基于环境激励的桥梁模态参数识别_陈剑云
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（1） 环境激励 下 桥 梁 模 态 识 别 可 以 借 助 桥 梁 的 正 常 使 用运营环境中的风、地面作用、车辆动荷载等作用及其复合 作用对桥梁结构激励后产生的响应数据进行相应的模态参 数识别，可以大大降低模态参数识别的成本费用。
（2） 环境激励 下 桥 梁 模 态 识 别 不 需 要 借 助 人 工 激 励 设 备进行桥梁结构的激励，可以节省激励过程耗费的时间，节 省了整个识别进程的时间。
（3） 自然环境激励法。由于白噪声环境激励的条件下， 桥梁结构中的某两点之间相应的互关函数的相关表达式与 脉冲响应函数具有很高的相似性，当能够精确的确定某两点 之间相应的互关函数后，就可以借助时频域模态参数识别法 完成对桥梁结构模态参数的识别，这就使自然环境激励法完 成模态参数识别的原理。在桥梁的模态参数识别中，NEXT 法已经基本实现了普及和应用。
（6） 随机减量 识 别 法。随 机 减 量 识 别 法 是 在 实 现 样 本
中随机成分排 除 的 前 提 下，借 助 初 始 激 励 下 的 自 由 响 应 和 ITD 法来完成对结构的模态参数识别。随机减量识别法已 经被广泛应用于对空间飞行器模态参数的识别。
（7） 时间序列 分 析 识 别 法。时 间 序 列 分 析 识 别 法 是 借 助完善的模态参数模型，完成对相关随机数据的处理的识别 方法。时间序列分析识别法的主要优点是识别过程中参数 不会产生能量的损失和泄露，识别分辨率高。但该方法也存 在着一定的问题，如识别定阶问题。 2 环境激励下桥梁模态识别的优点
图 3 1，2，5 和 4 点的自功率图谱
4结语 本文深入研究了基于环境激励的模态参数识别方法的
原理及特点，归纳分析了基于环境激励的模态参数识别方法 的优点，并借助一定的桥梁实例分析，对基于环境激励的模 态参数识别方法进行了深入的研究，为基于环境激励的桥梁 模态参数识别的研究和发展奠定了坚实的基础。
2014 年 第 8 期 （ 总第 246 期）
黑龙江交通科技 HEILONGJIANG JIAOTONG KEJI
No． 8，2014 （ Sum No． 246）
基于环境激励的桥梁模态参数识别
陈剑云 （ 广东省交通运输工程质量监督站）
摘 要：深入研究基于环境激励的模态参数识别方法的原理及特点，归纳分析了基于环境激励的模态参数识
（4） 频域分解 模 态 参 数 识 别 法。频 域 分 解 态 参 数 识 别 法是在峰值拾取法基础上进行了合理的延伸和完善，能够在 一定程度避免峰值拾取法缺点的出现，实现对峰值拾取法的 完善和补充。频域分解态参数识别法的原理是通过奇异值 分解，将响应功率谱合理的分解为相应的多阶模态单自由度 系统功率谱。频域分解态参数识别法的优点是精度高、抗干 扰能力强，但该方法适用范围有限，仅适用于方阻尼比较小 的系统结构。
参考文献： ［1］ 吴子燕，易文迪，赵宇． 交通荷载作用下桥梁结构参数识别方
法［J］． 振动、测试与诊断，2009，29（ 4） ： 383 － 387． ［2］ 胡利平，韩大建，禹智涛． 基于环境激励的大跨度桥梁模态试
验［J］． 广东工业大学学报，2005，（1） ：100 － 104． ［3］ 彭涛． 基于环境激励的大跨度桥梁模态分析与应用研究［D］．
图 1 传感器布置图
收稿日期：2014 － 05 － 11 作者简介：陈剑云（1981 － ） ，男，广东潮州人，工程师，研究方向：路桥检测、施工。
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总第 246 期
黑龙江交通科技
第8 期
（2） 模态参数识别 借助韦尔奇法来完成对纵向振动自功率密度谱、互功率 密度谱和相干函数的计算，然后利用 Matlab 软件进行相关 计算程序的编制，从而完成对模态参数的计算和识别。不同 测点的自功率图谱分别见图 2、图 3。 由图 2 和图 3 分析可知，桥梁的一阶、二阶和三阶振动 频率分别为 0． 76，1． 12 和 2． 93 Hz。将第二测次的 3，7，4， 5 测点和第三测次的 6，8，4，9 测点数据进行同样的处理， 实现了对上述分析结论的验证，得到环境激励下桥梁的振 动频率相同的结论。
别法是利用结构产生自振时对应的频率，计算相关频率在其 频率响应函数上出现的峰值，从而完成对结构的特征频率的 估计。而结构相关的功率谱密度是通过对实测加速数据进 行离散的傅立叶变换到频域后计算得到；而对于振型分量， 是在特征频率位置，利用传递函数计算得到。峰值拾取模态 参数识别法具有识别快、操作程序简易等优点，已经在桥梁 方面得到了大范围的推广应用。
别方法的优点，并借助一定的桥梁实例分析，对基于环境激励的模态参数识别方法进行了深入的研究，为基
于环境激励的桥梁模态参数识别的研究和发展奠定了坚实的基础。
关键词：环境激励；桥梁；模态参数；识别
wk.baidu.com
中图分类号：U442
文献标识码：C
文章编号：1008 － 3383（2014）08 － 0117 － 02
1 基于环境激励的模态参数识别方法研究 （1） 峰值拾取 模 态 参 数 识 别 法。峰 值 拾 取 模 态 参 数 识
（2） 时频域模态参数识别法。在桥梁工程中，多数的环 境激励都是非 稳 态 的 环 境 激 励，不 能 很 好 地 近 似 成 稳 态 激 励，倘若仍然采用稳态环境激励来识别，会产生较大的误差， 不利于桥梁模态参数识别。因此，很多学者开始对环境激励 进行更有针对性的研究。而时频域模态参数识别法是将相 关信号直接转换为模态识别参数的模态参数识别法。该模 态参数识别方法更加接近于实际情况，适应性相对更强，但 目前时频域模态参数识别法尚未大范围的推广应用于桥梁 工程中。
梁的整体刚度关系。在桥梁的正中心处，一阶振动最显著， 二阶振动为零，三阶振动较小。
图 2 1，2，4 和 5 点的自功率图谱
（3） 阻尼比估计 根据图 3 自功率谱图，采用半功率带宽法计算公式，分 别可以计算得到桥梁一阶、二阶和三阶振动阻尼比，分别为 0． 069、0． 050 和 0． 019，从而进行简单的分析可知，一阶、二 阶和三阶振动阻尼比依次减小。 （4） 振型 根据测试结果，可得桥梁的三阶纵向振型。一阶、二阶 和三阶纵向振型反应了桥梁在全长范围的振动情况以及桥
表 1 声测管和橡胶抽拔管单价对比表
类型 单价 /元 m －1
声测管 Φ50 6． 8
橡胶抽拔管 Φ50 63
在一般情况下，当项目孔桩桩基根数小于 10 根时，采用 声测管较经济；当项目孔桩桩基根数大于 10 根时，采用声测 管较经济。当项目孔桩桩基根数越大，采用抽拨管的经济效 益明显。 4结论
橡胶抽拔管成孔是一种小直径成孔的新工艺，当项目桩 基工程量大时，由于橡胶抽拨管重复利用率高、节约本低，加 快施工进度，且经济效益非常明显。
（3） 环境激励 下 桥 梁 模 态 识 别 安 全 性 相 对 较 高 好。人 工激励设备的工作过程需要对桥梁的局部结构施加一定的 能量，来达到激励的目的，这将可能给桥梁结构造成一定损 伤，埋下安全 隐 患。 环 境 激 励 则 克 服 了 人 工 激 励 存 在 的 问 题，借助自然环境以及相关使用环境的激励来完成对桥梁结 构的模态参数识别，不会给桥梁结构造成损伤和破坏，具有 较高的安全性和适用性。 3 基于环境激励的桥梁模态参数识别实例研究
参考文献： ［1］ 公路桥涵施工技术规范（ JTG / T F50 － 2011） ［S］． ［2］ 公路工程质量检验评定标准（ JTG F80 /1 － 2004） ［S］. ［3］ 赵建平． 橡胶抽拔管成孔原理及其效应研究［D］． 长沙：中南
大学，2003．
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果；若拔管太晚，有可能会出现抽拔管被损坏或拉断，橡胶抽 拨管一旦不能拨出，其后果很严重，必须对桩基桩体进行钻 孔成孔处理，且 存 在 钻 孔 难 度 大、钻 孔 时 间 长、费 用 高 等 缺 点，因此，掌握最佳抽拨时间是关键。 4 橡胶抽拔管成孔与声测管的经济比较
分别在选用声测管和橡胶抽拔管成孔的情况下，声测管 和橡胶抽拔管成本单价如表 1。
长沙：长沙理工大学，2007． ［4］ 刘宗政，陈恳，郭隆，陈振华，陈雁． 基于环境激励的桥梁模态
参数识别［J］． 振动、测试与诊断，2010，30（3） ： 300 － 303．
（ 上接第 116 页） 2. 3 混凝土浇筑及抽拨情况
我部于 2013 年 12 月 28 日在小新寨大桥 7#台 7b － 5#孔同 时安装三根声测管和三根抽拨管，混凝土浇筑及抽拨情况如下 孔桩混凝土开始浇筑时间为 15∶ 00，孔桩混凝土浇筑完成时间为 19∶ 00。三根抽拨管拨出的时间均为次日 8∶ 30，全部一次性拨 出，拨出后未出现塌孔，后期探孔结果为成孔成功，满足孔桩检 测要求，效果良好，且桩检满足设计及规范要求。 3 橡胶抽拔管成孔在桥梁桩基施工中应用的优缺点 3. 1 橡胶抽拨管在桥梁桩基中应用的优点
（1） 原材料具有优质高弹性，制作工艺先进； （2） 整根橡胶管扯断力约为工作拉力的 2． 5 ～ 3 倍，抽 拔伸缩率达到 300% ～ 400% ； （3） 管体外表光滑平整、拉伸强度高、使用变形小、弹性 好、延性好、耐磨； （4） 重复利用率高，反复使用达 100 ～ 200 次（ 在正常使 用环境及正常操作下） ； （5） 克服了传统声测管质量通病，如：接头不严密、振捣 时管壁破裂造成漏浆等现象，更重要的是大大降低了施工成 本，加快施工进度。 3. 2 橡胶抽拨管在桥梁桩基中应用的缺点 橡胶管损耗大，出现缺陷不容易修复。最关键的是橡胶 管拉拔时间不好掌握，影响因素多，若橡胶抽拨管拉拔时间 过早容易发生坍孔、缩孔的事故，同时过早抽拔孔道强度低、 表面粗糙、易沾有浮浆，孔道摩阻偏大，影响桩基检测施作效
（5） 随机子空 间 模 态 参 数 识 别 法。随 机 子 空 间 模 态 参 数识别法是通过将输入假定为白噪声随机输入来完成对模 态参数识别的方法。但随机子空间模态参数识别法的相关 假定与实际情况存在着一定的误差。随机子空间模态参数 识别法的基本理论依据来自于时域的状态空间方程，其适用 范围存在一定的局限性，仅适用于线性系统。
（1） 环境激励的桥梁振动测试 实例桥梁全长约为 270 m 左右，距地面高度约为 52． 4 m。在实例桥梁的识别试验中，在不同结构位置选定了 9 个 测定点。在每次测试中完成对 4 个测试点的参数测定，重复 利用测定传感器，共分为 3 次完成所有测试点的测定。在测 试过程中，要固定一个测点不动，作为测试的参考点。根据 实例桥梁的模态，应尽量选择振幅较大的节点作为传感器 布置位置，传感器的布置图见图 1。第一次测量 1，2，4，5 点；第二次测量 3，7，4，5 点；第三次测量 6，8，4，9 点。
（2） 环境激励 下 桥 梁 模 态 识 别 不 需 要 借 助 人 工 激 励 设 备进行桥梁结构的激励，可以节省激励过程耗费的时间，节 省了整个识别进程的时间。
（3） 自然环境激励法。由于白噪声环境激励的条件下， 桥梁结构中的某两点之间相应的互关函数的相关表达式与 脉冲响应函数具有很高的相似性，当能够精确的确定某两点 之间相应的互关函数后，就可以借助时频域模态参数识别法 完成对桥梁结构模态参数的识别，这就使自然环境激励法完 成模态参数识别的原理。在桥梁的模态参数识别中，NEXT 法已经基本实现了普及和应用。
（6） 随机减量 识 别 法。随 机 减 量 识 别 法 是 在 实 现 样 本
中随机成分排 除 的 前 提 下，借 助 初 始 激 励 下 的 自 由 响 应 和 ITD 法来完成对结构的模态参数识别。随机减量识别法已 经被广泛应用于对空间飞行器模态参数的识别。
（7） 时间序列 分 析 识 别 法。时 间 序 列 分 析 识 别 法 是 借 助完善的模态参数模型，完成对相关随机数据的处理的识别 方法。时间序列分析识别法的主要优点是识别过程中参数 不会产生能量的损失和泄露，识别分辨率高。但该方法也存 在着一定的问题，如识别定阶问题。 2 环境激励下桥梁模态识别的优点
图 3 1，2，5 和 4 点的自功率图谱
4结语 本文深入研究了基于环境激励的模态参数识别方法的
原理及特点，归纳分析了基于环境激励的模态参数识别方法 的优点，并借助一定的桥梁实例分析，对基于环境激励的模 态参数识别方法进行了深入的研究，为基于环境激励的桥梁 模态参数识别的研究和发展奠定了坚实的基础。
2014 年 第 8 期 （ 总第 246 期）
黑龙江交通科技 HEILONGJIANG JIAOTONG KEJI
No． 8，2014 （ Sum No． 246）
基于环境激励的桥梁模态参数识别
陈剑云 （ 广东省交通运输工程质量监督站）
摘 要：深入研究基于环境激励的模态参数识别方法的原理及特点，归纳分析了基于环境激励的模态参数识
（4） 频域分解 模 态 参 数 识 别 法。频 域 分 解 态 参 数 识 别 法是在峰值拾取法基础上进行了合理的延伸和完善，能够在 一定程度避免峰值拾取法缺点的出现，实现对峰值拾取法的 完善和补充。频域分解态参数识别法的原理是通过奇异值 分解，将响应功率谱合理的分解为相应的多阶模态单自由度 系统功率谱。频域分解态参数识别法的优点是精度高、抗干 扰能力强，但该方法适用范围有限，仅适用于方阻尼比较小 的系统结构。
参考文献： ［1］ 吴子燕，易文迪，赵宇． 交通荷载作用下桥梁结构参数识别方
法［J］． 振动、测试与诊断，2009，29（ 4） ： 383 － 387． ［2］ 胡利平，韩大建，禹智涛． 基于环境激励的大跨度桥梁模态试
验［J］． 广东工业大学学报，2005，（1） ：100 － 104． ［3］ 彭涛． 基于环境激励的大跨度桥梁模态分析与应用研究［D］．
图 1 传感器布置图
收稿日期：2014 － 05 － 11 作者简介：陈剑云（1981 － ） ，男，广东潮州人，工程师，研究方向：路桥检测、施工。
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总第 246 期
黑龙江交通科技
第8 期
（2） 模态参数识别 借助韦尔奇法来完成对纵向振动自功率密度谱、互功率 密度谱和相干函数的计算，然后利用 Matlab 软件进行相关 计算程序的编制，从而完成对模态参数的计算和识别。不同 测点的自功率图谱分别见图 2、图 3。 由图 2 和图 3 分析可知，桥梁的一阶、二阶和三阶振动 频率分别为 0． 76，1． 12 和 2． 93 Hz。将第二测次的 3，7，4， 5 测点和第三测次的 6，8，4，9 测点数据进行同样的处理， 实现了对上述分析结论的验证，得到环境激励下桥梁的振 动频率相同的结论。
别法是利用结构产生自振时对应的频率，计算相关频率在其 频率响应函数上出现的峰值，从而完成对结构的特征频率的 估计。而结构相关的功率谱密度是通过对实测加速数据进 行离散的傅立叶变换到频域后计算得到；而对于振型分量， 是在特征频率位置，利用传递函数计算得到。峰值拾取模态 参数识别法具有识别快、操作程序简易等优点，已经在桥梁 方面得到了大范围的推广应用。
别方法的优点，并借助一定的桥梁实例分析，对基于环境激励的模态参数识别方法进行了深入的研究，为基
于环境激励的桥梁模态参数识别的研究和发展奠定了坚实的基础。
关键词：环境激励；桥梁；模态参数；识别
wk.baidu.com
中图分类号：U442
文献标识码：C
文章编号：1008 － 3383（2014）08 － 0117 － 02
1 基于环境激励的模态参数识别方法研究 （1） 峰值拾取 模 态 参 数 识 别 法。峰 值 拾 取 模 态 参 数 识
（2） 时频域模态参数识别法。在桥梁工程中，多数的环 境激励都是非 稳 态 的 环 境 激 励，不 能 很 好 地 近 似 成 稳 态 激 励，倘若仍然采用稳态环境激励来识别，会产生较大的误差， 不利于桥梁模态参数识别。因此，很多学者开始对环境激励 进行更有针对性的研究。而时频域模态参数识别法是将相 关信号直接转换为模态识别参数的模态参数识别法。该模 态参数识别方法更加接近于实际情况，适应性相对更强，但 目前时频域模态参数识别法尚未大范围的推广应用于桥梁 工程中。
梁的整体刚度关系。在桥梁的正中心处，一阶振动最显著， 二阶振动为零，三阶振动较小。
图 2 1，2，4 和 5 点的自功率图谱
（3） 阻尼比估计 根据图 3 自功率谱图，采用半功率带宽法计算公式，分 别可以计算得到桥梁一阶、二阶和三阶振动阻尼比，分别为 0． 069、0． 050 和 0． 019，从而进行简单的分析可知，一阶、二 阶和三阶振动阻尼比依次减小。 （4） 振型 根据测试结果，可得桥梁的三阶纵向振型。一阶、二阶 和三阶纵向振型反应了桥梁在全长范围的振动情况以及桥
表 1 声测管和橡胶抽拔管单价对比表
类型 单价 /元 m －1
声测管 Φ50 6． 8
橡胶抽拔管 Φ50 63
在一般情况下，当项目孔桩桩基根数小于 10 根时，采用 声测管较经济；当项目孔桩桩基根数大于 10 根时，采用声测 管较经济。当项目孔桩桩基根数越大，采用抽拨管的经济效 益明显。 4结论
橡胶抽拔管成孔是一种小直径成孔的新工艺，当项目桩 基工程量大时，由于橡胶抽拨管重复利用率高、节约本低，加 快施工进度，且经济效益非常明显。
（3） 环境激励 下 桥 梁 模 态 识 别 安 全 性 相 对 较 高 好。人 工激励设备的工作过程需要对桥梁的局部结构施加一定的 能量，来达到激励的目的，这将可能给桥梁结构造成一定损 伤，埋下安全 隐 患。 环 境 激 励 则 克 服 了 人 工 激 励 存 在 的 问 题，借助自然环境以及相关使用环境的激励来完成对桥梁结 构的模态参数识别，不会给桥梁结构造成损伤和破坏，具有 较高的安全性和适用性。 3 基于环境激励的桥梁模态参数识别实例研究
参考文献： ［1］ 公路桥涵施工技术规范（ JTG / T F50 － 2011） ［S］． ［2］ 公路工程质量检验评定标准（ JTG F80 /1 － 2004） ［S］. ［3］ 赵建平． 橡胶抽拔管成孔原理及其效应研究［D］． 长沙：中南
大学，2003．
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果；若拔管太晚，有可能会出现抽拔管被损坏或拉断，橡胶抽 拨管一旦不能拨出，其后果很严重，必须对桩基桩体进行钻 孔成孔处理，且 存 在 钻 孔 难 度 大、钻 孔 时 间 长、费 用 高 等 缺 点，因此，掌握最佳抽拨时间是关键。 4 橡胶抽拔管成孔与声测管的经济比较
分别在选用声测管和橡胶抽拔管成孔的情况下，声测管 和橡胶抽拔管成本单价如表 1。
长沙：长沙理工大学，2007． ［4］ 刘宗政，陈恳，郭隆，陈振华，陈雁． 基于环境激励的桥梁模态
参数识别［J］． 振动、测试与诊断，2010，30（3） ： 300 － 303．
（ 上接第 116 页） 2. 3 混凝土浇筑及抽拨情况
我部于 2013 年 12 月 28 日在小新寨大桥 7#台 7b － 5#孔同 时安装三根声测管和三根抽拨管，混凝土浇筑及抽拨情况如下 孔桩混凝土开始浇筑时间为 15∶ 00，孔桩混凝土浇筑完成时间为 19∶ 00。三根抽拨管拨出的时间均为次日 8∶ 30，全部一次性拨 出，拨出后未出现塌孔，后期探孔结果为成孔成功，满足孔桩检 测要求，效果良好，且桩检满足设计及规范要求。 3 橡胶抽拔管成孔在桥梁桩基施工中应用的优缺点 3. 1 橡胶抽拨管在桥梁桩基中应用的优点
（1） 原材料具有优质高弹性，制作工艺先进； （2） 整根橡胶管扯断力约为工作拉力的 2． 5 ～ 3 倍，抽 拔伸缩率达到 300% ～ 400% ； （3） 管体外表光滑平整、拉伸强度高、使用变形小、弹性 好、延性好、耐磨； （4） 重复利用率高，反复使用达 100 ～ 200 次（ 在正常使 用环境及正常操作下） ； （5） 克服了传统声测管质量通病，如：接头不严密、振捣 时管壁破裂造成漏浆等现象，更重要的是大大降低了施工成 本，加快施工进度。 3. 2 橡胶抽拨管在桥梁桩基中应用的缺点 橡胶管损耗大，出现缺陷不容易修复。最关键的是橡胶 管拉拔时间不好掌握，影响因素多，若橡胶抽拨管拉拔时间 过早容易发生坍孔、缩孔的事故，同时过早抽拔孔道强度低、 表面粗糙、易沾有浮浆，孔道摩阻偏大，影响桩基检测施作效
（5） 随机子空 间 模 态 参 数 识 别 法。随 机 子 空 间 模 态 参 数识别法是通过将输入假定为白噪声随机输入来完成对模 态参数识别的方法。但随机子空间模态参数识别法的相关 假定与实际情况存在着一定的误差。随机子空间模态参数 识别法的基本理论依据来自于时域的状态空间方程，其适用 范围存在一定的局限性，仅适用于线性系统。
（1） 环境激励的桥梁振动测试 实例桥梁全长约为 270 m 左右，距地面高度约为 52． 4 m。在实例桥梁的识别试验中，在不同结构位置选定了 9 个 测定点。在每次测试中完成对 4 个测试点的参数测定，重复 利用测定传感器，共分为 3 次完成所有测试点的测定。在测 试过程中，要固定一个测点不动，作为测试的参考点。根据 实例桥梁的模态，应尽量选择振幅较大的节点作为传感器 布置位置，传感器的布置图见图 1。第一次测量 1，2，4，5 点；第二次测量 3，7，4，5 点；第三次测量 6，8，4，9 点。