可通过非线性静力分析(如上节所述)得到，考虑内力对结构刚度的影响并进行动力特性分析，则可得到温度内力对结构频率的影响，即式中，S为结构初始应力刚度矩阵，K0为结构初始刚度矩阵，M为结构质量矩阵，ωi为第i阶自振圆频率，φi为第i阶模态位移向量.以结构初始状态的频率为参照，各温度模式对频率的影响定义如下:式中，f0为结构初始状态的模态频率，fi为结构在第i个温度模式作用下的模态频率.根据以上计算方法，得出各温度模式对频率的影响结果如表1所示.从表1可以看出，该斜拉桥在一天时间内的频率变化可以达到2%以上.体系升温对斜拉桥频率的影响主要是由弹性模量随温度改变引起的，主梁温度梯度对频率的影响体现在温度内力的改变，而索梁温差和索塔温度梯度则对频率基本无影响.对于主梁温度梯度，由于日照引起混凝土桥面板纵向伸长，从而使钢主梁承受较大的轴向拉力，因此桥梁频率不降反升.表1 各温度模式对频率的影响1)Table 1 Influence of each temperature mode on frequency1)表中正值表示增加，负值表示减小.模态序号模态频率/Hz /% 1 0.6765 －0.76 －0.25 －0.06 0.84 －0.09 －0.04 －0.索塔温度梯度模式体系升温模式主梁温度梯度模式索梁温差模式弹性模量的改变对频率的影响/%内力改变对频率的影响/%弹性模量的改变对频率的影响/%内力改变对频率的影响/%弹性模量的改变对频率的影响/%内力改变对频率的影响/%弹性模量的改变对频率的影响/%内力改变对频率的影响0.00 03 0.01 2 0.9732 －1.34 －0.03 －0.01 0.08 －0.02 －0.02 －0.15 0.00 3 1.2008 －0.68 －0.14 －0.07 0.62 －0.12 －0.01 －0.01 0.00 4 1.2992 －0.80 －0.31 －0.17 2.74 0.00 0.01 0.00 0.00 5 1.4166 －0.90 －0.13 －0.16 1.13 －0.04 0.00 0.00 0.00 6 1.5601 －0.72 －0.25 －0.16 2.47 －0.01 0.01 0.00 －0.01 7 1.6810 －0.79 －0.12 －0.14 0.41 －0.06 －0.01 0.00 0.00 8 2.0555 －0.77 －0.10 －0.11 0.30 －0.06 0.00 －0.01 0.00 9 2.1744 －0.80 －0.05 －0.06 0.16 －0.11 －0.02 －0.02 0.00 10 2.4638 －0.72 －0.14 －0.12 0.36 0.00 0.00 0.003 结论文中从理论上推导了温度对简支梁频率的影响公式，并对一个独塔组合梁弯斜拉桥进行了温度效应分析和频率影响分析，揭示了温度对结构模态参数的影响机理.得到如下结论:(1)环境温度影响结构模态频率主要有3种方式:使结构尺寸变化、使超静定结构产生内力、使结构材料的力学特性发生改变.其中结构尺寸变化的影响可以忽略不计，材料弹性模量的改变及结构内力的变化为主要影响方式.(2)环境温度和结构模态频率间并不一定具有负相关性，其影响程度主要取决于结构形式、材料、截面大小以及结构内力状态.(3)工程实例分析表明，不同温度模式对结构变形和内力的影响差别很大.体系升温对斜拉桥频率的影响主要是由弹性模量随温度改变引起的，主梁温度梯度对频率的影响体现在温度内力的改变，而索梁温差和索塔温度梯度对频率基本无影响. (4)目前尚没有材料在环境温度变化下的本构关系研究，复杂桥梁结构的温度场方面的研究也相对较少，如要精确量化温度对结构模态参数的影响，应从这两方面加强研究.参考文献:［1］张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计［J］.同济大学学报:自然科学版，2001，29(1):65-69.Zhang Qi-wei.Conception of long-span bridge health monitoring and monitoring system design［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2001，29(1):65-69.［2］袁万城，崔飞，张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展［J］.同济大学学报:自然科学版，1999，27(2):184-188.Yuan Wan-cheng，Cui Fei，Zhang Qi-wei.Current research and development of structural health monitoring and condition assessment for bridges［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，1999，27(2):184-188.［3］ Xia Y，Hao H，Zanardo G.Long term vibration monitoring of an RC slab:temperature and humidity effect［J］.Engineering Structures，2006，28:441-452.［4］ Peeters B，De Roeck G.One-year monitoring of the Z24-Bridge:environmental effects versus damage events［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2001，30:149-171.［5］ Farrar C R，Doebling S W，Cornwell P J.Variability of modal parameters measured on the Alamosa Canyon Bridge［C］∥Proceeding of 15th IMAC.Orlando:［s.n.］，1997:257-263.［6］ Doebling S W，Farrar C R.Effects of measurement statistics on the detection of damage in the Alamosa Canyon Bridge［C］∥Proceeding of 15th IMAC.Orlando:［s.n.］，1997:919-929.［7］ Sohn H，Dzwonczyk M，Straser E G.An experimental study of temperature effect on modal parameters of the Alamosa Canyon Bridge ［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1999，28:879-897. ［8］闵志华，孙利民，淡丹辉.影响斜拉桥模态参数变化的环境因素分析［J］.振动与冲击，2009，28(10):99-105.Min Zhi-hua，Sun Li-min，Dan Dan-hui.Effect analysis of environmental factors on structural modal parameters of a cable-stayed bridge［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28(10):99-105.［9］朱伯龙，陆洲导，胡克旭.高温(火灾)下混凝土与钢筋的本构关系［J］.四川建筑科学研究，1990(1):37-43.Zhu Bo-long，Lu Zhou-dao，Hu Ke-xu.Constitutive relationship of concrete and steel bar under high temperature［J］.Sichuan Building Science，1990(1):37-43.［10］邓小伟，石雪飞，阮欣.超大跨径钢斜拉桥的温度荷载调研与温度效应分析［J］.石家庄铁道大学学报:自然科学版，2010，23(3):57-62.Deng Xiao-wei，Shi Xue-fei，Ruan Xin.Investigation and analysis of temperature acts on long-span steel cablestayed bridges［J］.Journal of Shijiazhuang Tiedao University:Natural Science，2010，23(3):57-62.。

第 54 卷第 12 期2023 年 12 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.12Dec. 2023考虑异常监测数据影响的桥梁拉索振动频率识别方法研究钟国强1，柳尚1，徐润1，丁幼亮2，宋杰1，鞠翰文3，邓扬3(1. 山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南，250101；2. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京，210096；3. 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京，100044)摘要：针对桥梁健康监测系统中包含大量异常监测数据的现象，提出考虑异常监测数据影响的桥梁拉索振动频率识别方法。

首先，根据正常监测数据的功率谱密度函数的分布特征，确定拉索振动频率的近似频带区间，进而采用峰值拾取法自动化获取近似频带区间内的拉索振动频率初始识别值。

其次，利用前三阶频率建立三维空间密度聚类模型，进而采用聚类模型检测并剔除频率初始识别值中的异常值。

利用外滩大桥的拉索加速度监测数据对所提方法进行验证。

分析不同类型异常监测数据对拉索频率识别值的影响，考察不同维密度聚类模型对频率异常识别值的检测准确率。

研究结果表明：异常监测数据严重干扰了拉索振动频率的准确识别；三维空间密度聚类模型对拉索振动频率异常识别值的检测准确率达到了98%以上，且剔除异常识别值后的拉索频率与环境温度呈现合理的相关性。

关键词：结构健康监测；频率识别；拉索；异常数据；密度聚类中图分类号：TU311 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）12-4870-12Vibration frequency identification method of bridge cableconsidering abnormal monitoring dataZHONG Guoqiang 1, LIU Shang 1, XU Run 1, Ding Youliang 2, SONG Jie 1, JU Hanwen 3, DENG Yang 3(1. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co. Ltd., Jinan 250101, China;2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;3. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044, China)Abstract: Aiming at the phenomenon that the bridge health monitoring systems contain a large number of收稿日期： 2023 −03 −14； 修回日期： 2023 −05 −01基金项目(Foundation item)：山东省交通运输科技计划项目(2021B66)；国家自然科学基金资助项目(51878027)；北京市教委青年拔尖人才培育计划项目(CIT&TCD201904060) (Project(2021B66) supported by the Transportation Technology Program of Shandong Province; Project(51878027) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (CIT&TCD201904060) supported by the Beijing Municipal Education Commission)通信作者：钟国强，博士，高级工程师，从事交通基础设施监测预警研究；E-mail ：*****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.12.024引用格式： 钟国强, 柳尚, 徐润, 等. 考虑异常监测数据影响的桥梁拉索振动频率识别方法研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(12): 4870−4881.Citation: ZHONG Guoqiang, LIU Shang, XU Run, et al. Vibration frequency identification method of bridge cable considering abnormal monitoring data[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(12): 4870−4881.第 12 期钟国强，等：考虑异常监测数据影响的桥梁拉索振动频率识别方法研究abnormal monitoring data, an identification method for vibration frequencies of bridge cables with the influence of abnormal monitoring data was proposed. Firstly, the approximate band interval of each vibration frequency of the cables was determined according to the distribution characteristics of power spectral density function of normal monitoring data. Peak picking method was adopted to extract the initial identified results of the vibration frequencies of bridge cables automatically in the approximate band intervals. Secondly, a three-dimensional spatial density clustering model was established based on the first three order frequencies. Then, the abnormal values were detected and eliminated from the initial identified results of the vibration frequencies by using the clustering model. The proposed method was verified by using the cable acceleration monitoring data of the Waitan Bridge.The influence of different abnormal monitoring data on identification results of cable frequencies was analyzed.And the detection accuracy of density clustering models with different dimensions on abnormal values of the identified cable frequencies was also investigated. The results show that frequency identification of bridge cables is seriously interfered by abnormal monitoring data. The detection accuracy of three-dimensional spatial density clustering model on the abnormal identified frequencies is more than 98%. In addition, the cable frequency after removing the abnormal identification values shows a reasonable correlation with the ambient temperature.Key words: structural health monitoring; frequency identification; cable; abnormal data; density clustering在大型桥梁结构的健康监测中，桥梁拉索振动响应监测与索力识别至关重要，拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一[1−2]。

温度对结构模态固有频率的影响研究本文研究了温度对结构模态固有频率的影响。

通过实验和模拟分析，发现随着温度的升高，结构的模态固有频率会发生变化。

本文详细讨论了温度对结构模态固有频率的影响机理，并提出了相应的解决方案，以保证结构的安全性和稳定性。

关键词：温度；结构；模态固有频率；影响机理；解决方案1.引言结构的模态固有频率是指在特定的边界条件下，结构自身在某个方向上振动时所具有的固有频率。

模态固有频率是结构设计和分析中非常重要的参数，它不仅能够反映结构的动态特性，还能够指导结构的优化和改进。

然而，在实际工程中，结构的模态固有频率受到多种因素的影响，其中温度是一个非常关键的因素。

温度的变化会导致结构的物理性质发生改变，从而影响结构的模态固有频率。

因此，深入研究温度对结构模态固有频率的影响机理，对于保证结构的安全性和稳定性具有重要意义。

2.温度对结构模态固有频率的影响机理温度对结构模态固有频率的影响机理主要有以下几个方面：（1）材料的热膨胀温度升高会导致结构材料的热膨胀，从而改变结构的刚度和质量分布，进而影响结构的模态固有频率。

一般来说，材料的热膨胀系数随温度的升高而增大，因此，随着温度的升高，结构的模态固有频率会下降。

（2）结构的热应力温度变化还会导致结构的热应力发生变化。

当结构的温度变化较大时，热应力会引起结构的变形和应力集中，从而影响结构的模态固有频率。

一般来说，热应力越大，结构的模态固有频率越低。

（3）结构的材料性质温度变化还会影响结构材料的性质，如弹性模量、泊松比、密度等。

这些性质的变化会直接影响结构的刚度和质量分布，进而影响结构的模态固有频率。

一般来说，随着温度的升高，结构的模态固有频率会下降。

3.实验和模拟分析为了验证温度对结构模态固有频率的影响，本文进行了实验和模拟分析。

实验采用了一种常见的悬臂梁结构，通过改变温度对结构进行加热，测量不同温度下结构的模态固有频率。

模拟分析采用了有限元方法，建立了一个三维悬臂梁模型，通过改变材料参数和温度参数，计算出不同温度下结构的模态固有频率。

大跨度桥梁健康监测过程中的温度影响研究姚昌荣;李亚东【摘要】大跨度桥梁健康监测是近年来工程界的研究热点,但是由于桥梁结构的复杂性和特殊性,监测变量受环境因素的影响较大,增加了系统评估的难度.本文分析了大跨度桥梁在不同温度场荷载作用下的结构反应,研究表明结构各构件间的温度差和梯度温度效应对桥梁结构影响较大.本研究的结果可为桥梁健康监测系统策略的制订提供参考.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2008(025)002【总页数】4页(P25-28)【关键词】桥梁;健康监测;温度场【作者】姚昌荣;李亚东【作者单位】西南交通大学,土木工程学院,四川,成都,610031;西南交通大学,土木工程学院,四川,成都,610031【正文语种】中文【中图分类】U445.4大型桥梁结构的响应量(如应变、挠度、自振频率、振动幅度及振型等)除与结构本身特性及其所受的荷载有关外，还与结构所处的环境条件(如交通荷载、环境温度、湿度、风速、边界条件等)密切相关.例如，在潮湿的天气，混凝土由于吸收了大量的湿气，这就增加了结构的质量，从而改变结构的自振频率［1］.对于桥梁结构的整体评估与损伤识别，目前有多种方式.研究结果表明:动力参数在数值模拟以及实验室条件下进行的简单结构的损伤识别是成功的，但实际应用则不尽人意.其主要原因在于:实桥结构的动力参数受非结构因素的不确定性及边界条件等的影响较大，特别是环境因素的干扰，结果导致对反映桥梁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.因为这些参数本身不仅对结构的损伤较为敏感，对环境条件的变化也是非常敏感的，其中环境温度变化的影响最为明显.因此，在健康监测过程中，不可忽略环境因素的影响. 本文拟结合四川宜宾金沙江中坝大桥(见图1)，探讨健康监测过程中温度的影响.该桥为252+ 175 m独塔混凝土斜拉桥，主梁采用边主肋加小纵梁，与横隔板及桥面板一起形成正交异型板混凝土梁式结构，全桥共设40对斜拉索，桥宽25 m.计算中采用ANSYS软件建立全桥模型，该模型基于静动载测试数据进行了修正［2］，修正后的有限元模型符合实际结构的静动力性能.对于大跨度桥梁结构，特别是斜拉桥、悬索桥等，其温度效应十分显著.一般来说，桥梁结构的温度场可以分为整体温度差、不同构件之间的温度差以及构件本身的梯度温度影响等三种情况.整体温度差是指结构基于同一基准温度，各构件的温度变化量相同，包括一天中气温变化以及季节气温变化;不同构件之间的温度差，主要是由于不同的材料热性能和几何形状等方面的差异造成的;梯度温度则指由于太阳辐射引起的结构表面和内部温度不一致，其与截面所处的位置有关.下面将分别讨论这三种温度场对桥梁结构的影响.1.1 整体温度差效应对于桥梁结构的整体温差效应，国内外已有许多学者对此进行了初步研究.Alampalli［3］对一座小型桥梁两跨之间的连接切断作为模拟故障，同时降低温度以对比观察这两种因素对模态频率的影响，结果发现:当温度变化范围足够大时，温度导致模态频率的变化(δf=40%～50%)比模拟故障(δf=3%～8%)大了一个数量级.Roberts和Pearsonn对1座9跨840 m长的桥梁进行了长期测试，发现一年中模态频率改变达3～4%.Farrar等对Alamosa Canyon大桥在无交通荷载情况下监测的结果表明:该桥1阶模态频率昼夜变化的幅度可达5%，并且采用自适应滤波的方式拟合温度与频率的相关关系用以预报频率.Peeters，Maeck和Roeck［4］等对瑞士Z24桥(混凝土预应力桥梁，14+30+14 m)进行了216天的测试，在此期间该桥的1～4阶模态频率的波动范围分别为14%、18%、16%和17%.樊可清［5］等对香港汀九大桥600小时的测试数据进行了分析，结果表明:不仅环境温度波动会引起模态频率的变化，而且大跨度桥梁不同部位的温度分布状况对模态频率也有显著影响，并且提出了运用支持向量机(SVM)的非线性回归模型消除引起模态频率变化的环境温度和温度分布模式因素的影响.其他一些研究资料也表明:环境温度变化对结构的模态频率影响较大，不可忽视［6，7］.温度对结构自振频率的影响机理主要有以下几个方面:(1)温度变化将引起材料的弹性模量E发生变化.当温度升高时，钢筋混凝土材料的弹性模量将有所减小，而结构的自振频率f与成比例关系，因此结构自振频率也会发生相应的变化.(2)温度变化引起基础边界条件的变化.例如，土壤的冻融影响桩基的约束条件，这也必然反应在结构的自振频率变化中.(3)与结构的受力状态有关.为了说明这点，以两端简支，并承受轴向力的等截面直梁为例，其弯曲振动方程为其中，T是梁横截面的轴向拉力，对于轴向压力，取T＜0，ρ是梁的材料密度，A 是横截面面积，EI是梁的抗弯刚度.可以求出在轴向力T作用下第i阶自振频率为从上式可知，轴向拉力时自振频率升高，反之，压力则使其频率降低.当压力时，频率等于零，其物理意义是:轴向压力达到临界荷载时，梁不再振动.对于复杂结构，则必须分析结构在温度荷载作用下产生的是拉力还是压力.比如，对于以压弯为主的斜拉桥结构，在温度升高时，索力有下降趋势，主梁伸长，而轴力变小，因此其自振频率增大;当温度降低时，索力有增大趋势，主梁缩短，轴力变大，其自振频率减小.为了分析中坝桥在温度荷载作用下的结构反应，以20℃作为基准温度，分别计算温度为40℃和0℃时结构的状况.图2表示结构在不同温度情况下，每根拉索的索力变化范围为-10～11 kN，由于其恒载索力值较大因此索力的相对变化很小，可以忽略.图3表示结构在不同温度下的挠度变化:温度升高时中跨下挠，边跨上拱;反之，则中跨上拱，边跨下挠;其变化值随温度变化量的增大而增大.表1列出了结构在不同温度荷载作用下前6阶自振频率变化情况，各阶频率均有不同程度的变化，当温度升高时其频率变化幅度为1.5%～11%，当温度降低时其频率减小1.8%～12.9%.上述分析表明:当结构的整体温度发生变化时，对结构挠度以及自振频率都有较大的影响.结构的自振频率还与结构的约束情况有关，如果桥头的伸缩缝被卡死，则温度升高轴力变大，频率就减小.当温度下降时，主梁不能自由缩短，轴力变小，因此频率也减小.例如，约束主梁两端，温度降低时(0℃)，竖向一阶频率为0.397 48，频率增加5.7%.1.2 各构件间的温度差国内已有一些学者研究和观测斜拉索的温度效应［8，9］.文献［8］对武汉长江二桥的观测资料表明:上午10时，PE外套表面温度比大气温度及PE管内壁温度高10℃左右;中午斜拉索内部温度上升并接近外表温度;下午16时，拉索表面温度下降，而其内部温度达到一天的最高峰，并高于大气温度10℃以上;晚20时，索内外温度趋于一致，基本接近大气温度.对大佛寺长江大桥温度监测也表明:拉索的温度比梁塔的温度变化大［9］.由此可见，斜拉索与梁塔的温度存在较大的差异.为了定性分析索与梁塔的温度差效应，取基准温度20℃，各构件温差为零，计算了两种工况:工况一，假定气温上升10℃(即梁塔温度均为30℃)，索的温度为40℃;工况二，假定气温上升15℃(即梁塔温度均为35℃)，索的温度为45℃.计算结果见图4.由计算可知，索与梁塔的温差对主梁的线形影响较大，在夏季一天中由于温度引起的挠度变化可能达到8.0 cm.1.3 梯度温度影响由于太阳辐射，使结构沿与其轴线正交的方向形成非线性的温度梯度，导致结构产生次应力.在公路桥梁设计规范中，考虑主梁都带有较长的悬臂，两侧腹板受太阳直射的影响较小，梁底则不受日照，因此，不计及横桥向温度梯度作用.中坝桥在施工过程中，曾于2003年4月对主梁温度场进行了连续观测［10］，测试结果表明:气温29℃时，梁顶30℃，梁顶板底面19℃，主肋底21℃.为了分析梯度温度对结构的影响，假定气温为30℃，梁顶30℃，顶板底面20℃，索温按前述考虑为40℃，暂不考虑塔的梯度温度.计算结果见图5.从以上三方面的分析比较可见，对中坝大桥而言，整体升降温对结构挠度变化的影响较小，而构件间的温差对结构的影响则要大得多，如果再考虑梯度温度场的影响，则一天中主梁的挠度变化可能达到8.0 cm(就本桥而言);自振频率主要与结构的整体温度场相关较大，而构件间的温度差和梯度温度场对其影响则较小.这些结论对研究同类斜拉桥的温度效应提供了有用信息.综上所述，在桥梁健康监测过程中，应对结构的温度场进行监测和分析，甄别监测量的变化是由温度引起的还是由结构损伤所致，从而减少误判，提高监测的可靠性.【相关文献】［1］M.G.Wood.Damage Analysis of bridge structures using vibrational techniques ［D］.Birminham:University of Aston，Birminham，UK，1992.［2］姚昌荣，李亚东.基于静动力测试数据的斜拉桥模型修正［J］.铁道学报，(已录用).［3］Alampalli S.Influence of in-service environment on modal parameters［A］.Proceeding of the 16thInternational Modal Analysis Conference(IMAC)［C］.Santa Barbara:IMAC，1998.111-116.［4］Bart Peeters，Johan Maeck，Guido De Roeck.Vibrationbased damage detection in civilengineering:excitation sources and temperature effects［J］.Smart Materials and Structures，2001，(10):518-527.［5］樊可清，倪一清，高赞明.大跨度桥梁模态频率识别中的温度影响研究［J］.中国公路学报，2006，19(2):67～73.［6］Sohn S，Dzonczyk M，Straser EG，Kiremidjian A S，Lay K H and Meng T.An experimental study of temperature effect on modal parameters of the Alamosa Canyon Bridge［J］.Earthquake Eng.Struct.1999.28:879-897.［7］Rohrmann R G，Baessler M，Said S，Schmid W and Rücker W F.Structural causes of temperature affected modal data of civil structures obtained by long time monitoring ［A］.Proceeding of the 16thInternational Modal Analysis Conference (IMAC)［C］.San Antonio:IMAC，2000.1-7.［8］郭良友，林一宁，李文波，刘虹.武汉长江二桥的索力、温度和应力测量［J］.桥梁建设，1995，(3):44～53.［9］符欲梅，朱永，陈伟民，等.桥梁温度测量系统的设计、开发及应用［J］.公路，2005，(8):1～6.［10］曹发辉.斜拉桥施工控制中的温度影响研究(硕士学位论文)［D］.成都:西南交通大学，2004.。

温度对桥梁模态的影响李成才发表时间：2019-08-02T10:44:46.423Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：李成才王汉发林颖文[导读] 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。

广州大学广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心广东广州 510006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；MIDAS1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。

参观珠江黄埔大桥与技术交流
王强;蔺惠茹
【期刊名称】《广东公路勘察设计》
【年(卷),期】2005(000)004
【摘要】2005年11月29日下午，技术质量部研发中心组织我院专业技术人员与广东省交通咨询服务中心的专业人员一起到珠江黄埔大桥进行参观和技术交流活动，两单位共20多人参加了本次活动。

广州珠江黄埔大桥建设有限公司黄成造总工程师给予本次活动大力支持，派凌晓部长全程陪同并给予全面的介绍，大桥各施工标段的技术负责人为我们作了各部分的专题介绍。

【总页数】3页(P49-51)
【作者】王强;蔺惠茹
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】U483
【相关文献】
1.参观“华南第一桥”——珠江黄埔大桥 [J], 王强
2.珠江黄埔大桥南汊桥南锚碇工程地质条件分析 [J], 崔豪;王龙变
3.珠江黄埔大桥模态频率连续监测中的温度影响Ⅰ:频率识别 [J], 朱嘉健;王立新;姜慧;赵贤任;李雪艳
4.珠江黄埔大桥模态频率连续监测中的温度影响Ⅱ:温度影响及建模分析 [J], 王立
新;朱嘉健;姜慧;赵贤任;李雪艳
5.广州珠江黄埔大桥索塔位移监测 [J], 孙丰春
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环境温度对混凝土梁式桥频率的影响研究
贺文宇;周磊;李志东;贺佳;户东阳
【期刊名称】《湖南大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(51)1
【摘要】现有关于环境温度影响桥梁自振频率特性的研究通常针对特定桥梁,其通用性受到了一定的限制.鉴于混凝土梁式桥是应用最广泛的桥梁类型,本文从自振频率解析解出发,推导了混凝土梁式桥自振频率和温度关系的通用迭代计算公式,并通过数值算例和环境耦合箱模型试验进行验证.结果表明:环境温度对桥梁自振频率的影响不可忽视,所提出的桥梁自振频率迭代计算公式能有效考虑环境温度的影响,可用于计算实际温度作用下的混凝土梁式桥的频率.
【总页数】10页(P33-42)
【作者】贺文宇;周磊;李志东;贺佳;户东阳
【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院;湖南大学土木工程学院;中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】U446
【相关文献】
1.预应力损伤对混凝土梁桥自振频率的影响分析
2.环境温度和边界条件对混凝土梁式桥自振频率影响研究
3.隔震斜交连续梁桥地震反应及环境温度影响研究
4.基于
协同克里金方法的环境温度分布对装配式小箱梁桥影响分析5.寒区环境温度对板式橡胶支座连续梁桥地震易损性影响研究
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一、概述广州珠江黄埔大桥由承台由上游承台和下游承台两部分，构造属大体积砼结构物，长19.0m，宽19.0m，高6.0m，砼强度等级为C30。

上、下游承台方量各为：C30（PO32.5R）砼2166m3，共计砼4332m3；上游承台分三层浇筑；下游承台分两层浇筑，上下游承台由横系梁连接。

主塔上、下游塔座亦是大体积砼结构物，棱台形底长19m,宽19m,高5m。

塔座方量都为：砼582 m3，共计砼1164m3；上、下游承台分别分两次浇筑；每次浇注2.5m。

为防止砼水化热温升而产生温度裂缝，以满足设计要求，保证大桥的长期安全使用，受广东长大集团珠江黄埔大桥S10标项目经理部的委托，武汉理工大学承担了广州珠江黄埔大桥承台、塔座砼温控施工方案和现场监控工作。

上下两承台、塔座在施工前，进行了温控设计。

采用大体积砼施工期温度场和温度应力场分析程序包进行了温度场和温度应力场计算，根据计算，进行了分层设计，承台砼施工分层见图1、2，塔座砼施工分层见图3、4，提出了防止产生温度裂缝的温控标准和温控措施，并对广州珠江黄埔大桥承台进行了内部温度的检测和监控，以便分析评估和指导砼灌注工艺的进行。

上游承台整体施工时间和现场监控时间分别为2005年12月4日至12005年12月25日和2005年12月4日至2005年1月3日。

下游承台整体施工时间和现场监控时间分别为2005年12月17日至2005年12月31日和2005年12月17日至2006年1月11日。

上游塔座施工时间和现场监控时间分别为2006年1月16日至2006年1月20日和2006年1月16日至2006年2月2日，下游塔座整体施工时间和现场监控时间分别为2006年1月23日至2006年1月26日和2006年1月23日至2月6日，在承台、塔座砼浇筑和养护过程中，特别强调了各项温控措施的落实，在建桥各方共同努力下，承台、塔座施工质量良好，温控效果良好，没有产生温度裂缝。

运营环境作用对跨海大桥模态频率的影响研究
周毅;孙利民;谢谟文
【期刊名称】《工程力学》
【年(卷),期】2018(35)A01
【摘要】模态频率是反映结构整体性能的动力学指标之一,然而实践中发现,即使结构性能正常,它也会随运营环境作用发生可观的变化。

因此有必要研究运营环境作用与结构频率的相关性,以便从频率的总变化中剔除正常变化,凸显由结构损伤引起的频率变化。

利用东海大桥的长期监测数据,该文同时分析了桥梁高阶频率和低阶频率的变化规律。

在运营条件下,东海大桥的高阶频率和低阶频率均存在周期变化特征,且与运营环境因素的变化周期相吻合;结构温度和交通荷载是引起频率变化的最主要因素,温度与各阶频率的变化均呈负相关关系,而交通荷载与高阶频率的相关性不同于低阶频率。

【总页数】6页(P34-39)
【关键词】跨海大桥;周期特性;运营环境作用;模态频率;长期监测
【作者】周毅;孙利民;谢谟文
【作者单位】北京科技大学土木工程系;同济大学土木工程防灾国家重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】U441.3
【相关文献】
1.大跨度斜拉桥模态频率的环境影响因素研究 [J], 孙利民;周毅;谢大圻
2.热环境对FGM壳模态频率的影响 [J], 刘文光;舒斌;郭隆清;贺红林
3.桥梁模态频率与运营环境作用的相关性 [J], 周毅;孙利民;谢谟文;乔兰
4.环境因素对斜拉桥模态频率影响的周期特性 [J], 孙利民;周毅;谢大圻
5.环境温度对圆拱形钢结构模态频率的影响研究 [J], 刘哲;丁阳;宗亮
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大跨度斜拉桥模态参数长期追踪及其变异性分析
茅建校;桂桂;王浩;杨朝勇
【期刊名称】《振动工程学报》
【年(卷),期】2024(37)1
【摘要】为了丰富大跨度斜拉桥模态参数的实测数据库,依托苏通大桥结构健康监测系统采集的数据,采用所建立的模态自动识别和追踪方法,获取了2010年期间该桥的模态参数值,并据此分析了在温度和风速作用下桥梁模态参数的变异性。

研究结果表明,大桥主梁模态频率的变化受温度和风速共同影响,随着温度的升高而降低,随着风速的升高而增加。

大桥主梁模态阻尼比的变异性显著大于模态频率,低风速下主梁一阶侧弯阻尼比在0.5%~15%之间波动,风速大于9 m/s时逐渐降低并稳定在2%左右。

大桥主梁前四阶竖弯阻尼比受气动阻尼的影响较大,在风速较小时随着风速的增加略有增加。

研究结果可为大桥的服役性能评估与运营管理提供参考。

【总页数】8页(P52-59)
【作者】茅建校;桂桂;王浩;杨朝勇
【作者单位】东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U441.3;U448.27
【相关文献】
1.基于ANSYS对大跨度混合梁斜拉桥的模态分析
2.基于环境激励的大跨度斜拉桥模态参数和索力识别
3.大跨度斜拉桥环境振动试验与模态参数识别
4.大跨度斜拉
桥模态参数识别时频方法对比研究5.贝叶斯方法在大跨度斜拉桥模态参数识别中的应用研究
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基于监测数据的大跨度悬索桥频率与环境条件的相关性模型邓扬;李爱群;刘扬;丁幼亮【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(045)007【摘要】基于环境条件变化会导致桥梁结构模态参数发生改变,从而导致基于动力特性测试的损伤诊断出现误判等问题,对江苏润扬大桥悬索桥的模态频率与环境条件长期监测数据进行处理,采用改进BP神经网络构建实测模态频率与温度、风速及车辆荷载的相关性模型.在此基础上分离环境条件变化对频率的影响,并采用假设检验的方法提出结构损伤预警方法.研究结果表明:基于提前停止技术和贝叶斯正则化技术的改进BP神经网络模型具有良好的泛化能力,可以有效地消除模态频率的环境变异性;采用t检验的方法识别出江苏润扬大桥悬索桥第5阶和第6阶频率的0.16％和0.12％异常变化,具有较强的损伤敏感性,适用于悬索桥结构的在线状态监测和预警.【总页数】9页(P2401-2409)【作者】邓扬;李爱群;刘扬;丁幼亮【作者单位】长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙,410004;长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室,湖南长沙,410004;东南大学土木工程学院,江苏南京,210096;长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙,410004;长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室,湖南长沙,410004;东南大学土木工程学院,江苏南京,210096【正文语种】中文【中图分类】TU311.41;U448.25【相关文献】1.海洋石油112环境条件监测数据的相关性研究 [J], 李牧;田冠楠;李卓;;;2.海洋石油112环境条件监测数据的相关性研究 [J], 李牧;田冠楠;李卓3.基于风云二号X射线监测数据的短波通讯可用频率预报 [J], 单海滨;王劲松;赵文化4.基于MISOHRM模型的非一致性洪水频率计算方法及应用III:模型构建与非一致性洪水频率计算 [J], 刘宇; 谢平; 李析男; 许斌5.基于连续空间频率的遥感成像辐射响应模型及其几何相关性研究 [J], 赵世湖;唐新明;尹丹;郝胜勇;窦显辉;胡沅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。