1桥梁结构不同激振方法下的模态参数识别

文章编号:100926825(2007)2020342202

桥梁结构不同激振方法下的模态参数识别

收稿日期:2007204212

作者简介:苏金源(19792),男,助理工程师,广东交通集团检测中心,广东广州 510800

苏金源

摘 要:对桥梁结构在不同激振方法下的模态参数识别方法进行了评述,讨论与比较了桥梁结构不同激振方法下的模态

参数识别方法,并基于各种激振方法通过实例进行了比较分析,对桥梁的检测和评估具有重要的意义。关键词:桥梁结构,参数识别,激振方法中图分类号:U441

文献标识码:A

模态参数识别属于系统识别的一种,系统识别[1,2]的基本原理是建立在对已知系统的输入和输出的基础上,来寻求频率响应函数(频域)或脉冲响应函数(时域),从而实现对系统的识别。在进行桥梁动载实验时,首先应设法使桥梁结构产生一定的振动,然后应用各类测振仪器加以拾振和记录,所记录的振动图形通常都是结构振动系统的振动量与时间关系曲线,即某一振动物理量的时间历程曲线,由此分析得到桥梁的模态参数。文中的主要目的是讨论桥梁结构不同激振方法下的模态参数识别,所采用的模态参数识别方法有有限元法、典型波形识别法(衰减波形和/拍0振等)以及脉动法。这些方法各有千秋,在实用中可以相互补充和校核。

1 不同激振方法下的模态参数识别

激起桥梁振动的方法很多[3],应根据桥梁的类型和结构刚度进行选择,以简单易行便于实验检测为原则。

1.1 自振法

自振法的特点是使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动,记录到的振动图形则为桥梁的衰减振动曲线。为使桥梁自由振动,一般采用突加荷载和突卸荷载两种方法。在被测桥梁上急速地施加一个冲击作用力,由于施加冲击作用的时间短促,因此,施加于桥梁的作用实际上是一个冲击脉冲作用。由振动理论可知,冲击脉冲的动能传递到桥梁振动系统的时间要小于振动系统的自振周期,并且冲击脉冲一般都包含了从零到无限大的所有频率的能量,它的频谱是连续谱。只有被测结构的固有频率与冲击脉冲之间相同或接近时,冲击脉冲的频率分量才对桥梁结构起作用,从而激起桥梁以固有频率做自由振动。在实践中,常利用实验车辆在桥面上驶越三角垫木,利用车轮的突然下落对桥梁产生冲击作用,激起桥梁的振动。但此时所测得的桥梁固有频率包括了实验车辆这一附加质量的影响。

冲击法引起的自由振动,一般可以记录到第一阶固有频率的振动图形,通过对衰减波形的分析,可获得桥梁基频和阻尼比等参数;通过频谱分析方法,则可获得多阶固有频率等模态参数。

1.2 共振法(强迫振动法)

共振法是利用专门的激振装置,对结构施加激振力,使桥梁结构产生强迫振动,改变激振力的频率而使桥梁结构产生共振现象,借助共振现象来确定结构的动力特性。连续改变激振器的频率,当激振力的频率与结构的固有频率相等时,结构出现共振现象,记录到的频率即为结构的固有频率。在桥梁的动载实验中,常采用车桥振动法。车桥振动方法是车辆以不同车速通过不平整桥面(跳车)的振动作为激振源,测试桥跨结构产生的动力响应,利用车辆过桥后的余振分析得到桥跨结构的基频和振型。在

若干次运行车辆荷载实验中,当某一行驶速度产生的激振力的频率与桥梁固有频率相近时,桥梁结构便产生共振现象,此时桥梁各部位的振动响应达到最大值。在车辆驶离桥跨以后,结构做自由衰减振动,这时可从波形曲线中分析得到桥梁的模态参数。如图1所示为车辆过桥后加速度的衰减时程曲线,从中可以分析计算出桥梁的固有频率和阻尼特性;通过频谱分析方法,则可获得

多阶固有频率等模态参数。

1.3 脉动法

脉动法是一种通过测试结构物因外部自然环境激励而引起结构物振动来确定结构物动力特性(频率和振型)的有效方法。结构的脉动具有一重要特性,就是它明显地反映结构的固有频率。因为结构的脉动是由外界不规则干扰所引起的,因此它具有各种各样的频率成分,而结构的固有频率的谐量是脉动的主要成分。脉动实验时,当两个振幅近似相同,频率相差很少的简谐波形叠加时,其合成波形的振幅将随时间做周期性的缓慢变形,如图2所示,这种现象称之为/拍0振,从中可以计算出桥梁的固有

频率等模态参数。

用环境激励引起的振动(脉动)对结构系统识别显然具有许

多优点:无需贵重的激励设备,不打断结构的正常使用,方便省时,只需测定响应数据等,因此成为土木工程结构系统识别十分活跃的课题。目前,关于环境振动的系统识别方法研究较多,如基于功率谱密度的峰值法(P P)(频域)[4]、基于离散时间数据的

ARAM 模型(时)[5]

、随机子空间法(SSI)(时域)以及将环境激励

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作为假想输入的单模态识别法(SDOF I)(频域)[6]等。

由于输入无法测得,因此仅由环境激励响应无法估算系统的频率响应函数或脉冲响应函数。这里采用两种可以处理仅由环境振动响应来对系统进行识别的方法:1)较为简单的频域识别的峰值法,此方法有些理论上的不足,但却非常实用、简单和快捷;2)较先进的时域识别的随机子空间法,较费时但识别精度较高,可以用于弥补第一种方法的不足。

2 实例分析

乌下江大桥位于贵州省三板溪水电站库区展锦线复建公路上,为三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥,跨径布置62.05m+95m+62.05m,全桥长220.20m 。测试断面为边跨悬臂端部、边跨1/4、墩顶、中跨1/4以及中跨跨中,测试断面的桥面上游一侧布置竖向传感器和横向传感器,传感器的布置如图3所示。

该桥动载试验包括脉动试验和车桥振动实验两大部分,通过实验,记录波形时程曲线(其中,汽车以20km/h 的速度过桥后边跨悬臂1/4处竖向测点实测余波时程曲线和自谱分析图如图4所示)。根据文中所述的模态参数识别方法进行模态参数识别,模态结果见表1和图5(图中x 轴方向为纵桥向,y 轴方向为竖桥向,z 轴方向为横桥向)。比较这两种动测试验方式的结果,可以互相校核和验证。

表1 不同激振方式下不同模态识别方法比较

Hz

阶数

有限元法理论计算值

车桥振动实验余波实测值

跳车实验脉动实验振型10.380.500.500.49横向一阶弯曲

20.53 1.000.750.73横向二阶弯曲3 1.54 1.63 1.63 1.60竖向一阶对称弯曲4

2.32

2.50

2.50

2.46

竖向二阶反对称弯曲

3 结语

1)文中讨论了两种不同激振方式下的模态识别方法,分别采用了有限元法、典型波形识别法以及脉动法,得到的频率结果比

较吻合,振型基本一致。2)对桥梁进行脉动试验具有简便、可靠以及不中断交通等特点,是桥梁动力特性检测和评估的有效手段,值得推广。3)文中的动力分析结果可以用于初始有限元模型的修正和状态评估,更好地服务于桥梁的静动力评估。4)实践表明:有限元方法简单、省时、经济,但有限元模型往往跟实际结构有一定误差;典型波形识别法理论概念清楚,频率识别简单,但只能应用于典型波形,脉动中的/拍0振往往很难测得。

参考文献:

[1]任伟新.环境振动系统识别方法的比较分析[J].福州大学学

报(自然科学版),2001,29(6):80286.[2]宗周红.西宁北川河钢管混凝土拱桥的理论和实验模态分析[J],铁道学报,2003,25(4):89296.[3]李星新.既有桥梁结构承载力与剩余寿命研究[R ].大桥局桥科院科研报告,2006.

[4]Bendat J S,Piersol A G.Engineering application of correlation and

spectral analysis[M].2nd editon,New Yor k:John Wiley &Sons,1993.

[5]Andersen P,Br inker R,Kirkegaard P H.Theory of covariance e 2

quivalent ARMAV models of civil engineering structures [M ].

Proceedings of IMACI4,1996.5182524.

[6]应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].北京:铁道出

版社,1983.

Mode parameters identification of bridge structure under different quaking methods

SU Jin 2yua n

Abstr act:It nar rates the mode parameters identified methods of bridge str ucture under differ ent quaking methods,discusses and compares dif 2ferent mode parameters identified methods of bridge structure under different quaking methods.And based on different kinds of quaking meth 2ods,it compares and analyzes some practices,and has significance for br idge checking and evaluation.Key words:bridge structure,parameters identification,quaking methods

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