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【摘 要】：近年来，基于振动的桥梁损伤识别成为土木工程的研究重点，而环境因素对模态参数的影响越来越引起人们的关注，温度是影响模态频率的主要环境因素。本文利用有限元软件ANSYS进行模态分析得出了不同温度下桥梁的模态频率值，实现了考虑温度影响的桥梁损伤位置和程度的定量识别。
【关键词】桥梁；温度；模态分析；模态频率；桥梁损伤
1 引言
我国中小跨径的桥梁中，简支梁桥占有相当的比重。这些桥梁在使用过程中，由于要受到使用环境中各种因素的影响，不可避免地会出现各种各样的损伤。现今，作为仅次于美国的第二大桥梁国，我国已有大批桥梁处于中老年服役阶段，桥梁垮塌事故也是屡屡出现，根据国家安全质量监督局统计的大桥垮塌事故，在2007年至2012年6年间，全国有至少20座大桥发生垮塌事故，如近年发生的江西省广昌县横跨盱江的河东桥及哈尔滨机场高速即将进入阳明滩大桥主桥时突然倒塌事故等，所以结构损伤识别技术作为结构健康监测系统的核心技术已经成为土木工程学科研究前沿的热点问题，所以做好桥梁的损伤鉴定和健康预测具有重要的经济意义和社会意义。
本文阐述了温度影响应变模态损伤识别的基本原理，然后利用ANSYS软件进行损伤模拟，比较了应变模态和位移模态在损伤识别上的敏感性，验证了应变模态法在损伤识别中的有效性和可行性。
2 ANYSY模型建立及模态分析
本文采用简支梁桥作为研究对象，通过有限元软件ANSYS进行数值分析，获得了简支梁在不同温度下的模态频率。通过对模态频率的回归分析，得到温度对模态频率的影响模型。
2.1 温度影响机理
温度主要通过以下两种方式影响结构的模态频率： 1、温度会影响材料的力学性质（弹性模量、泊松比等）。例如混凝土的弹性模量会随着温度的升高而降低，导致结构的模态频率降低，所以温度和模态频率间具有一定的负相关性；2、结构的几何性质（结构的尺寸、约束条件和边界条件等）会随着温度的改变而改变。对于两端固定的梁，结构内应力随着温度升高而增加，导致模态频率的降低。
2.2 实体模型简介
2.3 ANSYS建模及模态分析
本文采用BEAM3单元对简支梁进行划分。如图2所示，BEAM3单元在每个节点处有3个自由度，包括X，Y轴方向的移动和绕Z的转动。利用BEAN3单元建模可以简化建模过程，减少结构系统的自由度，可以节约计算的时间，适合作结构的模态分析。
对实体简支梁模型，本文中将其沿长度方向划分为等长的40份，共计41个节点，每个单元长度为0.5m，有限元模型建立如图3所示。
在有限元模态分析中，采用随机子空间法对简支梁模型进行分析，得到了简支梁的模态频率和模态振型。由于对于简支梁桥的模态分析，低阶的模态频率比较准确，高阶的模态频率往往会失真，所以本文中读取竖向前4阶的模态参数。简支梁的竖向前4阶的模态振型（1、2、3、5阶模态振型）如图4所示。
3 结论
本文主要介绍了简直梁桥的建模过程以及对简支梁桥的模态频率分析，具体如下：
1.建立了基于简支梁桥实体模型的ANSYS有限元模型，采用BEAM3进行单元划分，采用随机子空间法进行模态分析。
2.将各温度条件下混凝土的弹性模量输入有限元模型得到与温度相对应模态频率值。
3.对得到的模态频率值进行了分析，得出温度对简支梁桥模态频率的影响可达8%左右，所以在桥梁结构的损伤识别中不能被忽略。
参考文献
[1] 李德葆，诸葛鸿程，王波. 实验应变模态分析原理和方法[J]. 清华大学学报，1990， 30（2）：1-8.
[2] 李德葆. 结构动力分析的应变模态法[J]. 机械强度，1990， 12（3）：1-6.
[3] 张元润，王波，李德葆. 汽车车架结构振动应变分析的模態法[J]. 机械强度，1992， 14（4）：1-5.
[4] Z.R. Lu， J.K. Liu， M. Huang， W.H. Xu， Identification of local damages in coupled beam systems from measured dynamic responses[J]. Journal of sound and vibration， 2009， 326： 177-189.
[5] 姜绍飞.结构健康监测-智能信息处理及应用[J].工程力学，2009，26： 184-211.
【关键词】桥梁；温度；模态分析；模态频率；桥梁损伤
1 引言
我国中小跨径的桥梁中，简支梁桥占有相当的比重。这些桥梁在使用过程中，由于要受到使用环境中各种因素的影响，不可避免地会出现各种各样的损伤。现今，作为仅次于美国的第二大桥梁国，我国已有大批桥梁处于中老年服役阶段，桥梁垮塌事故也是屡屡出现，根据国家安全质量监督局统计的大桥垮塌事故，在2007年至2012年6年间，全国有至少20座大桥发生垮塌事故，如近年发生的江西省广昌县横跨盱江的河东桥及哈尔滨机场高速即将进入阳明滩大桥主桥时突然倒塌事故等，所以结构损伤识别技术作为结构健康监测系统的核心技术已经成为土木工程学科研究前沿的热点问题，所以做好桥梁的损伤鉴定和健康预测具有重要的经济意义和社会意义。
本文阐述了温度影响应变模态损伤识别的基本原理，然后利用ANSYS软件进行损伤模拟，比较了应变模态和位移模态在损伤识别上的敏感性，验证了应变模态法在损伤识别中的有效性和可行性。
2 ANYSY模型建立及模态分析
本文采用简支梁桥作为研究对象，通过有限元软件ANSYS进行数值分析，获得了简支梁在不同温度下的模态频率。通过对模态频率的回归分析，得到温度对模态频率的影响模型。
2.1 温度影响机理
温度主要通过以下两种方式影响结构的模态频率： 1、温度会影响材料的力学性质（弹性模量、泊松比等）。例如混凝土的弹性模量会随着温度的升高而降低，导致结构的模态频率降低，所以温度和模态频率间具有一定的负相关性；2、结构的几何性质（结构的尺寸、约束条件和边界条件等）会随着温度的改变而改变。对于两端固定的梁，结构内应力随着温度升高而增加，导致模态频率的降低。
2.2 实体模型简介
2.3 ANSYS建模及模态分析
本文采用BEAM3单元对简支梁进行划分。如图2所示，BEAM3单元在每个节点处有3个自由度，包括X，Y轴方向的移动和绕Z的转动。利用BEAN3单元建模可以简化建模过程，减少结构系统的自由度，可以节约计算的时间，适合作结构的模态分析。
对实体简支梁模型，本文中将其沿长度方向划分为等长的40份，共计41个节点，每个单元长度为0.5m，有限元模型建立如图3所示。
在有限元模态分析中，采用随机子空间法对简支梁模型进行分析，得到了简支梁的模态频率和模态振型。由于对于简支梁桥的模态分析，低阶的模态频率比较准确，高阶的模态频率往往会失真，所以本文中读取竖向前4阶的模态参数。简支梁的竖向前4阶的模态振型（1、2、3、5阶模态振型）如图4所示。
3 结论
本文主要介绍了简直梁桥的建模过程以及对简支梁桥的模态频率分析，具体如下：
1.建立了基于简支梁桥实体模型的ANSYS有限元模型，采用BEAM3进行单元划分，采用随机子空间法进行模态分析。
2.将各温度条件下混凝土的弹性模量输入有限元模型得到与温度相对应模态频率值。
3.对得到的模态频率值进行了分析，得出温度对简支梁桥模态频率的影响可达8%左右，所以在桥梁结构的损伤识别中不能被忽略。
参考文献
[1] 李德葆，诸葛鸿程，王波. 实验应变模态分析原理和方法[J]. 清华大学学报，1990， 30（2）：1-8.
[2] 李德葆. 结构动力分析的应变模态法[J]. 机械强度，1990， 12（3）：1-6.
[3] 张元润，王波，李德葆. 汽车车架结构振动应变分析的模態法[J]. 机械强度，1992， 14（4）：1-5.
[4] Z.R. Lu， J.K. Liu， M. Huang， W.H. Xu， Identification of local damages in coupled beam systems from measured dynamic responses[J]. Journal of sound and vibration， 2009， 326： 177-189.
[5] 姜绍飞.结构健康监测-智能信息处理及应用[J].工程力学，2009，26： 184-211.