周毅等：桥梁模态频率与运营环境作用的相关性 ·277· KEY WORDS bridge;modal frequency:operational and environmental actions:correlation:structural health monitoring 根据模态频率（以下简称频率）变化评估桥梁 有关.对于本文中海洋环境下的桥梁，其作用一频率 性能是结构健康监测(structural health monitoring, 的相关性无疑更为复杂，需要更细致的研究 SHM)的常用方法之一W.然而实测表明，桥梁频率 桥梁所受作用的变化具有周期性，由此引起结 会随着温度、交通荷载等运营环境作用（以下按工 构频率的周期变化，可根据作用变化周期的差别区 程规范简称作用)而变化，且这种变化容易掩盖监 分不同作用的影响.然而，由于对作用和频率周期性的 测中真正关注的、由损伤或退化等结构异常引起的 认识不足，这方面的研究鲜有报道.作者曾在文献8] 频率变化.与结构异常相比，桥梁所受作用的变化 中着重讨论了东海大桥频率以及温度、交通荷载两种 具有一定的规律性，通过研究作用对频率的影响规 作用的周期特性，在此基础上本文进一步讨论了风荷 律，就有可能从频率的总变化中剔除由作用引起的 载、大气湿度、降雨强度、海面高度等作用的周期性，并 变化成分，从而凸显与结构异常相关的频率变化，更 以作用效应比较为主要目标，通过偏相关系数和本文 准确地判断结构性能 提出的“周期平均法”确定了东海大桥运营期频率变化 作为结构健康监测领域的热点之一，桥梁作用一 的主要影响因素.本文可加深对桥梁运营期频率变化 频率的相关性研究己得到广泛关注，实桥案例涉及 的理解，为基于振动的结构健康监测提供参考 梁桥)、拱桥、悬索桥6)、斜拉桥-)等.由 综述0]可知，大部分研究针对温度效应，并认为 1 监测结果 桥梁运营期各阶频率均随温度增加而线性减小，且 本节展示东海大桥所受作用和结构频率在 相对减小量与频率阶次无关.然而，调研中也发现 2007一2012年中随时间的变化.东海大桥是连接上 与文献10]不同的实测结果：如在文献11-13]中 海与洋山深水港的跨海大桥，全长约32.5km,其主 存在频率随温度升高而增大的现象，在文献，14] 通航孔为420m主跨的双塔单索面结合梁斜拉桥. 中频率随温度呈现非线性变化，且不同阶频率的相 大桥位于台风多发海域，桥上车辆以进出港区的重 对变化量也不相同.可见温度一频率的关系并不简 载集装箱卡车为主，运营环境条件十分独特.东海 单.相比于温度效应，对交通荷载、风荷载效 大桥结构健康监测系统于2006年9月建成并投入 应以及不同作用效应比较，切的研究还较少，这与 使用，共监测8个区段，主航道桥属于重点监测的第 实测条件下不同作用引起的频率变化成分较难分离 5区段.图1展示了主航道桥温度、振动加速度、风 芦潮港（北） 洋山港（南） 830 73 132 420 132 73 风场可 M39 336 振动2 振动2 降雨T 振动2 温度4 混度1 振动2 风场1 温度8 振动8 974 33 36.5 6气 6 66 105 105 105 66 66 36 6.5 振动3 振动3 限动3 振动4 振动3 振动3 振动3 温度2 振动2 振动2 振动3 温度6 温度6 监测项目传感器数量 温度18 振动3 振动2 图1 东海大桥温度、振动、风、湿度、降雨强度测点分布图（单位：m) Fig.I Distribution of measuring points of temperature,vibration,wind,humidity,and rainfall intensity (unit:m)周 毅等: 桥梁模态频率与运营环境作用的相关性 KEY WOＲDS bridge; modal frequency; operational and environmental actions; correlation; structural health monitoring 根据模态频率( 以下简称频率) 变化评估桥梁 性能是结构健康监测( structural health monitoring， SHM) 的常用方法之一［1］． 然而实测表明，桥梁频率 会随着温度、交通荷载等运营环境作用( 以下按工 程规范简称作用) 而变化，且这种变化容易掩盖监 测中真正关注的、由损伤或退化等结构异常引起的 频率变化． 与结构异常相比，桥梁所受作用的变化 具有一定的规律性，通过研究作用对频率的影响规 律，就有可能从频率的总变化中剔除由作用引起的 变化成分，从而凸显与结构异常相关的频率变化，更 准确地判断结构性能． 图 1 东海大桥温度、振动、风、湿度、降雨强度测点分布图 ( 单位: m) Fig． 1 Distribution of measuring points of temperature，vibration，wind，humidity，and rainfall intensity ( unit: m) 作为结构健康监测领域的热点之一，桥梁作用-- 频率的相关性研究已得到广泛关注，实桥案例涉及 梁桥［2--3］、拱桥［4--5］、悬索桥［6--7］、斜拉桥［8--9］等． 由 综述［10］可知，大部分研究针对温度效应，并认为 桥梁运营期各阶频率均随温度增加而线性减小，且 相对减小量与频率阶次无关． 然而，调研中也发现 与文献［10］不同的实测结果: 如在文献［11--13］中 存在频率随温度升高而增大的现象，在文献［7，14］ 中频率随温度呈现非线性变化，且不同阶频率的相 对变化量也不相同． 可见温度--频率的关系并不简 单． 相比于温度效应，对交通荷载［15］、风荷载［16］效 应以及不同作用效应比较［8，17］的研究还较少，这与 实测条件下不同作用引起的频率变化成分较难分离 有关． 对于本文中海洋环境下的桥梁，其作用--频率 的相关性无疑更为复杂，需要更细致的研究． 桥梁所受作用的变化具有周期性，由此引起结 构频率的周期变化，可根据作用变化周期的差别区 分不同作用的影响． 然而，由于对作用和频率周期性的 认识不足，这方面的研究鲜有报道． 作者曾在文献［18］ 中着重讨论了东海大桥频率以及温度、交通荷载两种 作用的周期特性，在此基础上本文进一步讨论了风荷 载、大气湿度、降雨强度、海面高度等作用的周期性，并 以作用效应比较为主要目标，通过偏相关系数和本文 提出的“周期平均法”确定了东海大桥运营期频率变化 的主要影响因素． 本文可加深对桥梁运营期频率变化 的理解，为基于振动的结构健康监测提供参考． 1 监测结果 本节展示东海大桥所受作用和结构频率在 2007—2012 年中随时间的变化． 东海大桥是连接上 海与洋山深水港的跨海大桥，全长约 32. 5 km，其主 通航孔为 420 m 主跨的双塔单索面结合梁斜拉桥． 大桥位于台风多发海域，桥上车辆以进出港区的重 载集装箱卡车为主，运营环境条件十分独特． 东海 大桥结构健康监测系统于 2006 年 9 月建成并投入 使用，共监测 8 个区段，主航道桥属于重点监测的第 5 区段． 图 1 展示了主航道桥温度、振动加速度、风 · 772 ·