3-桥梁结构动力试验

结构自振特性：自振频率、阻尼比、振型等模态参数测试结构动力响应：动荷载作用下动位移、动应力、振动加速度、冲击系数等测试分析振源分析：测定分析振源的频率和荷载特性振源（输入）结构（系统）结构响应（输出）第三部分桥梁结构动力试验3.1概述一、动力试验主要内容自振频率：结构刚度评价，整体运行状态把握阻尼：影响结构振动形态。阻尼越小结构共振放大倍数越大振型：结构整体性能评价，计算模型合理性验证动位移、动应力、振动加速度：动力响应幅值分析冲击系数：行车冲击效应评价（涉及安全储备）现行规范无明文规定，在以下情形之一时，应安排进行动载试验大跨、高墩、斜拉桥和悬索桥存在异常振动的桥梁仅依据静载试验不能系统评价结构性能时业主有委托要求时二、何时进行实桥动力试验三、主要测试参数磁电式速度计配套电压放大器压电式加速度计配套电荷放大器ICP型加速度计配套电压放大器应变式加速度计配套动态应变仪伺服式加速度计配套伺服放大器应变片动位移计（应变式为主）桥梁光电动挠度计四、主要测试设备3.2激励方法自振特性：结构本身所固有，与外荷载无关，包括自振频率、阻尼比、振型等参数,由结构体系、质量分布、结构刚度等决定自振频率阻尼：耗散振动能量的一种物理作用，阻尼大小决定振动衰减快慢，合适阻尼对抑制振动有利。阻尼越小，共振时放大倍数越大振型：对应某阶模态频率的结构自由振动形态，描述结构空间位置的振幅比例和相位关系。系统有n个自由度，就有n个振型采用适宜激励方法，使结构处于振动状态测定自振特性和行车动力响应一、结构自振特性测定某简支梁桥跨中实测行车余振信号跨越障碍可获得较高信噪比余振信号1、自由振动激励法行车余振利用车辆驶离桥面后的余振(自振)识别参数，对刚度和阻尼较小桥梁效果较好为获取尽可能大自振信号，可提高车速，或在特征截面跨越障碍激励跳车法（常用）车辆后轮或前轮从三角垫木上突然下落，激起桥梁竖向振动车辆自重使系统质量发生变化，必要时应加以修正对刚度较小桥梁，可采用枕木等重物冲击反冲击激励：利用火箭反射时对结构瞬间反冲力激励结构振动激励部位：待测振型的峰值位置（附近）跳车激励的典型自振信号跳车三角木-12.0%-10.0%-8.0%-6.0%-4.0%-2.0%0.0%131416192024252628293031333435373940跨径(m)相对误差车辆自重对简支梁桥自振频率测试结果影响-1.5-1.0-0.50.00.51.01.50.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0-1.0-0.50.00.51.01.50.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0阻尼比D=0.08阻尼比D=0.008思考：要激起该桥前4阶振型，在中跨跨中激励可行否？有其他更好的激励方案吗？f1=0.616Hzf2=1.062f4=1.822f3=1.303连续刚构桥竖向振型（132＋230＋132m）2、共振激励法（强迫振动法）该方法识别阻尼较为有效，日本应用较多3、脉动法也称环境随机振动法或不测力法在无交通荷载及桥址附近无稳定振源时，测定由风荷载、地脉动等随机激励而引起的桥梁微幅振动，进行模态参数参数设别是目前桥梁振型识别较有效方法，应用广泛需大量样本数据，采集一般不少于15分钟，跨径越大，所需时间越长一、结构自振特性测定4、桥梁现场自振特性测定几种常用激励方法适用性比较跳车试验激励能量大，适用刚度较大桥梁要识别不同模态振型频率，应考虑在不同位置激励时域法阻尼识别是较为可靠的方法车辆自重的影响应扣除（40m以上跨径可忽略）跑车余振法跨越障碍物高速跑车余振效果较好（障碍物应处于何位置？）对刚度和阻尼较小桥梁效果较好有时不能激起全部的低阶模态振型对频率和阻尼（时域法）识别均有较好效果脉动法适用面广，但对小跨径、刚度大的桥梁效果不够理想对仪器灵敏度要求高,需要长样本对识别自振频率较为有效，对阻尼的直接识别效果差动力响应：动荷载下结构强迫振动的动位移、动应力、振动加速度、冲击系数等响应，实桥采用与运行车辆相近的车辆激励3.2激励方法二、结构动力响应测定1、无障碍行车一定数量车辆并排匀速行驶。动力荷载效率尽量取高值，不超过1。安全有保证时，应每车道布置1辆试验车根据设计车速、路幅宽度、线形、路况等确定车速(5~60km/h)，期间车速宜均匀分布车辆驶入桥跨后保持车速恒定，横向同步为减少试验随机性，每车速工况应进行2~3次重复试验t1t2利用特征部位起止时间计算车速：V=L/（t2-t1）二、结构动力响应测定2、有障碍行车在特征部位设置障碍物（如弓型木板），用1~2台加载车并排匀速越过障碍激励，模拟桥面不平整的冲击作用车速一般取10~20km/h避免过高车速或过高障碍物对结构的损伤3、刹车试验了解桥梁承受活载水平力作用性能以一定数量加载车并排匀速行驶，在特征部位紧急制动车速一般采用30∽40km/h在能激起较大竖向、纵向振动部位刹车，梁桥跨中，拱桥拱顶及1/4弓型木板二、结构动力响应测定前几阶低阶模态参数具有实际工程意义简单试验(自振频率、阻尼)：布置在振型峰值附近，如拱桥L/4、拱顶振型识别：竖向弯曲，沿纵向均匀布置，数量足够扭振特性和横向振型可将结构分成几个单元，参考点固定(避开振型节点)，将几个单元数据通过参考点关联，拟合得到全结构振型图3.3测点布置145m+260m+260m+145m连续刚构桥弯曲振型测点布置一、自振特性测定可选静载试验相同桥跨，在桥跨形式、受力等方面具代表性截面应为全桥活载响应最大部位，如简支桥跨中，拱桥拱顶、L/4动挠度：每截面宜布置2~3个动应变：每截面不宜少于3个加速度：每截面1~2个所有仪器幅频特性满足要求27m简支箱梁动力试验跨中测点布置3.3测点布置二、结构动力响应测定被测信号特征：超低频、小信号、环境干扰大有足够灵敏度和分辨力，小应变动测优选灵敏度高、抗干挠好、信噪比高的仪器，如工具式应变计特别关注下限频率能否满足要求，跨径越大要求越高。要充分了解不同桥型自振、强迫振动的主要频率成份系统配套：进行仪器系统标定，振型测试要保证各通道相位特性一致，用相同规格传感器采集分析系统：功能满足动力试验特殊要求，硬件性能侧重考虑低频特性、抗干扰能力、稳定性及信噪比等3.4量测方法一、仪器选用稳定性检查：空载下，动应变、动挠度在预定采集时间内的漂移不宜超过预计值幅值的5%动挠度、动应变分辨率应不超过最大实测幅值的1%采取措施，避免电磁场、对讲机、手机等的影响和干扰根据测试结果，判断结构是否正常，是否应需终止试验幅值异常或突变、零点严重偏离、噪声过大，排除故障后重新试验及时记录荷载及测试参数等完整信息环境激振法识别模态参数时，严格限制行人和车辆通行传感器须与结构良好接触，无相对振动二、量测注意事项和质量控制有足够样本数据，自振频谱分析的频率分辨率不宜超过实测值的1%信号同时用于时域和频域分析，采样频率fs≥25fmax；信号只用于频域分析，采样频率fs≥（3~4）fmax。fmax为最高有用信号频率合理选择滤波器类型和截止频率，不得抑制有用频率成分加速度、速度、动挠度测试，宜直接测试所需物理量，不宜通过微积分数学运算换算掌握采样频率、频率分辨率、分析频率（带宽）、数据块等概念和参数设置方法加强实测动应变、动挠度幅值与静载试验结果的关联定量分析二、量测注意事项和质量控制-6-4-2024601234-6-4-2024601234-6-4-2024601234-6-4-2024601234案例：采样频率fS设置对时域信号采集质量影响信号频率3.0Hz，幅值5.0实际被采集信号采集信号1:fS=3Hz采集信号2:fS=20Hz采集信号3:fS=100Hz信号用于时域分析，要求采样频率fs≥25fmax分析参数对频率分辨率的影响分析带宽：195Hz数据量：512点谱线数：200频率分辨率:0.98Hz计算频率：4.60Hz时域信号分析带宽：195Hz数据量：8192点谱线数：3200频率分辨率:0.06Hz计算频率：4.60Hz时域信号3.5相关问题探讨1、时域波形分析采样频率设置合理，fs25f自振须是单一频率成分滤波器选频采用多周期平均处理2、频谱分析参照计算振型判别，避免将随机(干扰)信号误判为自振频率取多次试验、不同方法的均值样本数据中不得包含强迫振动频率成分频率分辨率不宜低于1%f自振单一频率自振信号多阶自振叠加原始信号滤波后的一阶自振信号某连续梁桥多阶叠加自振信号分离一、自振频率分析振动加速度动应变余振起点跑车激励余振起始点确定二、阻尼分析1、时域图形分析振动方程：阻尼随机性大，取多次试验均值样本须是单一频率成分取多个周期进行计算，并避免值流分量影响，本算例:阻尼计算图例)2sin()(0fteytyt。0164.0)479.0(512.0)901.0(935.0ln121ln21''niniiiAAAAnD多阶自振叠加原始信号滤波后的一阶自振信号某连续梁桥多阶叠加自振信号分离2、半功率点法（半功率带宽法）在自振谱图上直接求取阻尼频率分辨率△f应小于1%f自振信号质量要求高，谨慎应用3、软件自动识别半功率点法阻尼分析三、关于自振频率、阻尼识别的几点经验和体会1、自振频率识别鉴于结构振动复杂性，应采用多种激励方法、多次试验结果来识别自振频率，激励部位应在拟识别的振型峰值附近（可分部位多次激励）自振频率是结构所固有的参数，多次试验具有稳定性；随机出现或频率值波动较大的频率点应加以排除（50Hz工频干扰时例外）自振频率是刚度评价有效工具，提高频率分辨率对刚度评价至关重要时域分析时，务必先判明信号是否为单一频率，否则应先滤波处理挠度计算实测计算实测1)(2KKff多阶自振叠加原始信号滤波后的一阶自振信号某连续梁桥多阶叠加自振信号分离三、关于自振频率、阻尼识别的几点经验和体会1、自振频率识别自振频率设别宜结合计算振型进行识别，避免盲目性，但也应避免按计算振型“凑数据”频率识别时应注意关联分析各部位所得的自振频率谱线高度和相位关系应与计算振型基本相符多次试验结果具有稳定性随机出现或频率值波动较大的频率点应加以排除简支结构给出一阶频率即可，其他桥型应给出多阶低阶频率(3-5阶)进一步熟悉和掌握振动测试、动态信号处理、频谱分析、结构振型的相关概念2、自振频率识别案例分析试验对象：130m＋230m+130m预应力混凝土连续刚构一阶竖向弯曲振型(f1=0.788Hz)二阶竖向弯曲振型(f2=1.309Hz)三阶竖向弯曲振型(f3=1.415Hz)中跨跨中实测频谱图中跨L/4截面实测频谱图3、自振频率识别案例分析试验对象：150m混凝土箱型拱桥L/2截面频谱图实测L/4截面频谱图实测一阶竖向弯曲振型(f1=0.881Hz)二阶竖向弯曲振型(f2=1.679Hz)4、阻尼参数设别实测阻尼受信号质量、激励方法影响较大，具有较大随机性，应取不同试验方法、多次试验结果的均值跳车、跑车余振时域分析识别阻尼的精度相对较高采用振型分析软件，自振频率识别精度较高，阻尼识别受算法的影响，精度也不一定理想用实测频谱图，采用半功率点法计算阻尼，务必要保证足够的频率分辨率（0.5%~1%f实测为宜），否则会导致较大的插值误差相关验证表明，信号质量有保证时，采用半功率点法计算阻尼有足够的可靠性脉动谱一般不宜用于阻尼计算三、关于自振频率、阻尼识别的几点经验和体会样本长度：32768点（65.54秒）样本长度：4096点（8.19秒）谱线数：12800频率分辨率:0.015Hz谱线数：1600频率分辨率:0.122Hz阻尼识别精度差半功率点法阻尼分析阻尼比：阻尼计算精度取决与半功率点频率值的精确定位012012022fffD影响数据质量