桥梁结构振动检测技术研究

常规的实验模态分析测试有４ 个要素 ： ①合适 的可控 制
的激振 方法 ：② 恰 当的传感器及振动 测点网络 ；③数据采 集系统 ；④能够 从含噪声的测试信号 中提取 出所期望 的模
态信息的分析软件。
得输 出信号太弱 ，信 噪比太差。清华大学发展 的高灵敏度低频 振动速度传感器 （ Ｐ ） Ｄ 型 则能给 出满意 的测量结果。 桥梁结构振型测定一般采取两种算法 ：①在结构上同时安 装许多传感器 ，这时必须保证所有传感器 的灵敏度经过预先标
数等 ，这些特征参数均 与未损伤 结构 的质量矩 阵和 刚度矩阵相 关联 ，通过比较未损伤结构 与损 伤结构 的振动信息确定损伤 的
位置和程度。这种损伤识别的方法相 当于在特定结构位置确定
结构特性 ，是作为结构振动反映问题 的结 构动 力修 改方法的具 体应用和发展。
期 性的且其频 率与系统 的固有频率相等时 ，则 发生共振 。 此 时 ，振幅将 随时间逐步增长 至一个相 当大的数值 ，且 阻
参 考点 对 应 比较 。
１瞬态激振法 ． 瞬态激振法又称 为自振 法 ，即利 用突加荷载或突卸荷 载后桥 梁 产生 的有 阻尼 衰减振 动来 进 行测试 。具 体 方法
有 ：用枕木和重锤 击打桥 面和混凝土桩 的桩 头 ：列车在桥 上突 然制动 ；受控爆炸 发射小型火箭 ；自动脱 钩的断裂装 置等 。在发展 了高灵敏度振 动传 感器和数据记 录、处理 技
系统 中出现了损伤。 当人们 对结 构进行模 态分析 后 ，可 以得到大 量的特征 指 标 ，如结构位移模 态振 型固有频率 、位移 （ 速度 、加速度 ） 频
自由振 动 又称 固有振 动 ，是研 究一 切振 动 问题 的基 础 ， 自由振 动是指弹 性系统在没有 外部动力作用下 形成 的 振动 ，自由振统 的振型数 目与其 自由度 数 目相等。桥梁结构是 一个具有连续 分布质量 的体系 ，也就是说 ，桥梁结构 的自由度 是无 限多 的，
评估 问题 ，人们更关心原结 构损伤后结构 的动力特性 ，因 此论 文仅 涉及常规桥梁结构 动力特性的测试与 分析 ，主要 是指梁式桥梁结构。 振动 系统 的参数识别可 以用频域识别法 ，也 可以用时
力特性参数 （ 固有频率、振型等 ）作为基准信 息，利 用振动 如 检测技术获得存在损伤结构相应的动力特性参数 ，通过比较 两 组动力特征参数判定结构损伤的存在 、位置和程度。 ：、影 响桥梁结构摄动的因素
对桥梁进行动态分析必须考虑哪些 因素影响桥梁的振动 ，
以及 其 主 次 关 系。 影 响 结构 振 动 的 主 要 因素 如 下 ：
有频 率和相应 的固有振型进行往 复的固有振动 ，此时系统
的动 能和位能往 复交换 ，若存在 阻尼 ，固有振动将 随时间
衰减。
率响应函数、曲率模 态振 型、应 变模态振型 、应变模态响应 函
受迫振动又称 强迫振 动 ，是 以结构作 为一 个多 自由度 系统 ，在 固定位 置 以扰动 力作 用使其振动 ，如 扰动 力为周
设 不能 完 全 得到 满 足 ，会 造 成评 估 误 差 。
结构的振动 问题涉及振源 （ 输入 ）、结构 （ 系统 ） 和
响应 （ 输出 ），它们 的关 系为 ： 振源 （ 输入 ） ——结 构 （ 系统 ） ——响应 （ 出 ） 输
对于结构振动 问题 ，只要知道输入 、系统和 输出三者 中的两项 ，就可 以求得 第三项 ，所 以桥梁振动检 测可 以划
三、桥梁结构振 动检测技术
桥 梁的振动 问题影响 因素复杂 ，仅仅依靠理论分析不能满
足工程应用 的需要 ，必须用理论分析与桥梁检 测试验相结
合 的方法解决 。振动检 测方法经济有效而且 使用起来 比较 安全。从传感器 、测试 设备到相应 的信号 处理软 件 ，振动 模 态测试 方法 已经 有几十年的发展历史 ，积 累 了丰富 的经 验 。因此 ，振动模 态测试方法在桥梁结构损 伤识别和评估
因此其 固有频率及 相应振 型也有无 限多个。 但是对于 工程应 用，人们只关心包括 结构 固有频率在 内的前几阶振动频率及相
应振型。
域识别法 。由于时域识别法是利 用系统的共振特性 ，而且
试验设备 复杂 ，对于桥梁运 营期 间用此法 比较 困难 ，而频 域法正好 能够 克服这个缺点 ，比较 适合实际应用 ，故 大多
定车辆荷 载对桥梁动 力作 用的重要技 术参 数 ，直接 影响到
桥梁设计 的安全 与经 济性能。桥梁 的过大振动可 引起车辆 和行人 的不舒适 。桥 梁 自振频率 处于 某些范围时 ，可由外
１桥 梁 的跨径 ，各阶振 型 的固有频 率与 跨径 的平 方成 反 ．
荷载 （ 包括行驶车辆 、行人 、地 震、风载、海浪冲 击等 ） 引起共振 的危险 。这 是以前动力检测 的 目的。最近 十几 年
率、振型和 阻尼 比 ） 、评 定现有桥梁 的运 营等级 （ 承载 能 力 ），还 可以进行桥梁健康 监测与状态评 估、模拟地震 试
验 和桥上荷 载识别 、抗 风试验与疲劳试验 。动荷载试验 的 目的在于研 究桥梁结 构的动力性能 ，该性 能是判断桥梁 运 营状况和承 载能力 的重要 标志之一。 比如 ，动力 系数是确
桥 梁结构振动检测技术研究
● 张 博
桥梁结 构除 了承受本身 自重和 各种 附加恒载 以外 ，还 要承受 交通 荷载 以及 受到 风载、气候等 种种复杂 因素 的影 响 ，因此 ，对桥 梁结 构 进行动 荷 载振 动检 测试 验 是必 要
的。
置 、大小及结构损伤类型。 目前比较得到认同的是结合 系统识 别、振动理论 、振动测试技术、信号 采集与分析等综合技术 的
术后 ，现在可 以用手槌敲击来获得桥梁模态。
２共振 法 ．
车辆有各种外形 ，包括带拖车和不带拖车 的卡车 ，以及不 同的轮轴荷载和 间距。因为车辆 系统和车桥耦合振 动； 步及的问
题 比较 复杂 ， 目前 的有 限元分析软 件对此 不能做 出很 好的模 拟 ，为了与试验数据进行对比 ，所 以将车辆荷载简化为移动荷
３ ． 测定桥梁在动荷载作用下的响应 （ 动位移、动应力等。 ） 桥 梁的振动测试包括很宽 的范畴 ，如模 拟地 震试验、
抗 风 试 验 、振 动 疲 劳 试 验 等 。 对 于桥 梁 结 构 的损 伤 识 别 和
固有频率 。使用激振器时 ，结构产生连续的周期性强迫振动 ， 在激振器振动频率与结构的固有频率一致时 ，结构会 出现共振 现象 ，振 幅达到最大值 ，共振 波峰 处的频率即为结构 的固有频 率。结构振型是结构相应于各阶固有频率的振动 形式 ，振动 系
数桥 梁 的 振 动测 试 选 用 了频 域 法 。
常用于振 动检测 的传 感器有加 速度计和地 震式速度传 感
器 ，现 代 工 程 中 使用 的 伺 服 式 加速 度 计 灵 敏 阀 约 为 １４～ ０ １５ ｇ ０ ｇ（ 为重力加速度 ） 。这对于测量行驶在桥 梁上车辆引起 的桥振是可行的 ，但若要利用地脉动进行桥梁模态测量 ，则显
常用 的激振 方法有 ：瞬态激 振法、共振法和随 即激励
法。
定 ，在用多路信号放大器时 ，还要求放 大器 的特性相同 ； 只 ②
用一个传 感器 ，测试时要不断改变它的位置 ，以便测出各点的 振幅。这种 方法要对传感器多次拆 卸和安装 ，并且还需要有一 个作为参考 点的不能移动的传 感器 ，其余各点的测定值均应 同
续改 变激振器 频率进行频率扫描 时记录下响应 随频率 的变
化就 可以得到共振 曲线 ，进 而得 到整个结构 的固有频率、 振型等动力参数。
３随机激励法 ．
必要。振动检测方法是桥 梁安全检测 的一种快速有效 的方法 ， 随着传 感器技术和信号分析技 术的发展 ，这一方法必将进一步
载 进 行 分析 。
共振 法需要使用专 门的机械式 、电动式 或电液式激振 器对结构 施加激振力 ，使之产 生强迫 振动 ，通过 改变激 振 频率使结 构产 生共振并进行测量 。若 将两 台激振器 安放于 结构 的适 当位 置反 向激振 ，则可 进行扭转振动试验 。当连
四 、结 语
桥梁结构不但直接影响着车辆及行 人的安全 ，而且也影响 着地 区乃至 国家的经济发展。因此 ，桥梁结构的振动检测 非常
试验模态 分析法 ，这种 方法 已被广泛应用于航 空、航 天、精 密 机床等领域 的故障诊断 、荷载识别和动力学修 改等 问题 中， 目
前 ，一些研究者试 图将这种 方法应用于土木工程结构的状态检
一
、
桥梁结构振动模态分析
测。
桥 梁结构在车辆 、人群 、风力及地震等动 力荷载作 用 下将产 生振 动 ，其振 动形式可 分为两类 ，即自由振动和 受 迫振 动 ，它们都 反 映 了系统 的 固有 特性 ，但又 存 在着 差
异。
结构的振动模态 分析是结构分析 的一项重要 内容 ，也是对 结构进行 损伤识 别的基本前提。 由于结构 中特定部分的质量和 刚度 损失而引起 的质量和刚度矩阵的任何变化 ，都 将在 自振 频 率和振 型的检 测值 中有所反 映，当系统 自振频率和振型的测量 值与原始未损伤系统 自振频率和振型之间 出现差异时 ，就表示
感 ，即桥梁是 否破损 ，其都不会发生显著的变化 ，属于次要 因 素。
结 构损伤的发生必然导 致结 构参数 （ 刚度 、阻尼和 内
力分布 ）的改变。如 果恰当地估计 出这些变化 ，就 能给结
构损伤状 态的评估提供 一个量化 的方法 ，振动模态通 常可
用常规 的试验模 态分析测试 方法得到。在桥 梁的不 同位 置 布设测点 ，通过结构损伤 前后的记录信息 可提取 出桥梁振 动模 态特 性参 数 的 变化 ，以此 来确 定 结构 损伤 发生 的位
来 ，有 些研 究者 试 图扩 大动 力检 测 方法 的适 用范 围和 功
能 ，其 主要 设 想 可 以 由 下面 一段 话 来 概 括 ：
比 ，即跨径越大，其固有频率越低。 ２桥梁 的质量 ，各阶振型 的固有频率与其单位长度的质量 ． 的平 方根成反比，即质量越 大，固有频率越低。 ３截面 刚度 Ｅ，各阶振 型的固有频率与其截面刚度的平方 ． ｌ 成 正比，即刚度越 大，固有频率越高。 其 中桥 梁的跨径和质量两个参数对于桥梁是否损坏并不敏
领 域 的 发展 也 很 快 。
脉 动 所 激 发 的桥 梁振 动 信 号 的 方法 称 为脉 动 法 。 通 过 分 析 可得
到桥梁结构 的动态特性 、振型等。桥梁动态特性的测试经过数
据处理后得到的信息主要有频率、振型及阻尼特性。
随着现代桥梁跨度 的增长、传感器性能的增强、数据 处理 能力的提高 ，及对试验费用和交通管制 的考虑 ，桥梁检测 更多 采用随机激励法 ，即利用行驶在桥 上的车辆振动 ，或风及环境 因素形成 的脉动所 引起的桥跨结构产生振动。使用随机激励法 有两个主要的缺点 ：一是输入能量可能过小 ，不足以激起感兴 趣的高阶模 态的振动 ；二是对随机激励法输入为平稳噪声 的假
尼 越 小 ，则 其 振 幅 越 大 ， 而达 到 最 大 振 幅 所 需 要 的 干 扰 力
利 用结构振动信息和系统特征参数进行结构损伤检 测 ，这
种 方法 的基本思路是 ：利用模态分析技术获得未损伤结 构的动
的周数也越多。 动 荷载试 验 不仅 可 以测定 新 建桥 梁 的动 力特性 （ 频
分为 三 类 基本 问题 ：
对桥梁进行振动测试时 ，要按照上述的激励 方法 ，使桥梁 产生 自由振动 ，通过检测 系统实测记录结构 的衰减振 动波 形。 在记录的振动波形 曲线上 ，可根据 时标符号直接计算 出结构 的
１测定桥梁荷载的动力特性 （ ． 数值、方向、频率等。 ） ２测定桥结构的动力特性 （ ． 自振频率、阻尼、振型等。 ）