振動(dòng)測(cè)試是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)的常用的方法，振動(dòng)測(cè)試涉及到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、模態(tài)識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等技術(shù)，因此振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目是檢測(cè)人員感覺比較難以掌握的技術(shù)。振動(dòng)測(cè)試也是對(duì)橋梁模態(tài)識(shí)別的基礎(chǔ)，模態(tài)識(shí)別就是根據(jù)橋梁的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)利用模式別的各種方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。而橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)反映了了橋梁結(jié)構(gòu)的自身的振動(dòng)特性，是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)性能的重要依據(jù)，有時(shí)可以利用模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比、振型、模態(tài)曲率等動(dòng)力參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行評(píng)估。而模態(tài)參數(shù)的識(shí)別的準(zhǔn)確除與模態(tài)識(shí)別的方法有關(guān)外，如橋梁模態(tài)識(shí)別的方法有很多，對(duì)于具體的橋梁應(yīng)選擇合適的模態(tài)識(shí)別方法。此外現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)于橋梁模態(tài)識(shí)別至關(guān)重要。

       鑒于振動(dòng)測(cè)試對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估以及在模態(tài)識(shí)別中作用，本文從現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的可用于模態(tài)識(shí)別的有效信息對(duì)橋梁振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行分類，并簡(jiǎn)單進(jìn)行介紹。

一、振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的信息

       利用橋梁結(jié)構(gòu)的測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)，以及如何從中振動(dòng)數(shù)據(jù)中有效識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，其關(guān)鍵在于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)試期間輸入的可用信息激勵(lì)。從這個(gè)角度來看，通常現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的振動(dòng)數(shù)據(jù)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(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)；2）已知激勵(lì)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)；3）來自未知激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)；4）未知的測(cè)量噪聲。

       振動(dòng)數(shù)據(jù)的前三項(xiàng)取決于模態(tài)特性，因此包含了用于識(shí)別模態(tài)特性信息。但是利用這些數(shù)據(jù)將直接轉(zhuǎn)化為一種模式識(shí)別方法并非一件容易的事情，主要是振動(dòng)數(shù)據(jù)的前三項(xiàng)分別對(duì)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(shí)別。

       對(duì)于已知激勵(lì)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，可以通過模態(tài)特性和已知的激勵(lì)完全確定。除了模態(tài)特性之外，對(duì)于“未知初始條件的自由振動(dòng)的測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)”，由于振動(dòng)數(shù)據(jù)取決于初始條件（即結(jié)構(gòu)位移和速度），而這些初始條件通常是未知的。對(duì)于第三項(xiàng)“來自未知激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)”，如果未知激勵(lì)完全是任意的，那么產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)將可能因未知量太多而無法識(shí)別。如果未知激勵(lì)具有一些統(tǒng)計(jì)特性，那么由此產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)則可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)來描述。只要振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的假設(shè)較為合理，雖然理論上要復(fù)雜得多，但此類信息可以用于模態(tài)識(shí)別。而最后一項(xiàng)是未知的測(cè)量噪聲，考慮到測(cè)量噪聲(最后一項(xiàng)),在方法開發(fā)中不會(huì)產(chǎn)生太多效應(yīng)。因此，通過對(duì)采集、數(shù)據(jù)后處理等階段采用合理有效的去噪方法來進(jìn)行解決，以降低其對(duì)模態(tài)識(shí)別的影響。

       根據(jù)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)所包含的信息內(nèi)容，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試時(shí)主要考慮前三項(xiàng)中只有一項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)的特殊情況。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的前兩項(xiàng)“未知初始條件的自由振動(dòng)的測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)”和“已知激勵(lì)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)”，分別設(shè)計(jì)每一項(xiàng)占優(yōu)的特有場(chǎng)景，其對(duì)應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試分別為“自由振動(dòng)測(cè)試”和 “強(qiáng)制振動(dòng)測(cè)試”。然后由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，很難設(shè)計(jì)出前兩種或需要花費(fèi)大量的人力物力，因此橋梁中進(jìn)行模態(tài)測(cè)試常用的方法是“環(huán)境振動(dòng)測(cè)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(lì)占主導(dǎo)地位，假定振動(dòng)數(shù)據(jù)具有合理易處理和合理的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)屬性，這就是“環(huán)境振動(dòng)測(cè)試”。

二、振動(dòng)測(cè)試方法

1、自由振動(dòng)測(cè)試

       在自由振動(dòng)試驗(yàn)中，一些小型結(jié)構(gòu)最初是通過一些人工手段讓結(jié)構(gòu)自己振動(dòng)。在自由振動(dòng)期間的響應(yīng)時(shí)程記錄中選定位置測(cè)量振動(dòng)并用于模態(tài)識(shí)別。為了利用自由振動(dòng)試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，初始激勵(lì)應(yīng)足夠大以至產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯大于由其它形式的 (如脈動(dòng)環(huán)境)激勵(lì)引起的響應(yīng)。如對(duì)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(duì)于大型結(jié)構(gòu)當(dāng)然是不可行的。例如由于一些參與者推著墻(甚至在固有頻率)在測(cè)量中不太可能被測(cè)試出，因?yàn)檫@是由環(huán)境振動(dòng)主導(dǎo)的數(shù)據(jù)。對(duì)于橋梁振動(dòng)測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)上急速施加一個(gè)沖擊作用力?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用試驗(yàn)車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動(dòng)，簡(jiǎn)稱跳車試驗(yàn)；當(dāng)測(cè)試某一構(gòu)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(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個(gè)荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)。為卸落荷載，可通過自動(dòng)脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時(shí)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(shí)，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(dòng)。

2、強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試

       在強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)采用某種人工方法進(jìn)行激勵(lì)，例如搖動(dòng)器或大錘。除了測(cè)試振動(dòng)響應(yīng)之外，施加到結(jié)構(gòu)上的力也應(yīng)被測(cè)量，這就是所說的“已知輸入”。測(cè)試的力(輸入)和響應(yīng)(輸出)時(shí)程曲線一起用于模態(tài)識(shí)別。為了利用強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，由已知力產(chǎn)生響應(yīng)同來自其它未知激勵(lì)的響應(yīng)相比應(yīng)占主導(dǎo)地位。

       當(dāng)適當(dāng)?shù)厥┘幼銐虻募?lì)功率時(shí)，強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試對(duì)模態(tài)特性的識(shí)別可以獲得良好的精度和期望振動(dòng)水平，對(duì)于小型結(jié)構(gòu)來說這種方法可以適用。但對(duì)于大型橋梁結(jié)構(gòu)而言，采用已知激勵(lì)力的強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試方法費(fèi)用比較昂貴。因此對(duì)于橋梁采用強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)的費(fèi)用可能很高，因此從成本的角度強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試增加了管理費(fèi)用或限制了這種方法的使用。對(duì)于大型橋梁為準(zhǔn)確對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)，國(guó)內(nèi)曾對(duì)錢塘江大橋采用采用小型火箭進(jìn)行激勵(lì)，該測(cè)試屬于強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試。用于錢塘江大橋模態(tài)實(shí)驗(yàn)的火箭被命名為“東方一號(hào)”，整體結(jié)構(gòu)及測(cè)力系統(tǒng)由應(yīng)懷樵教授設(shè)計(jì)，推進(jìn)劑及點(diǎn)火系統(tǒng)由北京理工大學(xué)飛行器系設(shè)計(jì)。

       錢塘江大橋是鐵路和公路兩用雙層鋼結(jié)構(gòu)大橋，全長(zhǎng)13221m由北向南共有23跨。第6至第21跨構(gòu)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(lì)試驗(yàn)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(jié)構(gòu)總重量超過600噸。試驗(yàn)于1988年9月16日夜間進(jìn)行，利用火車經(jīng)過間隙發(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(xù)時(shí)間為100毫秒的方波形狀的推力，分為垂直激勵(lì)和水平激勵(lì)兩種方式。垂直激勵(lì)點(diǎn)選在跨中，水平激勵(lì)點(diǎn)選在四分之一跨的位置。

3、環(huán)境振動(dòng)測(cè)試

       如果在振動(dòng)測(cè)試中沒有測(cè)量激勵(lì)，且激勵(lì)不符合測(cè)試的假定時(shí)，則通常不能僅根據(jù)測(cè)試的振動(dòng)響應(yīng)來確定模態(tài)特性。這是因?yàn)檎駝?dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了結(jié)構(gòu)和激勵(lì)兩種數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性。如果激勵(lì)符合“統(tǒng)計(jì)特性”的假定，通常假定激勵(lì)是“寬帶隨機(jī)”的，這在物理上是合理的，并且能給出合理的結(jié)果。通過振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以所識(shí)別的結(jié)構(gòu)模態(tài)屬性特性。

       利用被測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動(dòng)來確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法。這種微振動(dòng)通常稱之為“地脈動(dòng)”，它是由附近地殼的微小破裂和遠(yuǎn)處地震傳來的脈動(dòng)、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(dòng)響應(yīng)。

       脈動(dòng)法是橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試中最常用的測(cè)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。模態(tài)分析（OMA）方法有很多，隨機(jī)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(dāng)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(shí)別的精度。

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