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 SEISMOLOGYVol.30,Supp.Oct.,2010DOI: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±2g ，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，系王立新等：佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析2930卷华南地震表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 system30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 duringJan.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3130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 eachchannel in every hour during Jan.25~Feb.7,20103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。