桥梁结构动力试验

1、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

2、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

3、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

4、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,车辆自重对简支梁桥自振频率测试结果影响,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=0.616Hz,f2=1.062,f4=1.822,f3=1.303,连续刚构桥竖向振型（132230132m ）,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

5、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,

6、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(560km/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23次重复试验,t1,t2,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

7、障碍行车 在特征部位设置障碍物（如弓型木板）， 用12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1020km/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3040km/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

8、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23个 动应变：每截面不宜少于3个 加速度：每截面12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

9、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

10、 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 （34）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

11、分析,二、量测注意事项和质量控制,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，fs25

12、f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,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,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

13、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,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，

14、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：130m230m+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),3、自振频率识别案例分析 试验对象：150m混凝土箱型拱

15、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

16、、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,影响数据质量因素：仪器性能、参数设置、贴片质量、导线摆动、电磁干扰、温度变化、难以避免噪声（误差） 高质量动应变信号特征：噪声小、分辨率足够、零点稳定、波形无突变（脉冲、跳跃等）,量值与静力试验关联性好,四、动应变测试,正常信号,信号噪声过大,存在零点漂移,五、冲击系数分析,冲击系数： 属整体指标,与体系、荷载

17、特性、桥面平整度、车速、荷载效率有关 优先用动挠度计算冲击系数。条件受限无法测定动挠度时，可用动应变计算冲击系数（其结果也称应变增大系数局部指标） 冲击系数宜采用多点平均，以保证结果可靠性 该指标随机性较大，应进行多次试验 最大静态分量fjmax的确定 近似计算 滤波法：用低通（带通）消除动态分量，完整保留静态分量 结合静力试验：通过静力试验求取最大静位移,规则波形,不规则波形,滤波法求取静态分量 曲线拟合法求取静态分量,可准确得到最大 静态分量fjmax,五、冲击系数分析,冲击系数取值范围的探讨 冲击系数与结构体系、荷载特性、桥面平整度、桥面线形、车速、荷载效率有关，目前国内尚无此方面（相关

18、性）成熟的研究结果 当前规范（2004年）冲击系数的取值具有较好包容性，但拱桥是一特例（桁式组合拱桥更甚），实测冲击系数往往偏大较多 89桥规的冲击系数取值包容性较差，有时甚至出现规律性的背离 平整度、车桥频率耦合是影响冲击系数的主要原因，而两者的联合作用往往会导致冲击效应显著加剧 中小跨径桥梁往往在30km/h车速附近冲击系数取最大值，其取值大小取决于冲击能量和荷载作用时间的综合效应 荷载效率与冲击系数具有一定相关性，但规律并不明显，荷载效率越大，冲击系数有随之减少的趋势 依据荷载效率对冲击系数进行修正具有较大的风险性，特别是小荷载效率时。应尽量提高动力荷载效率,3.6 动力性能评价,反映系统特性的自振频率、阻尼和振型 反映系统动力响应幅值的动应变、动挠度、振动加速度 反映结构冲击效应的冲击系数、应变增大系数 动荷载作用下，结构动力响应的主导频率,一、评价指标,结合静动载试验结果、设计规范和