桥梁结构的振动测试及案例

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桥梁结构的振动测试是桥梁结构试验的重要内容，相对于桥梁静载试验的测试其难度相对较大，一些从事试验检测的人员对振动测试技术掌握的相对较差。笔者在工作中发现很多检测人员对于振动测试的结果分析可能存在偏差、甚至出现错误。本文从振动测试的一些概念、方法进行总结希望对检测人员有所帮助。

桥梁振动测试的简介

一、桥梁振动的因素
汽车发动机的抖动、路面不平滑、人群荷载、风荷载、地震等。车辆数量增多、载重量增大、速度增高等加剧了桥梁的振动。大跨度、超大跨度的桥梁，地震、风荷载往往是控制因素。因此，车辆振动和其它动力荷载己经成为桥梁设计、施工、管理、养护、维修等方面的重要因素之一。
桥梁结构的振动问题多采用理论分析和现场测试相结合的研究方法，因此，振动测试是解决工程结构的重要手段。

二、桥梁振动测试技术的发展
振动测试技术的发展:一方面表现为风洞试验、模拟地震振动台试验、拟动力试验等得到了广泛的应用；另一方面表现为工程结构在地震荷载、风荷载、车辆动力荷载等作用下动力反应的现场测试手段得到了很大改进。

图1 桥梁风洞试验

图2 多点地震模拟振动台试验

桥梁结构的动态测试

一、桥梁结构动载试验
利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应(加速度、动挠度)等参量的试验项目，从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性能。

桥梁结构的动载试验与静载试验的目的、测试内容等方面有所不同，但对于全面分析掌握桥梁结构的工作性能是同等重要。

一般采用现场实际结构测试，有时也可采用结构模型进行动载试验(实验室试验)，如风洞试验(大跨度桥梁的风致振动试验)、模拟地震振动台(桥梁结构的地震响应试验)等。

1、动载试验的目的
根据动载试验的目的，动载试验主要是进行桥梁结构的动力特性测试、强迫振动响应的测试以及动荷载的动力特性测试。对于一般的桥梁结构主要是进行桥梁结构动力特性以及桥梁结构响应的测试。
Ø  结构动力特性：自振频率、阻尼特性、振型。
Ø  强迫振动响应：振幅、动应力、加速度等。
Ø  动荷载的动力特性：测定引起结构振动作用力的大小、方向、频率与作用规律等。

2、动态测试系统
    动态测试系统主要包括拾振器、信号放大器、信号采集仪和振动测试分析系统4个部分组成。拾振器将桥梁振动的振动信号转化成模拟信号，经过信号放大器将信号放大后传输至信号采集仪。信号采集仪将放大后的模拟信号进行数据采集，并通过A/D转换模块将模拟信号转化成数字信号。通过信号采集仪和现场监控计算机对采样参数进行采集控制。现场采集的各种桥梁动态数据通过动态测试分析和模态分析软件对桥梁振动测试分析和桥梁的振动模态进行分析。

图3 桥梁振动测试系统的组成

二、动态测试信号
桥梁结构动载试验中，随时间变化的物理量一般称为信号，如挠度、应变、振幅、加速度等。

动载试验信号比较复杂，表现为：
  · 振源和结构的振动响应都是随时间而变化的，是随机的、不确定的。
  · 桥梁结构自由度多、车辆和桥梁相耦合振动，其动力特性就更为复杂。
  · 干扰信号多且没有规律。

1、动态信号的时域描述
信号的幅值随时间变化的数学表达式，称为信号的时域描述。如加速度时程曲线、位移时程曲线等。信号的时域描述比较简单、直观，通过多个测点的时程曲线，可以分析出结构的振幅、振型、阻尼特性、动力冲击系数等参量，但不能明确揭示信号的频率成分和振动系统的传递特性。

图4 桥梁振动测试的时域信号

2、动态测试信号的频域描述
对信号进行频谱分析，研究其频率结构及其对应的幅值大小，即采用频域描述。需将时域信号通过快速傅立叶变换变为频域信号，从而确定结构的频率和频率分布特性。

图5 典型的频域信号

三、桥梁结构的动力响应测试
桥梁结构振动测试传感器的布置应根据结构形式而定，按照理论计算得出的振型大致形状，在变位较大的部位布置传感器，以测得桥梁结构最大反应。

桥梁振动测试的按照激振方法分为自振法、强迫振动法、脉动法。

振动测试方法选用时应根据桥梁的类型和刚度进行选择，以简单易行、便于测试为原则。通常，多将上述一种或两种方法结合起来，以便全面把握桥梁结构的动力特性。

1、自振法
使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动，记录到的振动图形为桥梁的衰减振动曲线。一般常用突然加载和突然卸载两种方法。

（1）突然加载法
在被测结构上急速施加一个冲击作用力。现场测试中，采用试验车辆的后轮从三角垫块上突然下落对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的竖向振动，简称跳车试验（见图6）；当测试某一构件(如拉索)的振动时，常采用橡皮锤敲击的方法产生冲击作用。

图6 跳车试验示意图

（2）突然卸载法
在结构上预先施加一个荷载作用，使结构产生一个初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自由振动。为卸落荷载，可通过自动脱钩装置或剪断绳索等方法，有时也专门设计断裂装置，即当预施加力达到一定数值时，在绳索中间的断裂装置便突然断裂，由此激发结构的振动。

图7 突然卸载法示意图

2、强迫振动法
强迫振动法是利用专门的激振装置，对桥梁结构施加激振力，使结构产生强迫振动，借助于共振来确定结构的动力特性。对于原型桥梁结构，常常采用试验车辆以不同的行驶速度通过桥梁，使桥梁产生不同程度的强迫振动，简称“跑车试验”（见图8）。在试验时，常采用1辆试验车辆以20、30、40、50km/h的速度进行跑车试验。

图8 桥梁跑车试验

3、脉动法
利用被测桥梁结构所处环境的微小而不规则的振动来确定结构动力特性的方法。这种微振动通常称之为“地脉动”，它是由附近地壳的微小破裂和远处地震传来的脉动、桥址处风荷载、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应。

结构脉动测试的重要特性：明显反映结构的固有频率。

脉动法是桥梁结构模态测试中最常用的测试方法，属于模态试验中基于响应数据的模态分析（OMA）方法。随机子空间法是OMA中最精确的方法，整体拟合法，拟合时同时考虑多点的输出波形，当模态比较密集时，即使模态频率比较接近，也不会影响识别的精度。

四、脉动法进行桥梁模态测试的实例
1、桥梁概况
采用模态测试的桥梁主桥上部结构为下承式钢管混凝土系杆拱桥，采用刚性系梁刚性拱结构形式，拱肋拱轴线采用悬链线，中间设一榀钢管混凝土拱肋，拱肋截面为桁架式。拱肋由4根钢管组成。桥梁共设17对吊杆，系梁采用单箱三室的箱型截面。

2、振动测点布置
根据本桥的结构特点以及有限元模态分析的前10阶频率范围，确定本桥模态测试中主要布设竖向振动测点（见图9）和水平振动测点（见图10）两类加速度传感器。桥梁竖向振型或扭转振型的测试共布设29个竖向加速度传感器测点，节点2~8、节点11~17，节点20~26，节点28~34共布设28个测点，节点10处布设1个参考点。桥梁水平振动测试13个水平加速度传感器测点，节点8~14布设7个桥面水平测点，节点22~26布设5个拱上水平测点，在节点8位置附近布设1个参考点。

图10 测试桥梁水平振动测点布置图

3、模态测试结果
实测桥梁采用随机子空间法并结合稳定图和模态动画显示，提取了桥梁结构的前6阶振型和模态参数，实测和理论计算模态参数如表1所示，实测振型见图11。

表1 桥梁模态测试分析结果

图11 桥梁实测各阶振型图

YPC

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YPC

楼主，您好，想请问您是做有关损伤识别的研究吗？