環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析法在道路橋梁檢測中的應(yīng)用探析

閆早軍

◆摘? 要：近年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)規(guī)模不斷拓展，而道路橋梁在交通運(yùn)輸行業(yè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但從我國道路橋梁目前情況來看，很多橋梁受到外界因素和內(nèi)在因素影響，給道路橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響，甚至給人們安全造成損害。本文利用環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析法為基礎(chǔ)，對環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行深入研究，將環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析法與傳統(tǒng)分析法進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)橋梁在實(shí)際測量時(shí)要注意那些問題，針對橋梁檢測中出現(xiàn)的問題提出針對性措施，從而給道路橋梁檢測提供正確的分析方式

◆關(guān)鍵詞：道路橋梁檢測;環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析法;應(yīng)用

1工程結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的發(fā)展

1.1頻域分析方法

結(jié)構(gòu)模態(tài)識別從分析方式方面可分為時(shí)域方法和頻域方法。頻域識別方法是以結(jié)構(gòu)是以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的各階振動(dòng)模型，他們之間相互獨(dú)立，構(gòu)成一個(gè)正交函數(shù)系屬性，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)分解成為結(jié)構(gòu)模態(tài)分量的疊加。目前，頻域識別方法通常是使用傅立葉變化，隨著科技不斷發(fā)展，給傅立葉帶來較大改變，快速傅立葉變換技術(shù)因此誕生，將信號從原來的時(shí)域變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，尤其是專業(yè)FFFT譜分析儀出現(xiàn)，讓頻域內(nèi)參數(shù)識別技術(shù)取得質(zhì)的突破。同時(shí)，時(shí)域識別方法可分為單模態(tài)識別方法、多模態(tài)識別方法、頻域總體識別方法、分區(qū)模態(tài)綜合方法。對于那些耦合較小結(jié)構(gòu)，利用單模態(tài)識別方法就能滿足識別精度。而對于那些耦合較大的結(jié)構(gòu)，則必須要利用多模態(tài)識別方法。單模態(tài)識別方法又分為最小二乘圓擬合法和直接估計(jì)法。直接估計(jì)方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)準(zhǔn)確性，并不具有誤差和噪音，可直接利用單自由度結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)各種曲線的特征進(jìn)行參數(shù)識別，由于該方法主要是以特征曲線圖形作為基礎(chǔ)，來進(jìn)行參數(shù)識別，從而被人們叫做圖解法。最小二乘擬合法屬于曲線擬合法，其基礎(chǔ)思想是根據(jù)實(shí)際測量的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，用理想導(dǎo)納元去構(gòu)建導(dǎo)納圓，并按最小二乘原理計(jì)算出導(dǎo)納半徑，而其他模態(tài)參與評估則建立在圖解法的基礎(chǔ)上。

1.2環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和環(huán)境振動(dòng)分析方法

由于結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)幅度不大，環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)描述結(jié)構(gòu)振動(dòng)的線性行為。其一般被用來描述振動(dòng)響應(yīng)組成部分和損傷結(jié)構(gòu)的線性行為，也被專業(yè)人士用來發(fā)展頻域和時(shí)域的模態(tài)分析理論模型，這些理論模型可被應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和振動(dòng)控制方面。對于那些處于工作狀態(tài)的工程結(jié)構(gòu)，人工激振實(shí)驗(yàn)要求較大的激勵(lì)力，能讓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大響應(yīng)。而外力一般應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)頂部，這會(huì)突出振動(dòng)激勵(lì)模態(tài)，在結(jié)構(gòu)上部會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模振幅。

2模態(tài)分析理論

無論何種系統(tǒng)都能產(chǎn)生較大振動(dòng)。而模態(tài)分析是解決振動(dòng)問題最有效的方式，在給定額段內(nèi)系統(tǒng)的固有動(dòng)態(tài)特性，通?？捎靡唤M獨(dú)立的振動(dòng)模式來表示。同時(shí)，不同振動(dòng)模式都會(huì)具有不同的振動(dòng)頻率、振型、阻尼率等，這些就是所謂的模態(tài)參數(shù)。阻尼率和固有頻率通常會(huì)被人叫做全局參數(shù)，他們可不進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，可從取自結(jié)構(gòu)的任何頻率響應(yīng)測量內(nèi)獲取。振型則是可描繪所有部分相對位移的撓度模型。模態(tài)參數(shù)課利用測量的方式，在無數(shù)測量點(diǎn)和參考點(diǎn)之間的頻率響應(yīng)來獲得數(shù)據(jù)。模態(tài)分析是當(dāng)發(fā)現(xiàn)自然振動(dòng)時(shí)分析其頻率，阻尼率和振型都是模態(tài)分析當(dāng)中最重要的工具。模態(tài)參數(shù)不僅可應(yīng)用在機(jī)械工程領(lǐng)域，還可應(yīng)用在其他領(lǐng)域，如模式更新、模型確定、健康監(jiān)控、質(zhì)量方面等方面。

2.1環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的概念

環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析已被普及到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在機(jī)械工程領(lǐng)域方面應(yīng)用最廣。在實(shí)際生活當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和實(shí)際操作條件具有較大差異。考慮到非線性結(jié)構(gòu)以及周圍環(huán)境對結(jié)構(gòu)所造成的影響。環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析也被稱為運(yùn)行模態(tài)分析、周圍環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析等，但不管被稱為任何名稱，其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容都極其相似;使用自然激勵(lì)作為系統(tǒng)輸入，如海波浪、風(fēng)、交通工具等，也就是通過沒有任何人工輸入的振動(dòng)響應(yīng)信號來估計(jì)模態(tài)參數(shù)。

2.2環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析與傳統(tǒng)模態(tài)分析相比的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1便于測量

環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的測量要比傳統(tǒng)模態(tài)分析簡單很多，其利用自然力作為輸入，不需要任何激勵(lì)器，可有效避免為了選擇較好的激勵(lì)點(diǎn)而反復(fù)移動(dòng)激勵(lì)器，能給工作節(jié)約大量的時(shí)間。

2.2.2持續(xù)性測試

為了獲得更精確的測量數(shù)據(jù)，有時(shí)需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的測試，有時(shí)是幾周甚至幾個(gè)月，這是目前傳統(tǒng)模態(tài)分析的重要問題。歸根結(jié)底是因?yàn)閭鹘y(tǒng)模態(tài)測試設(shè)備很容易老化、結(jié)構(gòu)被長時(shí)間占用。而環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析就有效解決這一問題，在實(shí)驗(yàn)期間結(jié)構(gòu)仍然可像平常一樣正常使用。

2.2.3多輸入多輸出模態(tài)技術(shù)

環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析屬于多輸入多輸出技術(shù)。自然的輸入力量涉及范圍較廣，如交通、風(fēng)等，可同時(shí)激勵(lì)結(jié)構(gòu)的很多點(diǎn)。傳統(tǒng)模態(tài)分析則屬于單輸入輸出技術(shù)，多輸入多輸出技術(shù)可發(fā)現(xiàn)重復(fù)幾點(diǎn)，從而提升模態(tài)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

2.2.4現(xiàn)場模態(tài)測試

在信息化時(shí)代背景下，為了保證我國交通運(yùn)輸業(yè)有效進(jìn)行，需要對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)工作，并且在荷載試驗(yàn)工作中，需要豐富檢測橋梁經(jīng)驗(yàn)，才能提高公路橋梁的工程質(zhì)量。而當(dāng)涉及到結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試，如建筑物、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，沖擊錘和振蕩器是無法作為激勵(lì)源。在這種情況下，傳統(tǒng)模態(tài)分析無法有效實(shí)施，因?yàn)橛泻芏辔粗妮斎肓看嬖诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)，這對于傳統(tǒng)模擬分析來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題，但這正是環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的優(yōu)勢。對于環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析而言，隨機(jī)輸入源越多其獲得的模態(tài)分析結(jié)果越優(yōu)異，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)來自于實(shí)際的現(xiàn)場測試，這也是為何將這項(xiàng)技術(shù)成為環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的主要原因。

3環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析在橋梁實(shí)際檢測中的應(yīng)用

3.1對被測橋的描述

實(shí)驗(yàn)對象是一座連接兩棟大樓2層的橋梁，其總長度為19m，橋面厚度未知。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

一臺(tái)戴爾Insprion 6000型PC機(jī);三臺(tái)8306型壓電式加速度計(jì);信號調(diào)節(jié)器;加速度計(jì)電源;對K2635型電荷方大器;National Instrument 生產(chǎn)的16位A/D轉(zhuǎn)換卡。

3.3實(shí)驗(yàn)描述

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要目的是集中小橋的振動(dòng)，加速度作為輸出響應(yīng)。當(dāng)在反應(yīng)測量選擇傳感器類型時(shí)，必須要注意傳感器要符合實(shí)驗(yàn)對象頻率范圍和敏感性的要求。測量土木工程結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)位移屬于一種非常復(fù)雜的工作;速度傳感器有利于測量固定頻率在F大于4.5Hz的結(jié)構(gòu)，而大部分工程結(jié)構(gòu)固有頻率較低。因此，高敏感度的加速度計(jì)是研究這類結(jié)構(gòu)的首要選擇。這個(gè)實(shí)試驗(yàn)主要是利用環(huán)境振動(dòng)模型來進(jìn)行分析，意味著只測量輸出響應(yīng)，而輸出量處于未知狀態(tài)。整棟橋梁的長度為19m，每隔一米取一個(gè)點(diǎn)，總共有20個(gè)點(diǎn)。工作人員可利用跳躍的方式，在橋上找到振幅最大的點(diǎn)，將其最初初步的參考點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可將8號點(diǎn)作為主要參考點(diǎn)，將一臺(tái)加速度計(jì)放在8號點(diǎn)上面，而其他兩臺(tái)則沿著橋面進(jìn)行滑行，從而測試其他點(diǎn)的數(shù)據(jù)。壓電式加速度計(jì)需要找到一個(gè)合適的電源，并將其產(chǎn)生的模擬信號，利用電纜傳輸?shù)揭粋€(gè)具有16位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)。這個(gè)系統(tǒng)主要是由一臺(tái)戴爾PC機(jī)構(gòu)成。

數(shù)據(jù)以500HZ的頻率在60s測量時(shí)間內(nèi)采樣所得，每次測量共有300000個(gè)樣本記錄。并且每次在收集數(shù)據(jù)后，都要在電腦上繪制頻譜圖，從而確保被記錄的數(shù)據(jù)能滿足試驗(yàn)需求。同時(shí)，可利用隨機(jī)腳步作為橋的環(huán)境激勵(lì)，隨機(jī)選擇一個(gè)人在加速傳感器附件進(jìn)行跳躍，跳躍時(shí)間一分鐘，但由于橋具有較強(qiáng)的高阻尼，脈沖響應(yīng)還未持續(xù)較長時(shí)間，因此很難得到高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。想要得到高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須要滿足以下條件：第一，在研究過程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生至少一次共振;第二，結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)在零節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)沒有任何風(fēng)險(xiǎn);第三，環(huán)境激勵(lì)要存在一定寬度，這樣才能對頻帶進(jìn)行激勵(lì)。

3.4實(shí)驗(yàn)裝置和測試

經(jīng)過Matlab中的getdata函數(shù)收集橋的相應(yīng)數(shù)據(jù)，matlab函數(shù)顯示如下：[V，t，f s，range]=ge tdata （fS，meastime，channels，range） ：在取得相關(guān)數(shù)據(jù)后，要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而判斷其合理性，因此使用函數(shù)maketime生產(chǎn)一個(gè)時(shí)間向量，通過plot函數(shù)來繪制信號圖（如圖2所示）。

事實(shí)上在這次測量當(dāng)中，本來有5臺(tái)壓電式加速度計(jì)，但由于各種原因，其中有兩臺(tái)加速設(shè)備被損壞，后來想要一臺(tái)小壓電式加速度計(jì)來替換，但并未成功，歸根究底是在進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)模型分析時(shí)，對設(shè)備靈敏度要求較高，這同樣是環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的缺陷。

3.5數(shù)據(jù)分析

在最初分析以上數(shù)據(jù)后，可計(jì)算出所關(guān)心的頻率范圍在7-16hz以內(nèi)，所有模式都可在參考點(diǎn)8找到，因此，將其作為主要參考點(diǎn)是最好的選擇。首先，要使用與仿真部分相似方法，來判斷出交互相互性函數(shù)和自相關(guān)性函數(shù)。對每個(gè)裝置而言，都需要計(jì)算出垂直方向上所有響應(yīng)和8號點(diǎn)響應(yīng)之間的關(guān)系。而從以上兩種函數(shù)可評估出橋梁阻尼率和固有頻率。而對于統(tǒng)一參考點(diǎn)不同裝置的函數(shù)而言，可將其構(gòu)成一個(gè)全新模型，這個(gè)模型能對阻尼和頻率進(jìn)行全面計(jì)算。除此之外，穩(wěn)態(tài)圖是用來顯示極點(diǎn)穩(wěn)定性，交叉譜密度和功能則可根據(jù)段基和離散傅立葉變換的平均值來進(jìn)行技術(shù)。

3.6用峰值法來計(jì)算模態(tài)參數(shù)

將測量加速度作為被隨機(jī)腳踏小橋的振動(dòng)數(shù)據(jù)響應(yīng)。通過利用上述getdata函數(shù)收集到橋的響應(yīng)數(shù)據(jù)為：[V，t，fs，range]=getdata（fs，meastime，channels，range）;這里共有10組數(shù)據(jù)，將每個(gè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)以組為單位分別存儲(chǔ)到calck到calc10之中，每個(gè)機(jī)構(gòu)報(bào)告三個(gè)頻道的振動(dòng)數(shù)據(jù)，參考點(diǎn)8就是其中之一。例如：循環(huán)數(shù)據(jù)包含V2，V1和V8，V1和V2代表點(diǎn)2和點(diǎn)1的加速度相應(yīng)數(shù)據(jù)，V8是參考點(diǎn)8的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，這樣依次列推，直到將calc10全部測量點(diǎn)保存。但值得注意的是，在保存加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)前，一定要檢查其是否能被用于數(shù)據(jù)分析，這樣才能使用Matlab函數(shù)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行繪圖，從而將第一次測量作為例子。

4橋梁實(shí)際檢測的有關(guān)問題

4.1測量誤差對損傷診斷的影響

在結(jié)構(gòu)模態(tài)測量之中中，會(huì)出現(xiàn)各種測量噪音，給模態(tài)識別結(jié)構(gòu)帶來較大偏差，而上述所有分析都是以正確的模態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，即是利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方式，來得到結(jié)構(gòu)損失前后最真實(shí)情況，再利用模態(tài)測試技術(shù)與其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)特征，來判定測量會(huì)受到哪些方面的影響，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電磁干擾、環(huán)境影響、操作人員等方面影響，從而給真實(shí)情況和測量結(jié)果產(chǎn)生不同偏差值，甚至?xí)诮Y(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)一定損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)產(chǎn)生變化，以至于在利用原有的損傷診斷方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷評估時(shí)，所得數(shù)據(jù)和結(jié)論正確率不高。

4.2實(shí)測波形的失真和校正

4.2.1波形失真的原因

在我國有很多橋梁出現(xiàn)構(gòu)件破損的現(xiàn)象，這樣的破損會(huì)直接導(dǎo)致橋梁承載能力大大減弱，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。為確保橋梁安全性，需要對橋梁構(gòu)件力實(shí)行試驗(yàn)，檢測出橋梁的破壞對橋梁承載力的影響程度，如果出現(xiàn)嚴(yán)重影響承載力現(xiàn)象出現(xiàn)，就要及時(shí)對橋梁構(gòu)件實(shí)施加固，保證車輛的正常運(yùn)輸，減少事故發(fā)生概率。而導(dǎo)致橋梁測試波形失真的原因趨于多樣化，如隨機(jī)因素、可確定因素、隨機(jī)因素和可確定因素共同干擾。可確定因素通常包括：測試儀器的相頻特性;測試儀器的幅頻特性;橋梁力學(xué)特性與測試儀之間的相互關(guān)系;測試儀器的初動(dòng)特性等。隨機(jī)因素有：測試中參數(shù)設(shè)計(jì)的更改、儀器本身漂移和噪音、儀器受外界環(huán)境的干擾等。

4.2.2波形失真的校正

相對其他類型工程來說，橋梁工程的建設(shè)過程中，對于投資以及工程質(zhì)量問題要求較高，并且在進(jìn)行橋梁建設(shè)的時(shí)間相比其他工程過長，因此對于橋梁的檢測工作就變得尤為重要。而這種由因素引發(fā)的波形失真校正工作，一般是采用傅里葉變換理論，對測試波形進(jìn)行頻譜分析，細(xì)化出各個(gè)部分頻率分量，將屬于干擾頻率分量刪除，再將實(shí)測波形細(xì)化成幾個(gè)分量波形，根據(jù)儀器頻率響應(yīng)特征對相位和福值進(jìn)行調(diào)整，最后實(shí)施傅里葉逆變換，將校正后的分離結(jié)合成最接近真實(shí)的波形。

5 總結(jié)

綜上所述，公路橋梁在發(fā)展過程中，更好推動(dòng)了我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，為了我國公路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)重視橋梁的荷載檢驗(yàn)工作，嚴(yán)格要求自己，才能保證公路橋梁在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)揮其應(yīng)有功效，保證交通運(yùn)輸業(yè)正常運(yùn)行。由于橋梁結(jié)構(gòu)完全是按照力學(xué)原理為基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，并未具有智能化和生命化，無法及時(shí)預(yù)測自然災(zāi)害的作用，無法采取適合措施來保障自身安全。因此，企業(yè)要提高對橋梁健康檢測手段的認(rèn)知程度，認(rèn)識到環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析法對橋梁的重要性，以及環(huán)境振動(dòng)模態(tài)的應(yīng)用方法，這樣才能確保能獲得橋梁真實(shí)的健康情況，為提高橋梁安全性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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