橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試是橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試的重要內(nèi)容。與橋梁靜載荷試驗(yàn)相比，試驗(yàn)難度較大。一些從事測(cè)試的人對(duì)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的掌握相對(duì)較差。在我的工作中，作者發(fā)現(xiàn)許多檢查員在振動(dòng)測(cè)試結(jié)果的分析中可能存在偏差甚至錯(cuò)誤。本文總結(jié)了振動(dòng)測(cè)試的一些概念和方法，希望對(duì)檢查人員有所幫助。
橋梁振動(dòng)測(cè)試簡(jiǎn)介
1.橋梁振動(dòng)的因素
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)，路面不平，人群載荷，風(fēng)載荷，地震等。車(chē)輛數(shù)量的增加，負(fù)載能力的增加和速度的增加，都增加了橋梁的振動(dòng)。對(duì)于大跨度和超跨度橋梁，地震和風(fēng)荷載通常是控制因素。因此，車(chē)輛振動(dòng)和其他動(dòng)載荷已成為橋梁設(shè)計(jì)，施工，管理，維護(hù)和修理的重要因素之一。
橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題大多采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。因此，振動(dòng)試驗(yàn)是解決工程結(jié)構(gòu)的重要手段。
2.橋梁振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展
振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展：一方面，它已廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測(cè)試，模擬地震振動(dòng)臺(tái)測(cè)試和擬動(dòng)力測(cè)試中；另一方面，它是在地震荷載，風(fēng)荷載和車(chē)輛動(dòng)態(tài)荷載作用下的工程結(jié)構(gòu)中顯示的。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法有了很大的改進(jìn)。
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試
1.橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷試驗(yàn)
使用某種激勵(lì)方法來(lái)激發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，確定試驗(yàn)項(xiàng)目的固有頻率，阻尼比，模態(tài)形狀，動(dòng)態(tài)沖擊系數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)（加速度，動(dòng)態(tài)撓度）等參數(shù)，從而判斷宏觀上的橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度和運(yùn)行性能。
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試的目的和內(nèi)容與靜態(tài)載荷測(cè)試的目的和內(nèi)容不同，但是對(duì)于全面分析橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能也同樣重要。
通常，使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)測(cè)試，有時(shí)可以將結(jié)構(gòu)模型用于動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試），例如風(fēng)洞測(cè)試（大跨度橋梁的風(fēng)致振動(dòng)測(cè)試），模擬地震臺(tái)（橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)測(cè)試）等。
1.動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試的目的
根據(jù)動(dòng)載荷測(cè)試的目的，動(dòng)載荷測(cè)試主要是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，強(qiáng)制振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)試以及動(dòng)載荷的動(dòng)力特性的測(cè)試。對(duì)于一般的橋梁結(jié)構(gòu)，主要是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。
Ø結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性：固有頻率，阻尼特性和振動(dòng)形狀。
Ø強(qiáng)制振動(dòng)響應(yīng)：振幅，動(dòng)應(yīng)力，加速度等
Ø動(dòng)載荷的動(dòng)態(tài)特性：測(cè)量引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的力的大小，方向，頻率和作用規(guī)律。
2.動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)
動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：振動(dòng)拾取器，信號(hào)放大器，信號(hào)采集儀和振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。振動(dòng)拾取器將電橋振動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)由信號(hào)放大器放大，然后傳輸?shù)叫盘?hào)采集儀器。信號(hào)采集儀器對(duì)放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)A / D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采樣參數(shù)由信號(hào)采集器和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)采集并控制。通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試分析和模態(tài)分析軟件，現(xiàn)場(chǎng)收集的各種橋梁動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)被用于分析橋梁振動(dòng)測(cè)試分析和橋梁振動(dòng)模式。
2.動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)
在橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試中，隨時(shí)間變化的物理量通常稱(chēng)為信號(hào)，例如撓度，應(yīng)變，振幅，加速度等。
動(dòng)載荷測(cè)試信號(hào)較為復(fù)雜，表現(xiàn)為：
u振動(dòng)源和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間變化，這是隨機(jī)的和不確定的。
u橋梁結(jié)構(gòu)具有許多自由度，并且車(chē)輛和橋梁的耦合振動(dòng)使其動(dòng)態(tài)特性更加復(fù)雜。
u干擾信號(hào)和不規(guī)則現(xiàn)象很多。
1.動(dòng)態(tài)信號(hào)的時(shí)域描述
信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱(chēng)為信號(hào)的時(shí)域描述。例如加速時(shí)間歷史曲線，位移時(shí)間歷史曲線等。信號(hào)的時(shí)域描述相對(duì)簡(jiǎn)單直觀。通過(guò)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)程曲線，可以分析結(jié)構(gòu)的振幅，模式形狀，阻尼特性，動(dòng)態(tài)沖擊系數(shù)等參數(shù)，但不能清楚地揭示信號(hào)的頻率成分和振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性。
2.動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)的頻域描述
對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，研究其頻率結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的幅度，即使用頻域描述。需要通過(guò)快速傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，以確定結(jié)構(gòu)的頻率和頻率分布特性。
3.橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試
橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試傳感器的布局應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式確定。根據(jù)理論計(jì)算得出的振動(dòng)模型的近似形狀，應(yīng)將傳感器布置在位移較大的位置，以測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。
根據(jù)激勵(lì)方法，橋梁振動(dòng)測(cè)試分為自然振動(dòng)法，強(qiáng)制振動(dòng)法和脈動(dòng)法。
振動(dòng)測(cè)試方法的選擇應(yīng)基于橋梁的類(lèi)型和剛度，以及簡(jiǎn)化和易于測(cè)試的原則。通常，將上述方法中的一種或兩種結(jié)合起來(lái)以充分掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。
1.自然振動(dòng)法
使橋產(chǎn)生衰減的自由衰減振動(dòng)，并且記錄的振動(dòng)模式是橋的衰減振動(dòng)曲線。通常，通常使用突然裝載和突然卸載的兩種方法。
（1）突然加載方法
快速?zèng)_擊力施加到被測(cè)結(jié)構(gòu)上。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，測(cè)試車(chē)輛的后輪突然從三角墊上掉落，對(duì)橋造成了沖擊，并引起了橋的垂直振動(dòng)，這稱(chēng)為跳躍測(cè)試（見(jiàn)圖6）。當(dāng)測(cè)試某個(gè)組件（例如電纜時(shí)的振動(dòng)）時(shí)，經(jīng)常使用橡皮錘產(chǎn)生沖擊。
（2）突然卸載方法
預(yù)先向結(jié)構(gòu)施加載荷以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始位移，然后利用結(jié)構(gòu)的彈性產(chǎn)生自由振動(dòng)，突然消除載荷。為了卸荷，可以采用自動(dòng)解鉤裝置或割繩機(jī)等方法，有時(shí)還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種折斷裝置，即當(dāng)預(yù)加力達(dá)到一定值時(shí)，將折斷裝置置于中間。繩索突然斷裂，從而激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
2.強(qiáng)制振動(dòng)法
強(qiáng)制振動(dòng)方法使用特殊的激勵(lì)裝置將激勵(lì)力施加到橋梁結(jié)構(gòu)上，以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)制振動(dòng)，并使用共振來(lái)確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于原型橋梁結(jié)構(gòu)，通常使用測(cè)試車(chē)輛以不同的速度通過(guò)橋梁，從而導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)制振動(dòng)，稱(chēng)為“跑車(chē)測(cè)試”（見(jiàn)圖8）。在測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常以20、30、40和50 km / h的速度將測(cè)試車(chē)輛用于跑車(chē)測(cè)試。
3.脈沖法
一種通過(guò)使用橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試環(huán)境的微小和不規(guī)則振動(dòng)來(lái)確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。這種微振動(dòng)通常稱(chēng)為“地球脈動(dòng)”。這是由于附近地殼的小破裂，來(lái)自遙遠(yuǎn)地震的脈動(dòng)，橋梁工地的風(fēng)荷載，水流和其他隨機(jī)荷載引起的橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動(dòng)所致。響應(yīng)。
結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試的重要特征：明顯反映了結(jié)構(gòu)的固有頻率。
脈動(dòng)法是橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試中最常用的測(cè)試方法，屬于基于模態(tài)測(cè)試中響應(yīng)數(shù)據(jù)的模態(tài)分析（OMA）方法。隨機(jī)子空間方法是OMA中最準(zhǔn)確的方法。整體擬合方法在擬合時(shí)同時(shí)考慮多個(gè)點(diǎn)的輸出波形。當(dāng)模態(tài)密集時(shí)，即使模態(tài)頻率相對(duì)接近，識(shí)別精度也不會(huì)受到影響。
4.脈動(dòng)法的橋梁模態(tài)試驗(yàn)實(shí)例
1.橋概述
經(jīng)過(guò)模態(tài)試驗(yàn)的橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為直管式鋼管混凝土系拱橋，采用剛性系梁剛性拱結(jié)構(gòu)。拱肋拱軸采用懸鏈線，中間設(shè)置有鋼管混凝土拱肋。對(duì)于桁架類(lèi)型。拱肋由4條鋼管組成。橋上裝有17對(duì)吊桿，拉梁采用單箱三室箱形截面。
2.振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)布局
根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特性和有限元模態(tài)分析的前10個(gè)頻率范圍，橋梁模態(tài)主要布置了兩種類(lèi)型的垂直振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)（見(jiàn)圖9）和水平振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)（見(jiàn)圖10）。測(cè)試。加速度計(jì)?？偣膊贾昧?9個(gè)垂直加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)以測(cè)試橋梁的垂直模式或扭轉(zhuǎn)模式，節(jié)點(diǎn)2?8，節(jié)點(diǎn)11?17，節(jié)點(diǎn)20?26，節(jié)點(diǎn)28?34、28個(gè)測(cè)量點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)10。在該位置設(shè)置參考點(diǎn)。橋梁水平振動(dòng)測(cè)試13個(gè)水平加速度傳感器測(cè)量點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)8-14布置7個(gè)橋面板水平測(cè)量點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)22-26布置5個(gè)水平測(cè)量點(diǎn)在拱上，參考點(diǎn)布置在該位置附近節(jié)點(diǎn)8。
圖10測(cè)試橋的水平振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)的布局
3.模態(tài)測(cè)試結(jié)果
實(shí)測(cè)橋梁采用隨機(jī)子空間方法結(jié)合穩(wěn)定性圖和模態(tài)動(dòng)畫(huà)顯示，提取橋梁結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)和模態(tài)參數(shù)。表1中顯示了測(cè)得的和理論計(jì)算出的模態(tài)參數(shù)，圖中顯示了測(cè)得的模式。 11。
表1橋梁模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果
