2012年--橋梁工程外文翻譯--溫度對一鋼-混凝土組合梁橋的每日模態(tài)變化的影響（譯文）

1、<p>　　5400漢字，3400單詞，18500英文字符</p><p>　　出處：Mosavi A A, Seracino R, Rizkalla S, et al. Effect of Temperature on Daily Modal Variability of a Steel-Concrete Composite Bridge[J]. Journal of Bridge Engineeri

2、ng, 2012, 17(6):979-983.</p><p>　　溫度對一鋼-混凝土組合梁橋的每日模態(tài)變化的影響</p><p>　　阿米爾答 Mosavi ，博士，PE ，M.ASCE 1 ; 魯?shù)婪?Seracino ，博士2 ;薩米 Rizkalla ，博士，F(xiàn).ASCE 3</p><p>　　1 nyvale，CA 94085，土木，建筑和環(huán)境的前身

3、，系心理工程，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7533 （通訊作者）。電子郵 amosavi@scsolutions.com 2 工程，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7533。電子郵箱： rudi_seracino@ncsu.edu</p><p>　　3 TAL 工程，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7533。 電子郵件：sami_Rizkalla@ncsu.edu</p

4、><p>　　摘要：以振動為基礎(chǔ)的損傷檢測技術(shù)通常是以橋梁模態(tài)特性的變化作為橋梁可能損害的跡象。但是，結(jié)構(gòu)損害不是這些變化 的唯一原因。本研究探討溫度變化在北卡羅萊納州的兩跨鋼 - 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的模態(tài)特性的影響，并解決在其動態(tài)特 性中觀察到的日變化的程度和原因?，F(xiàn)場測試包括對橋梁在整個夏季一整天的振動響應(yīng)，撓度和溫度的測量。由一天不同時 間段的每組測量數(shù)據(jù)之間比較得到橋梁的動態(tài)特性。記錄的橋面板溫度和撓度用于報

5、告觀察橋在自振頻率狀態(tài)下的變化?，F(xiàn) 場測試結(jié)果表明，溫度變化會引起模態(tài)變化的每日循環(huán)。能觀測到這種現(xiàn)象主要是由在橋面板上從晚上到中午的溫度梯度所 造成的。</p><p>　　分類號：10.1061/（ASCE)工學(xué)士.1943-5592.0000372。 ©2012年美國社會土木工程師。 ASCE 主題詞：組合梁橋，自振頻率，損傷，模態(tài)分析，溫度影響，混凝土，鋼</p><p>

6、;　　關(guān)鍵詞：加速度，鋼-混凝土組合橋梁，頻率響應(yīng)函數(shù)，自振頻率，溫度，損傷識別，模態(tài)分析</p><p><b>　　作者簡介</b></p><p>　　1.結(jié)構(gòu)分析師，資深大律師解決方案，公司1261奧克 m 德景觀道路，太陽 nyvale，CA 94085;以前，土木，建筑和環(huán)境工程，北卡羅萊納州立大學(xué)的 系，羅利，NC27695-7533（通訊作者）。電子郵

7、件：amosavi@scsolutions.com</p><p>　　2.副教授，土木學(xué)系，建筑與環(huán)境 工程，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7533。電子郵箱： rudi_seracino@ncsu.edu</p><p>　　3.特聘教授，土木工程系，建設(shè)和使用環(huán)境工程，北卡羅萊納州立大學(xué)，羅利，NC27695-7533。 電子郵件：sami_Rizkalla@ncsu.e

8、du</p><p><b>　　請注意：</b></p><p>　　這個手稿于2011年5月1日與提交; 2012年1月18日通過審核；2012年1月20日在網(wǎng)上公布；討論時間開放至2013年4月1日;單獨的討論必須提交單 篇論文。本技術(shù)說明的是橋梁雜志的一部分技術(shù)說明。 17號6，2012年11月1日.©ASCE，ISSN1084-0702/

9、2012/6-979e983/25.00美元</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　自振頻率和振型是橋梁在其使用壽命中長期 監(jiān)測的基本特征。橋梁質(zhì)量和剛度等物理性質(zhì)的變 化導(dǎo)致其模態(tài)特性改變。因此，橋梁的模態(tài)特性已 被廣泛作為基于振動的損傷檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。然 而，也有報道說環(huán)境條件的變化也會對橋梁結(jié)構(gòu)的 模態(tài)性質(zhì)有類似的效果。（Alampa

10、lli，1998年;徐和 吳，2007年; 西迪基等，2007年 ;DeWolf 等，1995 年 ; 傅和 DeWolf ，2001年; 瓦哈卜和 ROECK ， 1997年; 劉和 DeWolf 2006年; 法拉等，1997年）。 例如，每天或季節(jié)性的溫度變化可能會因為橋梁邊 界條件或撓度變化等引起橋梁的剛度變化（西迪基 2007 ; DeWolf 等，1995 ; 傅和2001年 DeWolf）。因 此，區(qū)分由環(huán)境變化和結(jié)構(gòu)損害

11、引起的模態(tài)變化， 以減少溫度在基于振動損傷檢測程序的誤導(dǎo)作用 是至關(guān)重要的。</p><p>　　雖然許多研究者已經(jīng)報道了溫度會引起橋梁 的動態(tài)特性的變化，但觀察到的模態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn) 象較少受到重視。法拉和豪雷吉（1996）測量橫跨 新墨西哥州格蘭德河的 I-40大橋在自然頻率變化所 引起的鋼梁的破壞效果。這項研究發(fā)表了自振頻率 額混合變化與溫度的日變化有關(guān)。Alampalli（1998） 還指出在溫度變化的情況

12、下測量自振頻率難以觀 測小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。徐和吳（2007）表明， 橋梁損傷的誤測可能是由溫度變化的改變引起的。 同樣，西迪基等（2007）顯示，在兩跨立交橋結(jié)構(gòu)， 溫度變化和在橋面板上的混凝土保護層損傷在導(dǎo) 致橋梁自振頻率的變化上是同一個級別的。瓦哈卜 和 ROECK（1997）和劉和 DeWolf（2006）在兩個 單獨的混凝土橋梁上研究了季節(jié)性的溫度變化的 對自振頻率的影響，并發(fā)現(xiàn)橋梁自振頻率的變化在 一年內(nèi)可高達5-6％。法

13、拉等人已經(jīng)報告了自振頻率 變化的幅度在 24h 內(nèi)與第一個自振頻率相近。（ 1997）。然而，少數(shù)的研究人員（DeWolf 等，1995 ; 傅和2001年 DeWolf）已經(jīng)調(diào)查溫度的變化會影響橋 梁的模態(tài)特性的可能原理。</p><p>　　該研究得到了在一個兩跨鋼 - 混凝土高速公 路橋梁的現(xiàn)場檢測結(jié)果，并探討其中相對簡單的橋 梁在一天內(nèi)動態(tài)變化的可能機制。在此現(xiàn)場測試 中，通過儀器的沖擊錘施加沖擊荷載對橋

14、梁進行激 振，并在一天的不同時間對振動響應(yīng)進行了測量。 并在一天中的三個不同的時間對橋梁對應(yīng)的溫度 和撓度進行了測量。觀察到在一天中的不同時間測</p><p>　　得的自振頻率的的變化與測量撓度（撓度）和溫度 有關(guān)。日常模態(tài)變化的最可能是因為在橋梁的橫截 面上溫度梯度在白天和夜晚的差異。</p><p><b>　　2.現(xiàn)場測試</b></p><

15、;p>　　2.1橋梁結(jié)構(gòu)的說明</p><p>　　該測試的雞公路大橋是位于蘭伯頓，北卡羅萊 納州的一座立交橋結(jié)構(gòu)。該橋建于2007年，是一座 兩跨（41.28和38.96m 跨度）四車道橋面板總寬度 為10.99m 并且?guī)缀跖c路面成46度斜交的鋼-混凝土 組合斜交橋，如圖（圖1） 該橋是每跨由等距為3m 高為1.5m 的4片鋼梁的東西走向的復(fù)合材料橋。鋼 筋混凝土橋面為300mm 厚。每個跨度的混凝土橋面

16、 端部用熱敏伸縮縫隔開。鋼梁被簡支在橋墩頂部的 氯丁橡膠墊上。中間橋墩由三排鋼筋混凝土墩柱和 頂部的柱帽組成。</p><p>　　圖1 雞公路大橋（從東北看）</p><p>　　2.2儀器儀表和數(shù)據(jù)采集</p><p>　　主要儀器是六個 PCB 股份有限公司的393A03 型號單向加速度計，這些加速度計靈敏度為1 V / g， 設(shè)置的最大范圍為±0

17、.5 g。能夠在0.5-2,000Hz 的頻 率范圍內(nèi)進行測量。這些加速度計被安裝在鋼梁底 部凸緣的豎直方向，如示于圖（2）。加速度計位置 避免與橋梁任何的主要振型的穩(wěn)態(tài)節(jié)點重合。在一 天中三個不同時間記錄三組測量中，記錄的第一組 測量為2008年8月16日的午夜十分。第二天早上早 上7點附近進行第二組測量，而最后一組測量記錄 為當(dāng)天中午附近。在第三組測量值中（1，4，5， 和6）四個位置的加速度計被改為測量主梁 A1的網(wǎng) 絡(luò)上的橫向振

18、動。這些橫向測量并沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)， 因為橫向加速度相對于信噪比很小。這座橋在整個 測試項目與通車相接近。</p><p>　　A 跨的四個鋼梁跨中撓度在24 h 內(nèi)均使用拉繩 式傳感器測量。用熱電偶連續(xù)監(jiān) A1和 A2梁底梁和 法蘭盤頂部的鋼板表面溫度，以及梁 A1和 A2的中</p><p>　　間橫隔板之間的空氣溫度。在振動測量的同時用非 接觸式激光熱電偶測量在混凝土橋面板整個頂板 表面

19、溫度。用一個配有測力傳感器的大沖擊錘來激 發(fā)橋的振動響應(yīng)（激振），如圖（3）。如前所述， 在在一天中的三個不同的時間進行激振。該錘的測 力傳感器具有0.23mV / N 標(biāo)稱靈敏度和±45kN 的峰 值幅度。在橋梁的混凝土橋面選擇六個位置用于施 加沖擊載荷。這些位置正好在安裝于 A1梁的加速 度計上方。在這些六個位置都重復(fù)加載五次，以減 小的測量噪聲和激發(fā)特性的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配 有模擬和有限脈沖響應(yīng)濾波器的組合，以提供抗混

20、 疊濾波能力。此外，每個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器 信號感應(yīng)卡采用24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。所有的數(shù)據(jù) 采集的采樣頻率為2048Hz。以0.0078 Hz 的分辨率 收集的加速度和加載的時間關(guān)系按標(biāo)準(zhǔn)算法來推 導(dǎo)頻率響應(yīng)函數(shù)（頻響函數(shù)），在后面的章節(jié)將介 紹。</p><p>　　圖2 橋上加速度計的位置</p><p><b>　　3.實驗數(shù)據(jù)的分析</b></p&

21、gt;<p>　　為了研究溫度對橋梁模態(tài)特性的影響，橋梁的 自振頻率均源自所計算的頻響函數(shù)。多個輸入和輸 出的數(shù)據(jù)為在一天中不同時間加載位置和6個加速 度計相應(yīng)的測量結(jié)果。為了計算出頻響函數(shù)，指數(shù) 函數(shù)窗口用于輸出雞公路大橋（由東北看）的測量 圖（1），一個力的窗口被應(yīng)用到輸入的測量。五組</p><p>　　響頻函數(shù)獲得每個輸入/輸出位置作為在任何輸入 位置 5 次迭代加載的結(jié)果。取頻響函數(shù)的平均

22、值來 減少測量噪聲和激發(fā)特性的影響。對應(yīng)的相干函數(shù)</p><p>　?。?gt; 0.93），表現(xiàn)出了滿意的噪聲級別。圖 4（a） 表示在一天中的三個不同時間，在 5 號位置 5 次迭 代加載和 2 號位置傳感器的振動測量的一個例子計</p><p>　　算出的頻響函數(shù)的平均值（ H25 ）。峰頻對應(yīng)于橋梁 不同振動模態(tài)的自振頻率。研究數(shù)據(jù)表明，發(fā)現(xiàn)七 個自振頻率低于 20Hz。<

23、/p><p>　　圖4（a） H25 在一天的不同時間的平均值，（b）及（c）放</p><p><b>　　大 H25</b></p><p>　　在一天的不同時間內(nèi)的兩個頻段</p><p>　　在圖4（a） ，頻響函數(shù)的平均值在夜間和早晨 測量的峰頻高度一致，而中午測量顯示的峰頻對于 其他兩個頻響函數(shù)平均值之間有突變

24、。將這些曲線 圖放大觀察到的的頻響函數(shù)變化如圖 4（b 和 c） 。</p><p><b>　　4.數(shù)據(jù)和結(jié)果分析</b></p><p>　　圖3 采用沖擊錘的儀器使橋梁激振</p><p>　　理解到導(dǎo)致橋梁的動力學(xué)特性變化的結(jié)構(gòu)改</p><p>　　變的機理是一個復(fù)雜的問題，但事實上，所選擇的 橋每跨都為簡

25、支并由一個伸縮縫分離，簡化了研 究，更好理解其中的模態(tài)發(fā)生變化的機制。因此， 所有的振動，偏轉(zhuǎn)和溫度測量僅在橋 A 跨進行，在 隨后的結(jié)果討論也僅僅限于這些測量。</p><p>　　橋的前五個自振頻率用于做比較。將一天中不 同時間測量的前五個自振頻率的平均值列于表1。 表1的自振頻率值取自30組頻響函數(shù)的平均值。因 為在橋梁三個不同位置進行五次迭代加載，所以取 兩個加速度計位置（2號和3號加速度計）的振動響 應(yīng)

26、測量值為這30組頻響函數(shù)的數(shù)據(jù)。30組不同自振 頻率測量的頻響函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差也列于表1。小的標(biāo) 準(zhǔn)偏差顯示出了高精確度的測量和每天同一時間 測試的接受度。這也表明，自振頻率在一天中的不 同時間觀察到的自振頻率變化不是由于在測量時</p><p>　　表1 實驗在一天中不同的三個時刻實測的自振頻率和溫度</p><p>　　的可能誤差。在一天中不同時間測得的前五個自振 頻率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差示

27、于圖5，圖5清楚地表明， 在中午所測量的自振頻率相對于在早上和晚上的</p><p>　　測得的自振頻率都增加，增加的固有振動頻率的量 遠遠高于參與計算的自振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差。</p><p>　　圖5 橋在一天中的不同時間測量的前5個模態(tài)頻率</p><p>　　相對于從夜間測量得到的自振頻率，自振頻率 的百分比偏差也列于表1。結(jié)果表明：測量的前5個 振態(tài)頻率在早上

28、和晚上沒有明顯的變化，而在中午 測量的自振頻率可以在所有模式下觀察到幾乎1-2</p><p>　?。サ淖兓?。所記錄的溫度在24h 的期間如圖6（a） 。 陰影區(qū)域?qū)?yīng)于振動測量的時間為晚上，早上，中 午。A1梁頂部的一個熱電偶最初是不穩(wěn)定的，因此， 在這段時間內(nèi)所收集的數(shù)據(jù)未在圖圖6（a）中示 出 。A1梁和 A2梁測得的平均溫度示于表1。表1 中，從夜間到早晨，在底部的法蘭盤溫度變化最大， 為-2.8℃；而

29、在混凝土橋面板溫度變化最小， 為</p><p>　　+0.6℃。溫度的變化在夜晚到中午有顯著提高。溫 度變化最大和最小分別為混凝土橋面板（+15.8℃） 和在底部法蘭盤（+3.3℃）。更重要的是，在早上和 晚上測定的溫度，混凝土橋面板和鋼梁的頂部法蘭 盤比鋼梁底部法蘭盤的低；而中午測得的溫度，混</p><p>　　凝土橋面板和主梁頂部法蘭盤都比主梁底部法蘭 盤高。因此，溫度除了從晚上到

30、中午有大變化，溫 度曲線圖在主梁頂部和底部法蘭盤之間有突變。在 混凝土橋面板和鋼主梁從早晨到中午溫度梯度的 突變這正好符合表1中所觀察到的峰值頻率偏移。</p><p>　　在 A 跨的三片梁的跨中實測撓度如圖6（b）所 示。測量偏差以凌晨1點的測量值為參照值，并且 以向上變形為正。陰影部分對應(yīng)于晚上，早上，中 午的振動測量。三片梁從晚上到早晨出現(xiàn)了小幅度 向上的撓度，從晚上到中午出現(xiàn)比較大的向上的撓 度。從夜晚

31、到早晨相對撓度可以忽略不計，這恰好 與溫度和自振頻率不變一致。另一方面，所有三片 主梁從夜晚到中午的撓度有明顯變化，這與溫度的 突變和自振頻率的變化是一致的。</p><p>　　橋梁從晚上到中午所觀察到的相對撓度，與溫 度梯度突變會使復(fù)合材料橋梁橫截面產(chǎn)生次彎矩 和次內(nèi)力。溫度荷載可導(dǎo)致復(fù)合材料橋梁在整跨的 橫截面上產(chǎn)生負(fù)彎矩。這主要因為混凝土板和鋼主 梁頂部法蘭盤相對于鋼梁的底部法蘭盤有較低的 溫度。 混凝土

32、板在夜間和清晨測量的低溫導(dǎo)致混 凝土板相對于鋼梁底部法蘭盤收縮。這種在夜間和 清晨的相對收縮會在整個復(fù)合材料橋梁的跨徑方 向的橫截面產(chǎn)生負(fù)彎矩。與此相反，在混凝土板相 對鋼梁的底部法蘭盤溫度較高會導(dǎo)致在中午混凝 土板相對于鋼梁底部法蘭盤相對膨脹。此相對膨脹 會于中午在整個橋梁跨徑上的橫截面產(chǎn)生正彎矩。 因為溫度荷載的唯一區(qū)別是在晚上，早晨和中午之 間，而整個橋梁跨徑橫截面由溫度引起的正負(fù)彎矩 之間的區(qū)別是鋼梁的中午相對晚上有向上撓度的

33、主要原因。最后，橋梁的剛度會受到從晚上到中午 橋梁輪廓和撓度變化的影響。橋梁剛度的可能改變 是在橋梁輪廓上考慮非線性 P-Delta 效果（重力二 階效應(yīng)分析）和大撓度效應(yīng)的直接結(jié)果。最后，橋 梁輪廓和剛度的改變會導(dǎo)致橋梁從晚上到中午的 自振頻率的變化。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　對一個兩跨鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)斜交橋 梁的響應(yīng)在2

34、4h 內(nèi)進行了監(jiān)測，以解決橋梁的模態(tài)頻率存在日變化的可能原因。在夏季的整個一天記錄橋梁撓度，溫度和加速度測量值。在在測量的自振頻率的變化對一天內(nèi)不同時間溫度和撓度的變化的測量值進行研究。觀察橋從晚上到中午的自振 頻率有一致的變化，而從晚上到早晨自振頻率并沒</p><p>　　有顯著改變。從晚上到中午自振頻率的突變與晚上 至中午橋梁復(fù)合截面溫度梯度的突變是一致的。</p><p>　　圖6

35、（a）A 跨溫度變化（2008年8月16日），（b）對應(yīng)的跨中 撓度</p><p>　　溫度梯度從晚上到白天的突變是鋼梁產(chǎn)生一 個較大的向上撓度和自振頻率測量值變化的最主 要原因，一個比較大的向上撓度。考慮到非線性</p><p>　　P-Delta 效果（重力二階效應(yīng)分析）和大撓度的影響 這種向上的撓度改變了橋梁輪廓，甚至可能改變了 橋梁剛度。一個全面的實地考察與一系列完整的長 期撓度

36、測量連同證明分析函數(shù)對驗證提出的自振 頻率觀測值的變化的原因是必不可少的。了解到模 態(tài)變化的機理，由于溫度變化可以幫助人們更好地 規(guī)劃橋梁的振動測量以達到損傷檢測的目的。這可 以通過在記錄溫度和橋梁撓度曲線相似的一天的 振動數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。另外，發(fā)現(xiàn)的自振頻率變化的統(tǒng) 計關(guān)于的氣溫變化以及建立測量頻率和溫度之間 的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以幫助，可以幫助區(qū)別溫度荷載和 損傷引起的自振頻率的變化。</p><p><b>

37、;　　6.致謝</b></p><p>　　我們?yōu)楸笨_來納運輸部門（NCDOT）讓我 們有權(quán)訪問并收集有關(guān)橋梁的數(shù)據(jù)而感謝。特別感 謝舊金山莫雷拉博士誰協(xié)助進行數(shù)據(jù)收集。這種材 料是基于由美國國土安全部美國下獎號碼支持的</p><p>　　工作：2008-ST-061-ND 0001。本文件所載的觀點和 結(jié)論是那些作者的，不應(yīng)該被解釋為一定代表官方 政策，包括任何明示或暗示

38、的保證，國土安全部美 國。</p><p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　Alampalli, S . (1998). “Influence of in-service environment on modal parameters.” Proc., 15th Int. Modal Analysis Conf .,

39、 Society for</p><p>　　Experimental Mechanics, Bethel, CT, 111–116.</p><p>　　DeWolf, J. , Conn, P. , and O’Leary, P. (1995). “Continuous monitoring of bridge structures.” Proc., Int. As

40、soc.Bridge Struct.Eng.Symp. ,</p><p>　　International Association for Bridge and Structural Engineering, Zurich, Switzerland, 934–940.</p><p>　　Farrar, C. R. , Doebling, S. , Cornwell, P.

41、 ,</p><p>　　and Straser, E . (1997). “Variability of modal parameters measured on the Alamos Canyon Bridge.” Proc., 15th Int. Modal Analysis Conf., Society for Experimental Mechanics, Bethel, CT, 257–26

42、3.</p><p>　　Farrar C. R. , Jauregui D . (1996). “Damage</p><p>　　detection algorithms applied to experimental and numerical modal data from the I-40 bridge.” Rep. LA-13074-MS, Los Alamos Nati

43、onal Library, Los Alamos, NM.</p><p>　　Fu, Y. , and DeWolf, J. (2001). “Monitoring and analysis of a bridge with partially restrained bearings.” J. Bridge Eng.,6 (1) ,23–29. [Abstract]</p><p>　　

44、Liu, C. , and DeWolf, J. T . (2006). “Effect of temperature on modal variability for a curved concrete bridge.” Proc., SPIE Conf. Sensors</p><p>　　Smart Struct. Technol. Civil Mech. Aerospace Eng.,

45、 Vol. 6174 , Society of Photo-optical Instrumentation Engineers, Bellingham, WA, 3B1–3B11.</p><p>　　Siddique, A. B. , Sparling, B. F. , and Wegner,</p><p>　　L. D. (2007). “Assessment of vibratio

46、n-based damage detection for an integral abutment bridge.”Can.J.Civ.Eng.,34(3),438–452.</p><p>　　[CrossRef]</p><p>　　Wahab, M. , and Roeck G . (1997). “Effect of temperature on dynamic system pa

47、rameters of a highway bridge.” Proc., Struct. Eng. Int., Vol. 7 ,</p><p>　　IABSE, Zurich, Switzerland, 266–270.</p><p>　　Xu, Z. D. , and Wu, Z. (2007). “Simulation of the effect of temperature