中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
振動測試應(yīng)用于各行各業(yè)，其中橋梁結(jié)構(gòu)的振動測試是橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要組成部分，相對于橋梁靜載試驗(yàn)的測試，其難度相對較大，下面中交路橋科技就從振動測試的概念、方法進(jìn)行總結(jié)，希望會對檢測人員有所幫助。
橋梁振動的因素
汽車發(fā)動機(jī)的抖動、路面不平滑、人群荷載、風(fēng)荷載、地震等。車輛數(shù)量增多、載重量增大、速度增高等加劇了橋梁的振動。大跨度、超大跨度的橋梁，地震、風(fēng)荷載往往是控制因素。因此，車輛振動和其它動力荷載己經(jīng)成為橋梁設(shè)計(jì)、施工、管理、養(yǎng)護(hù)、維修等方面的重要因素之一。
橋梁結(jié)構(gòu)的振動問題多采用理論分析和現(xiàn)場測試相結(jié)合的研究方法，因此，振動測試是解決工程結(jié)構(gòu)的重要手段。
橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)測試
一、橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)
利用某種激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，測定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數(shù)、動力響應(yīng)(加速度、動撓度)等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而宏觀判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、運(yùn)營性能。
橋梁結(jié)構(gòu)的動載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)的目的、測試內(nèi)容等方面有所不同，但對于全面分析掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能是同等重要。
一般采用現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)測試，有時也可采用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動載試驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn))，如風(fēng)洞試驗(yàn)(大跨度橋梁的風(fēng)致振動試驗(yàn))、模擬地震振動臺(橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)試驗(yàn))等。
1、動載試驗(yàn)的目的
根據(jù)動載試驗(yàn)的目的，動載試驗(yàn)主要是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性測試、強(qiáng)迫振動響應(yīng)的測試以及動荷載的動力特性測試。對于一般的橋梁結(jié)構(gòu)主要是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)動力特性以及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測試。
結(jié)構(gòu)動力特性：自振頻率、阻尼特性、振型。
強(qiáng)迫振動響應(yīng)：振幅、動應(yīng)力、加速度等。
動荷載的動力特性：測定引起結(jié)構(gòu)振動作用力的大小、方向、頻率與作用規(guī)律等。
2、動態(tài)測試系統(tǒng)
動態(tài)測試系統(tǒng)主要包括拾振器、信號放大器、信號采集儀和振動測試分析系統(tǒng)4個部分組成。拾振器將橋梁振動的振動信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)過信號放大器將信號放大后傳輸至信號采集儀。信號采集儀將放大后的模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。通過信號采集儀和現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)對采樣參數(shù)進(jìn)行采集控制?，F(xiàn)場采集的各種橋梁動態(tài)數(shù)據(jù)通過動態(tài)測試分析和模態(tài)分析軟件對橋梁振動測試分析和橋梁的振動模態(tài)進(jìn)行分析。
二、動態(tài)測試信號
橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗(yàn)中，隨時間變化的物理量一般稱為信號，如撓度、應(yīng)變、振幅、加速度等。
動載試驗(yàn)信號比較復(fù)雜，表現(xiàn)為：
振源和結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)都是隨時間而變化的，是隨機(jī)的、不確定的。
橋梁結(jié)構(gòu)自由度多、車輛和橋梁相耦合振動，其動力特性就更為復(fù)雜。
干擾信號多且沒有規(guī)律。
1、動態(tài)信號的時域描述
信號的幅值隨時間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為信號的時域描述。如加速度時程曲線、位移時程曲線等。信號的時域描述比較簡單、直觀，通過多個測點(diǎn)的時程曲線，可以分析出結(jié)構(gòu)的振幅、振型、阻尼特性、動力沖擊系數(shù)等參量，但不能明確揭示信號的頻率成分和振動系統(tǒng)的傳遞特性。
2、動態(tài)測試信號的頻域描述
對信號進(jìn)行頻譜分析，研究其頻率結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的幅值大小，即采用頻域描述。需將時域信號通過快速傅立葉變換變?yōu)轭l域信號，從而確定結(jié)構(gòu)的頻率和頻率分布特性。
三、橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)測試
橋梁結(jié)構(gòu)振動測試傳感器的布置應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式而定，按照理論計(jì)算得出的振型大致形狀，在變位較大的部位布置傳感器，以測得橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)。
橋梁振動測試的按照激振方法分為自振法、強(qiáng)迫振動法、脈動法。
振動測試方法選用時應(yīng)根據(jù)橋梁的類型和剛度進(jìn)行選擇，以簡單易行、便于測試為原則。通常，多將上述一種或兩種方法結(jié)合起來，以便全面把握橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。
1、自振法
使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動，記錄到的振動圖形為橋梁的衰減振動曲線。一般常用突然加載和突然卸載兩種方法。
?。?）突然加載法
在被測結(jié)構(gòu)上急速施加一個沖擊作用力?，F(xiàn)場測試中，采用試驗(yàn)車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，簡稱跳車試驗(yàn)；當(dāng)測試某一構(gòu)件(如拉索)的振動時，常采用橡皮錘敲擊的方法產(chǎn)生沖擊作用。
（2）突然卸載法
在結(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動。為卸落荷載，可通過自動脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時也專門設(shè)計(jì)斷裂裝置，即當(dāng)預(yù)施加力達(dá)到一定數(shù)值時，在繩索中間的斷裂裝置便突然斷裂，由此激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動。
2、強(qiáng)迫振動法
強(qiáng)迫振動法是利用專門的激振裝置，對橋梁結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，借助于共振來確定結(jié)構(gòu)的動力特性。對于原型橋梁結(jié)構(gòu)，常常采用試驗(yàn)車輛以不同的行駛速度通過橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動，簡稱“跑車試驗(yàn)”。在試驗(yàn)時，常采用1輛試驗(yàn)車輛以20、30、40、50km/h的速度進(jìn)行跑車試驗(yàn)。
3、脈動法
利用被測橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動來確定結(jié)構(gòu)動力特性的方法。這種微振動通常稱之為“地脈動”，它是由附近地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處地震傳來的脈動、橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)。
結(jié)構(gòu)脈動測試的重要特性：明顯反映結(jié)構(gòu)的固有頻率。
脈動法是橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測試中最常用的測試方法，屬于模態(tài)試驗(yàn)中基于響應(yīng)數(shù)據(jù)的模態(tài)分析（OMA）方法。隨機(jī)子空間法是OMA中最精確的方法，整體擬合法，擬合時同時考慮多點(diǎn)的輸出波形，當(dāng)模態(tài)比較密集時，即使模態(tài)頻率比較接近，也不會影響識別的精度。
四、脈動法進(jìn)行橋梁模態(tài)測試的實(shí)例
1、橋梁概況
采用模態(tài)測試的橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，采用剛性系梁剛性拱結(jié)構(gòu)形式，拱肋拱軸線采用懸鏈線，中間設(shè)一榀鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為桁架式。拱肋由4根鋼管組成。橋梁共設(shè)17對吊桿，系梁采用單箱三室的箱型截面。
2、振動測點(diǎn)布置
根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及有限元模態(tài)分析的前10階頻率范圍，確定本橋模態(tài)測試中主要布設(shè)豎向振動測點(diǎn)和水平振動測點(diǎn)兩類加速度傳感器。橋梁豎向振型或扭轉(zhuǎn)振型的測試共布設(shè)29個豎向加速度傳感器測點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2~8、節(jié)點(diǎn)11~17，節(jié)點(diǎn)20~26，節(jié)點(diǎn)28~34共布設(shè)28個測點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)10處布設(shè)1個參考點(diǎn)。橋梁水平振動測試13個水平加速度傳感器測點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)8~14布設(shè)7個橋面水平測點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)22~26布設(shè)5個拱上水平測點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)8位置附近布設(shè)1個參考點(diǎn)。
