振動(dòng)測試是橋梁結構動(dòng)載試驗的常用的方法，振動(dòng)測試涉及到結構動(dòng)力學(xué)、模態(tài)識別、現場(chǎng)測試等技術(shù)，因此振動(dòng)測試項目是檢測人員感覺(jué)比較難以掌握的技術(shù)。振動(dòng)測試也是對橋梁模態(tài)識別的基礎，模態(tài)識別就是根據橋梁的振動(dòng)測試數據利用模式別的各種方法對橋梁結構的模態(tài)參數進(jìn)行識別。而橋梁結構的模態(tài)參數反映了了橋梁結構的自身的振動(dòng)特性，是評價(jià)橋梁結構性能的重要依據，有時(shí)可以利用模態(tài)參數如自振頻率、阻尼比、振型、模態(tài)曲率等動(dòng)力參數對橋梁結構的損傷進(jìn)行評估。而模態(tài)參數的識別的準確除與模態(tài)識別的方法有關(guān)外，如橋梁模態(tài)識別的方法有很多，對于具體的橋梁應選擇合適的模態(tài)識別方法。此外現場(chǎng)振動(dòng)測試數據的質(zhì)量對于橋梁模態(tài)識別至關(guān)重要。

       鑒于振動(dòng)測試對橋梁結構的評估以及在模態(tài)識別中作用，本文從現場(chǎng)振動(dòng)測試數據的可用于模態(tài)識別的有效信息對橋梁振動(dòng)測試進(jìn)行分類(lèi)，并簡(jiǎn)單進(jìn)行介紹。

一、振動(dòng)測試數據的信息

       利用橋梁結構的測試振動(dòng)數據，以及如何從中振動(dòng)數據中有效識別出結構的模態(tài)特性，其關(guān)鍵在于現場(chǎng)測試測試期間輸入的可用信息激勵。從這個(gè)角度來(lái)看，通?，F場(chǎng)測試的振動(dòng)數據可以看作有四部分組成：1）未知初始條件的自由振動(dòng)的測量振動(dòng)數據；2）已知激勵產(chǎn)生的強迫振動(dòng)；3）來(lái)自未知激勵的強迫振動(dòng)；4）未知的測量噪聲。

       振動(dòng)數據的前三項取決于模態(tài)特性，因此包含了用于識別模態(tài)特性信息。但是利用這些數據將直接轉化為一種模式識別方法并非一件容易的事情，主要是振動(dòng)數據的前三項分別對模態(tài)特性有不同的敏感性。因此它們有時(shí)需要可能借助于其他未知特性進(jìn)行一起識別。

       對于已知激勵產(chǎn)生的強迫振動(dòng)，可以通過(guò)模態(tài)特性和已知的激勵完全確定。除了模態(tài)特性之外，對于“未知初始條件的自由振動(dòng)的測量振動(dòng)數據”，由于振動(dòng)數據取決于初始條件（即結構位移和速度），而這些初始條件通常是未知的。對于第三項“來(lái)自未知激勵的強迫振動(dòng)”，如果未知激勵完全是任意的，那么產(chǎn)生的強迫振動(dòng)響應將可能因未知量太多而無(wú)法識別。如果未知激勵具有一些統計特性，那么由此產(chǎn)生的強迫振動(dòng)響應則可以用統計學(xué)來(lái)描述。只要振動(dòng)測試數據采用統計學(xué)的假設較為合理，雖然理論上要復雜得多，但此類(lèi)信息可以用于模態(tài)識別。而最后一項是未知的測量噪聲，考慮到測量噪聲(最后一項),在方法開(kāi)發(fā)中不會(huì )產(chǎn)生太多效應。因此，通過(guò)對采集、數據后處理等階段采用合理有效的去噪方法來(lái)進(jìn)行解決，以降低其對模態(tài)識別的影響。

       根據振動(dòng)測試數據所包含的信息內容，在進(jìn)行橋梁結構模態(tài)測試時(shí)主要考慮前三項中只有一項占優(yōu)勢的特殊情況。對于橋梁結構振動(dòng)測試數據的前兩項“未知初始條件的自由振動(dòng)的測量振動(dòng)數據”和“已知激勵產(chǎn)生的強迫振動(dòng)”，分別設計每一項占優(yōu)的特有場(chǎng)景，其對應的橋梁結構振動(dòng)測試分別為“自由振動(dòng)測試”和 “強制振動(dòng)測試”。然后由于橋梁結構的特殊性，很難設計出前兩種或需要花費大量的人力物力，因此橋梁中進(jìn)行模態(tài)測試常用的方法是“環(huán)境振動(dòng)測試”。這種方法是在自然脈動(dòng)的場(chǎng)景下，未知的自然脈動(dòng)激勵占主導地位，假定振動(dòng)數據具有合理易處理和合理的統計數據屬性，這就是“環(huán)境振動(dòng)測試”。

二、振動(dòng)測試方法

1、自由振動(dòng)測試

       在自由振動(dòng)試驗中，一些小型結構最初是通過(guò)一些人工手段讓結構自己振動(dòng)。在自由振動(dòng)期間的響應時(shí)程記錄中選定位置測量振動(dòng)并用于模態(tài)識別。為了利用自由振動(dòng)試驗的優(yōu)勢，初始激勵應足夠大以至產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應明顯大于由其它形式的 (如脈動(dòng)環(huán)境)激勵引起的響應。如對于小跨人行天橋可以由人的跳躍引起的接近共振的人行橋的第一階豎向模態(tài)。這對于大型結構當然是不可行的。例如由于一些參與者推著(zhù)墻(甚至在固有頻率)在測量中不太可能被測試出，因為這是由環(huán)境振動(dòng)主導的數據。對于橋梁振動(dòng)測試常采用突然加載法或突然卸載法，使橋梁產(chǎn)生自由振動(dòng)。

突然加載法：在被測結構上急速施加一個(gè)沖擊作用力?，F場(chǎng)測試中，采用試驗車(chē)輛的后輪從三角墊塊上突然下落對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)跳車(chē)試驗；當測試某一構件(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：在結構上預先施加一個(gè)荷載作用，使結構產(chǎn)生一個(gè)初位移，然后突然卸去荷載，利用結構的彈性使其產(chǎn)生自由振動(dòng)。為卸落荷載，可通過(guò)自動(dòng)脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時(shí)也專(zhuān)門(mén)設計斷裂裝置，即當預施加力達到一定數值時(shí)，在繩索中間的斷裂裝置便突然斷裂，由此激發(fā)結構的振動(dòng)。

2、強迫振動(dòng)測試

       在強迫振動(dòng)試驗中，結構采用某種人工方法進(jìn)行激勵，例如搖動(dòng)器或大錘。除了測試振動(dòng)響應之外，施加到結構上的力也應被測量，這就是所說(shuō)的“已知輸入”。測試的力(輸入)和響應(輸出)時(shí)程曲線(xiàn)一起用于模態(tài)識別。為了利用強迫振動(dòng)試驗，由已知力產(chǎn)生響應同來(lái)自其它未知激勵的響應相比應占主導地位。

       當適當地施加足夠的激勵功率時(shí)，強迫振動(dòng)測試對模態(tài)特性的識別可以獲得良好的精度和期望振動(dòng)水平，對于小型結構來(lái)說(shuō)這種方法可以適用。但對于大型橋梁結構而言，采用已知激勵力的強迫振動(dòng)測試方法費用比較昂貴。因此對于橋梁采用強迫振動(dòng)試驗的費用可能很高，因此從成本的角度強迫振動(dòng)測試增加了管理費用或限制了這種方法的使用。對于大型橋梁為準確對橋梁結構的模態(tài)，國內曾對錢(qián)塘江大橋采用采用小型火箭進(jìn)行激勵，該測試屬于強迫振動(dòng)測試。用于錢(qián)塘江大橋模態(tài)實(shí)驗的火箭被命名為“東方一號”，整體結構及測力系統由應懷樵教授設計，推進(jìn)劑及點(diǎn)火系統由北京理工大學(xué)飛行器系設計。

       錢(qián)塘江大橋是鐵路和公路兩用雙層鋼結構大橋，全長(cháng)13221m由北向南共有23跨。第6至第21跨構為主橋部分，跨徑均為65.84m的下承桁梁鐵路橋與上層公路橋的高度差為10.67米，火箭激勵試驗選在正橋的第2跨，本跨鐵路鋼梁重280噸加上公路橋面和附屬結構總重量超過(guò)600噸。試驗于1988年9月16日夜間進(jìn)行，利用火車(chē)經(jīng)過(guò)間隙發(fā)射火箭，歷時(shí)10個(gè)小時(shí)，共發(fā)射了14枚小型火箭，每枚火箭產(chǎn)生大小為1噸持續時(shí)間為100毫秒的方波形狀的推力，分為垂直激勵和水平激勵兩種方式。垂直激勵點(diǎn)選在跨中，水平激勵點(diǎn)選在四分之一跨的位置。

3、環(huán)境振動(dòng)測試

       如果在振動(dòng)測試中沒(méi)有測量激勵，且激勵不符合測試的假定時(shí)，則通常不能僅根據測試的振動(dòng)響應來(lái)確定模態(tài)特性。這是因為振動(dòng)響應數據中包含了結構和激勵兩種數據的動(dòng)態(tài)特性。如果激勵符合“統計特性”的假定，通常假定激勵是“寬帶隨機”的，這在物理上是合理的，并且能給出合理的結果。通過(guò)振動(dòng)測試數據可以所識別的結構模態(tài)屬性特性。

       利用被測橋梁結構所處環(huán)境的微小而不規則的振動(dòng)來(lái)確定結構動(dòng)力特性的方法。這種微振動(dòng)通常稱(chēng)之為“地脈動(dòng)”，它是由附近地殼的微小破裂和遠處地震傳來(lái)的脈動(dòng)、橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微小振動(dòng)響應。

       脈動(dòng)法是橋梁結構模態(tài)測試中最常用的測試方法，屬于模態(tài)試驗中基于響應數據的模態(tài)分析（OMA）方法。模態(tài)分析（OMA）方法有很多，隨機子空間法是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 )影響識別的精度。

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