中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
振動(dòng)測(cè)試應(yīng)用于各行各業(yè)，其中橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試是橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要組成部分，相對(duì)于橋梁靜載試驗(yàn)的測(cè)試，其難度相對(duì)較大，下面中交路橋科技就從振動(dòng)測(cè)試的概念、方法進(jìn)行總結(jié)，希望會(huì)對(duì)檢測(cè)人員有所幫助。
橋梁振動(dòng)的因素
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)、路面不平滑、人群荷載、風(fēng)荷載、地震等。車輛數(shù)量增多、載重量增大、速度增高等加劇了橋梁的振動(dòng)。大跨度、超大跨度的橋梁，地震、風(fēng)荷載往往是控制因素。因此，車輛振動(dòng)和其它動(dòng)力荷載己經(jīng)成為橋梁設(shè)計(jì)、施工、管理、養(yǎng)護(hù)、維修等方面的重要因素之一。
橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題多采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的研究方法，因此，振動(dòng)測(cè)試是解決工程結(jié)構(gòu)的重要手段。
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試
一、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)
利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)(加速度、動(dòng)撓度)等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而宏觀判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、運(yùn)營(yíng)性能。
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)的目的、測(cè)試內(nèi)容等方面有所不同，但對(duì)于全面分析掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能是同等重要。
一般采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)測(cè)試，有時(shí)也可采用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn))，如風(fēng)洞試驗(yàn)(大跨度橋梁的風(fēng)致振動(dòng)試驗(yàn))、模擬地震振動(dòng)臺(tái)(橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)試驗(yàn))等。
1、動(dòng)載試驗(yàn)的目的
根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)的目的，動(dòng)載試驗(yàn)主要是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)試、強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)試以及動(dòng)荷載的動(dòng)力特性測(cè)試。對(duì)于一般的橋梁結(jié)構(gòu)主要是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)試。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性：自振頻率、阻尼特性、振型。
強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)：振幅、動(dòng)應(yīng)力、加速度等。
動(dòng)荷載的動(dòng)力特性：測(cè)定引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)作用力的大小、方向、頻率與作用規(guī)律等。
2、動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)
動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要包括拾振器、信號(hào)放大器、信號(hào)采集儀和振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)4個(gè)部分組成。拾振器將橋梁振動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大器將信號(hào)放大后傳輸至信號(hào)采集儀。信號(hào)采集儀將放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。通過信號(hào)采集儀和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)采樣參數(shù)進(jìn)行采集控制。現(xiàn)場(chǎng)采集的各種橋梁動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過動(dòng)態(tài)測(cè)試分析和模態(tài)分析軟件對(duì)橋梁振動(dòng)測(cè)試分析和橋梁的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析。
二、動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)
橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)中，隨時(shí)間變化的物理量一般稱為信號(hào)，如撓度、應(yīng)變、振幅、加速度等。
動(dòng)載試驗(yàn)信號(hào)比較復(fù)雜，表現(xiàn)為：
振源和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)都是隨時(shí)間而變化的，是隨機(jī)的、不確定的。
橋梁結(jié)構(gòu)自由度多、車輛和橋梁相耦合振動(dòng)，其動(dòng)力特性就更為復(fù)雜。
干擾信號(hào)多且沒有規(guī)律。
1、動(dòng)態(tài)信號(hào)的時(shí)域描述
信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為信號(hào)的時(shí)域描述。如加速度時(shí)程曲線、位移時(shí)程曲線等。信號(hào)的時(shí)域描述比較簡(jiǎn)單、直觀，通過多個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，可以分析出結(jié)構(gòu)的振幅、振型、阻尼特性、動(dòng)力沖擊系數(shù)等參量，但不能明確揭示信號(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)的幅值大小，即采用頻域描述。需將時(shí)域信號(hào)通過快速傅立葉變換變?yōu)轭l域信號(hào)，從而確定結(jié)構(gòu)的頻率和頻率分布特性。
三、橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試
橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試傳感器的布置應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式而定，按照理論計(jì)算得出的振型大致形狀，在變位較大的部位布置傳感器，以測(cè)得橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)。
橋梁振動(dòng)測(cè)試的按照激振方法分為自振法、強(qiáng)迫振動(dòng)法、脈動(dòng)法。
振動(dòng)測(cè)試方法選用時(shí)應(yīng)根據(jù)橋梁的類型和剛度進(jìn)行選擇，以簡(jiǎn)單易行、便于測(cè)試為原則。通常，多將上述一種或兩種方法結(jié)合起來，以便全面把握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。
1、自振法
使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動(dòng)，記錄到的振動(dòng)圖形為橋梁的衰減振動(dòng)曲線。一般常用突然加載和突然卸載兩種方法。
?。?）突然加載法
在被測(cè)結(jié)構(gòu)上急速施加一個(gè)沖擊作用力?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用試驗(yàn)車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動(dòng)，簡(jiǎn)稱跳車試驗(yàn)；當(dāng)測(cè)試某一構(gòu)件(如拉索)的振動(dòng)時(shí)，常采用橡皮錘敲擊的方法產(chǎn)生沖擊作用。
?。?）突然卸載法
在結(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個(gè)荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動(dòng)。為卸落荷載，可通過自動(dòng)脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時(shí)也專門設(shè)計(jì)斷裂裝置，即當(dāng)預(yù)施加力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在繩索中間的斷裂裝置便突然斷裂，由此激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
2、強(qiáng)迫振動(dòng)法
強(qiáng)迫振動(dòng)法是利用專門的激振裝置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，借助于共振來確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。對(duì)于原型橋梁結(jié)構(gòu)，常常采用試驗(yàn)車輛以不同的行駛速度通過橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，簡(jiǎn)稱“跑車試驗(yàn)”。在試驗(yàn)時(shí)，常采用1輛試驗(yàn)車輛以20、30、40、50km/h的速度進(jìn)行跑車試驗(yàn)。
3、脈動(dòng)法
利用被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動(dòng)來確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。這種微振動(dòng)通常稱之為“地脈動(dòng)”，它是由附近地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處地震傳來的脈動(dòng)、橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動(dòng)響應(yīng)。
結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試的重要特性：明顯反映結(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，屬于模態(tài)試驗(yàn)中基于響應(yīng)數(shù)據(jù)的模態(tài)分析（OMA）方法。隨機(jī)子空間法是OMA中最精確的方法，整體擬合法，擬合時(shí)同時(shí)考慮多點(diǎn)的輸出波形，當(dāng)模態(tài)比較密集時(shí)，即使模態(tài)頻率比較接近，也不會(huì)影響識(shí)別的精度。
四、脈動(dòng)法進(jìn)行橋梁模態(tài)測(cè)試的實(shí)例
1、橋梁概況
采用模態(tài)測(cè)試的橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，采用剛性系梁剛性拱結(jié)構(gòu)形式，拱肋拱軸線采用懸鏈線，中間設(shè)一榀鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為桁架式。拱肋由4根鋼管組成。橋梁共設(shè)17對(duì)吊桿，系梁采用單箱三室的箱型截面。
2、振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及有限元模態(tài)分析的前10階頻率范圍，確定本橋模態(tài)測(cè)試中主要布設(shè)豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)兩類加速度傳感器。橋梁豎向振型或扭轉(zhuǎn)振型的測(cè)試共布設(shè)29個(gè)豎向加速度傳感器測(cè)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2~8、節(jié)點(diǎn)11~17，節(jié)點(diǎn)20~26，節(jié)點(diǎn)28~34共布設(shè)28個(gè)測(cè)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)10處布設(shè)1個(gè)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)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)8~14布設(shè)7個(gè)橋面水平測(cè)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)22~26布設(shè)5個(gè)拱上水平測(cè)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)8位置附近布設(shè)1個(gè)參考點(diǎn)。
