文摘
vibration-based损伤检测、跟踪结构模态特性随时间的变化来推断当前状态的损坏或恶化。因此,获得可靠的模态参数估计的能力,尤其是自然固有频率和振型,是至关重要的。在目前的研究中,动态激励源的影响精度和模态特性的统计不确定性估计三跨钢筋混凝土桥研究实验和数值。动态响应之间的比较是由于车辆荷载,谐波和随机强迫的影响,和环境激励。这是证明了自然的固有频率和振型从自由振动响应中提取车辆和随机加载事件后质量高于相应的值决定在迫使阶段的事件。在共振频率谐波激励和影响也发现生产统计可靠的结果。
1。介绍
随着高速数据采集技术的进步和动态系统辨识技术,vibration-based评估已成为一个可行的选择监控民用基础设施。信息嵌入在振动特征反映出各种各样的结构特点,使评估许多不同方面的结构性条件与传感器相对较少。动态响应的全球性质,加上相对宽松的它可以测量和分析,使vibration-based评估一个有吸引力的补充传统的目视检查和无损评价方法。
Vibration-based损伤诊断(VBDD)已被确定为一个应用振动监测为基础设施管理提供巨大的潜在的好处。在这种方法中,观察到的变化动态属性的结构随着时间的推移,用来推断的存在和自然损坏或恶化。在总结Doebling et al。1,2和孙等。3),提出VBDD方法包括基于固有频率的变化(4- - - - - -6,形状的变化模式7,8)或振型曲率(9,10),灵活性或刚度的测量差异11,12],模态应变能变化[13,14),和数值模型更新15,16]。无论考虑的具体参数,VBDD技术不可避免地需要准确、可靠的估计振动模式的特点。
在经典模态分析(17),动态系统识别历来表现使用频率响应函数在频域(频),定义测量系统之间的因果关系输入(强迫)和输出(响应),从而提供一个明确的描述振动模式特性(固有频率、单位质量标准化模式形状,和阻尼)。因为这意味着控制或直接可测强迫,只有数量有限的实际选项可用经典的桥梁检测,包括瓶(18,19),冲击荷载20.],step-relaxation [21),和仪器测试车辆22),所有这些都需要专门的设备。此外,来自外部的干扰降到最低的激励来源,measured-force测试通常需要全部或部分桥梁关闭,创建大量旅行线路运营困难。
天然激励管制交通、风、流水、ground-transmitted振动提供了一个更便宜,侵入性的选择。因为足够详细的测量这些力量通常不可行,然而,模态属性必须被估计使用输出系统识别方法(23]。克服由此产生的缺乏具体信息,天然桥励磁通常认为像一个平稳随机过程统一的光谱(即。、白噪声);因此,山峰在光谱响应(输出)来表明共振行为,在概念意义上,可以确定模态特性。困难出现,不过,由于持续的谐波的存在迫使组件,也表现为反应谱峰值。同时,我们有理由期待随机自然激发产生平滑的谱在平均意义上,从特定的光谱,有限时间加载事件可能出现重大变化。在这两种情况下,很难区分force-related和共振响应谱峰,引入自然频率的误认的可能性以及操作的挠曲形状,不同于纯粹的模式。
作为一个更大的研究项目在结构健康监测和vibration-based桥梁损伤诊断,目前的研究进行调查的影响动态激励源的质量和可靠性,测量模态属性具体slab-on-girder桥。使用实地测量和数值模拟的结合,各种动态迫使被认为是类型,包括卡车、风、和冲击荷载,以及随机控制和谐波强迫。在所有情况下,固有频率和振型估计使用输出系统识别、执行的频率或时间域。
2。动态加载的桥梁
直到最近,研究桥梁动力学主要是关注定义动态放大效应为目的的结构设计(25- - - - - -29日]。发现影响动态响应的强度因素包括车辆和桥梁的比率自然频率和重量、车辆穿越时间相对于基本桥,轴间距,悬架的特点,和桥梁支座约束。巷道缺陷,特别是明显的违规行为的方法和在伸缩缝,也被确定为动态激励的重要贡献者。
动态登车桥相互作用研究(22)使用一个检测five-axle半拖车卡车测试。总共12车辆振动模式观察,最低的模式以滚动或扭纵卡车轴,中心频率模式对应于身体“反弹”(统一垂直运动)或(关于横向轴的旋转),和高频率模式主要表现为“轴跳”,独立的一个轴或两个相邻轴的振动。车/桥耦合时观察到的“身体反弹”卡车频率(约1.5赫兹对空气弹簧悬架和钢叶悬挂2.5 - -3.0 Hz)恰逢桥的弯曲频率最低,导致轻微下降(0.05 -0.13赫兹)相应的登车桥系统的频率。频率匹配被发现导致大量增加在动态通过汽车软轴跳“力悬浮液穿越僵硬,短桥(30.]。数值方法模拟登车桥相互作用效应已经被几位作者提出20.,30.,31日]。
当动态交互作用可以忽略不计,车辆和桥梁子系统可以有效地分离。在这种情况下,动态接触力施加在桥上被过往的车辆决心完全由表面粗糙度轮廓的道路,这在很大程度上是随机的,力学性能(质量、刚度和阻尼)的车辆,和旅行速度32,33]。轮子的准静态重力组件加载,然而,将所有点沿着相同的行驶路径,除了卡车旅行所需的时间间隔从一个点到另一个地方。这个延迟加载序列引入了一定程度的空间相关性成桥的整体交通荷载历史,即使个别车辆在桥上的到来可能遵循一个随机模式(34]。
各种机械设备也可以激励结构动态测试的目的。其中,动态激励器或振动器可能是最广泛使用,部分原因是它提供的灵活性能够生成不同形式的动态激励时间历史,包括正弦,随机,或唧唧喳喳。机械瓶利用旋转偏心质量产生规定的强制;由于物理约束参与这样一个系统,但是,由此产生的力的大小和形式比较有限。更灵活的在很多方面是电磁振动器,它将一个输入电信号转换成一个驱动振动的交变磁场。瓶利用液压致动器的驱动机制,然而,提供将长冲程长度的潜在优势,从而使较大的振幅运动在桥梁低频感兴趣的(17]。
作为一个方便的选择,影响激励提供了低成本的优点,简单和执行速度。此外,控制影响产生一种宽带激励,给予相当均匀的能量在一个预定的频率范围(18,35]。影响设备通常包含一个撞击器,通常用不同的刚度来控制其动态范围,和附加负载细胞用来测量脉冲传输到测试结构。撞击器可以采取拍卖的形式,可以用手操作,落锤机制,或弹簧装置(17]。实验装置和信号处理需求与影响测试详细(36,37]。
一步放松通常被认为是适合大规模的结构,使用其他方式难以激发。在这种方法中,一个稳定的负载应用到结构的预张钢丝绳或绳子突然释放,诱导自由振动(21]。
评估各种环境和控制输入的激励方法,法勒et al。38)得出的结论是,有一个缺乏共识桥的最合适的方法测试,尽管环境测试被确认为是最实用的。张(39)报道,影响测试的模态数据低质量相比获得使用强迫振动。同样,在比较瓶使用sine-sweep励磁信号,车辆诱导反应,和锤冲击,Brownjohn et al。40)发现瓶激发产生了最可靠的动态数据。研究模态参数的变异性与激励源、法勒et al。18)确定固有频率提取影响锤测试数据统计上更可靠的比获得的使用环境激励,和更少的振动模式可成功识别环境测试。另一方面,此人和De Roeck23)报道,环境激发被发现产生类似的结果获得使用限带瓶或落锤冲击。
3所示。现场测试程序
3.1。桥的描述
马鹿河上桥正在调查在9号省道,哈得逊湾南部的萨斯喀彻温省,加拿大。建于1957年,长100.5米三跨连续钢筋混凝土桥的特性,这是由三个拱形混凝土梁(图1)。这座桥是1989年加强通过添加外部钢筋地区高积极的时刻,如图1 (b);同时,额外的倾覆力矩加强包括甲板康复的一部分(41]。2007年,中央跨度内的外部强化钢板与梁所取代一些进入挑檐底面提供额外的抗弯能力。
(一)
(b)
在这项研究中,应该注意的是,马鹿河大桥位于一个偏远地区有限的交通容量。结果,车辆装载桥在测试期间经历是零星的,一般由孤立的卡车或乘用车。虽然这些交通模式促进振动的研究由于单一车辆和环境(风和water-induced)的来源,它是不可能获得足够的数据响应的连续流交通不受监管。类似的交通状况是典型的桥梁结构在萨斯喀彻温省位于农村公路网络。
3.2。现场测试程序的描述
现场测试程序进行评估动态迫使特征测量模态特性的影响以及提供现实依据校准在这项研究中使用的有限元模型。桥的反应监控使用加速度计和应变仪静态和动态控制装车,不受监管的交通状况和环境(风和流水)激发。
加速时间历史记录使用共有七个加速度计安装临时中央桥的跨度内的13个位置上;由于传感器和可用的有限数量的限制的访问在桥上,外部跨度没有监控。六个可移动的传感器和一个固定的参考传感器的位置如图所示2,地点选择避免节点分(分零响应)第一几个振型的形状;加速度计是使用螺栓连接中钻出的上表面附近混凝土人行道栏杆两岸的桥。这座桥是检测的一侧,用同样的布局采用六个可移动的加速度计当放置在东方或西方的桥。参考加速度计保持在相同的位置在提供一个共同的基准比例读数桥的两边。通过这种方式,可以“粘”在一起的各种测量模型的反应整个桥(40,42]。FBA EpiSensor ES-U加速计,Kinemetrics Inc .)生产的被使用,最大范围的配置7.6 g和精度g。所有加速度计数据获得的采样率为300 Hz。
peak-picking技术来估计模态参数(固有频率和振型的形状)使用反应谱得到的快速傅里叶变换(FFT)测量加速度时间历程。之前执行FFT,加速度计记录的平均(DC)组件被和一个合适的窗口函数应用于降低泄漏产生的光谱;一个指数窗函数选择装车造成的腐烂的自由振动响应事件(36),而汉宁函数用于交通的强迫振动阶段加载事件以及环境振动测量(43]。减弱的影响随机组件响应,互功率谱()有关给定加速度计的读数与参考传感器被用作模态识别的基础(18,29日]。此外,交叉谱矩阵的奇异值分解被用来协助peak-picking过程(23,44]。虽然随机子空间识别(SSI)模态分析方法中描述的部分4.2也被应用于测量数据,peak-picking方法似乎提供更一致的结果字段组件的研究。
中央跨度也与45电阻应变仪,检测的三个垂直对齐的仪表在五个不同的地方以及三种梁(图3),促进当地梁曲率的估算。专门设计用于应变测量混凝土表面,120WFLM-60-11-2LT仪表(TML有限公司)60毫米长,在长90毫米的支持下,使他们能够跨越多个微裂隙,并提供一个合理的平均表面压力。在这项研究中,测量压力的目的是仅用于验证校准有限元模型结果,如部分所述4.1。然而,动态应变读数也利用同伴的一项研究[24)来估计各种设计相关的参数,如瞬态峰值弯矩,动态放大效应,和梁负载分配特征。
数据是使用一个16位数据采集系统(数据收集)组成的PCMCIA卡(模型倪daqcard - 6036 e)和一个模型scxi - 1001数据采集从国家仪器底盘,连同几个模块用于获取和调节传感器信号。数据采集系统是由虚拟仪器控制软件安装在笔记本电脑上。
3.3。测量响应特性
truck-induced振动,分析了每个激发事件在两个阶段。首先,整个时间单独加载的历史事件被认为是,从即时开始,卡车第一次进入了这座桥。随后,响应时间的自由振动衰减段历史(在卡车离开了桥)单独分离和分析。通过这种方式,强制和自由振动响应特性与相同的加载事件可以相比。各种不同重量和配置的卡车被观察到;尽管速度没有测量或估计个别事件,典型的车辆速度被认为范围在70至100公里/小时。
典型的加速时间历史,连同相应的互功率谱节中描述3.2,如图4有三个不同强度的不受监管的装车事件:一位乘客车(约2吨)事件记录在可移动的传感器位置。3东侧的桥(见图2),半拖车卡车(约20吨)事件记录在可移动的传感器位置。2东侧的桥,木材的卡车(约65吨)事件记录在可移动的传感器位置。1桥的西边。在这里,并在随后的情节,cross-spectra规范化的均方值测量加速度的事件;相应的均方根值已经包含在故事情节。
(一)
(b)
(c)
孤立的装车事件的一个特征是他们有限的时间,强运动持续4到6秒。因此,严格地说,这些响应的瞬态性质的历史违反固定行为的假设隐含在许多只输出模态分析方法。此外,频率响应的内容性质相近的个体事件表现出共性,发现除了基本固有频率附近的一个相当持久的峰值为2.5赫兹。相反,响应光谱似乎是由特定的特征强烈影响迫使事件。因此,可靠的模式形状估计不能从装车的强迫响应阶段生成事件基于有限数量的事件记录在这项研究。
自由振动的加速度响应阶段(后车已经离开了桥)相同的三个事件总结在图5;由于优势反应的基本的自然频率,有效掩盖山峰在其他频率,第二个情节被强加于cross-spectra在更高频率响应组件已经被指定的放大因子。在自由振动阶段,明确模态响应峰值可以很容易地和明确地识别的三个最低固有频率桥(2.5赫兹,4.2赫兹,和5.7 Hz)的cross-spectra孤立的事件。不过,有趣的是,更高的模式反应相对不太突出的65吨卡车事件(图5 (c)比20吨事件(图)5 (b)),尽管增加了更大的卡车装载强度。这清楚地显示车辆速度等因素的重要性,轴配置,重量分布、悬挂特性和驾驶路径粗糙度决定一辆卡车的有效性在激动人心的特定模式。为乘客装车事件(图5(一个)),高次模的反应更难以区分自信,在很大程度上,较低的测量信噪比,这是一个小型车辆的特征事件;这个相对较高噪声水平明显增强宽带高频内容(说,上图4赫兹)的互谱图5(一个)相比,在数据5 (b)和5 (c)。统计特性的自然频率和模态提取truck-induced自由振动在以下部分报道。
(一)
(b)
(c)
环境振动由于风和流水记录也没有交通桥上;这里给出的结果是相当活跃的时期获得风和高流量。一个典型的互谱一个30秒环境加速度记录呈现在图6(一),很明显表现出的宽带特性随机波动与这种类型的激发有关。可能预期,在观察到的振动模态参与任何给定的采样周期根据频率不同的内容和空间组织的狂风与大桥进行交互。对于这个特定的数据集,在基本固有频率共振响应(2.5赫兹)不能区别背景(准静态)振动,而更高的模态响应可以确定在4.2赫兹,5.7赫兹,和8.2赫兹,尽管nonresonant峰值出现在这个地区。
(一)
(b)
随机变化的响应光谱可以通过平均衰减显著结果从多个数据片段43]。例如,图6 (b)显示了平均互谱来自一个140秒的加速度记录已经细分为30秒段,这样定义的部分重叠的时间60%。
在这个平均互谱、共振响应在最低的四个模式可以从背景振动容易分化。比较这仍然相当“嘈杂”期间获得的平均环境振动频谱与装车的结论阶段(图5),但是,很明显,进一步的平均使用时间环境测量时间需要产生相应的模态识别的可靠性水平。
3.4。测量模态参数
获得某种意义上的统计特性与测量动态属性相关,固有频率和振型估计从多个不装车事件的一天。总共14事件涉及大量装载木材卡车记录,8时发生的可移动的加速度计是定位在东大桥和其余六加速度计在西区。个别事件的记录持续时间通常范围从20 - 30秒。唯一的自由振动部分应对每个事件被认为是为了这个目的。
统计特性的测量固有频率最低的三个模式列于表1,包括观察到的平均值和变异系数(x)源自六cross-spectra生成每个14记录事件。很明显,自然频率可以提取的高度可靠性,三种模式的变异系数从0.53%到0.65%不等。
基本模式形状测量沿着中央的两条边跨,是源于在前一节中描述的加速度cross-spectra,绘制在图7(一),相对于参考加速度计正常化。相同的数据在图改建7 (b)包括模态振幅误差表明标准差观察到每个传感器位置的(即记录事件。东地区,八个事件,6对那些西侧)。这里,西区模式形状已经抵消垂直进行说明。自然弯曲的基本模式是明显,具有类似振幅沿桥的两侧。模态振幅的平均变异系数在东方和西方的桥梁分别为4.21%和4.11%,分别。即使在这个低水平的变化,大量的装车事件可能需要定义模式形状有足够的精度,确保成功实现VBDD小规模的损伤诊断方法(45]。
(一)
(b)
4所示。描述的数值研究
4.1。有限元模型定义和校准
需要考虑额外的形式的励磁控制方式,详细的线性有限元(FE)模型生成马鹿河大桥使用商业分析程序ANSYS [46]。数值研究的另一个好处是能够孤立的考虑动态激励的许多大型结构的现场测试中固有的不确定性。
桥的一个精确的几何表示使用二次组装(20节点)三维固体元素模型桥主梁,甲板,限制,和子宫帽(图8);护栏被近似为梁刚性连接的元素链接到路边。外部钢筋梁的底部表面上模仿使用二次(8节点)膜元素的横截面区域和材料特性近似实际的外部强化。总体而言,该模型包含26036个节点和4126个元素。
(一)
(b)
有限元模型手动校准使用试错调整过程复制从网站提取的固有频率和振型形状测量。校准过程中的主要参数调整的有效弹性模量的值混凝土梁和甲板,使保障开裂和内部钢筋的存在。此外,介绍了纵向和旋转弹簧在桥墩和桥台支持地方为了正确再现测量梁的部分拱起的行为推断出菌株;例如,这种支持限制可能出现的局部腐蚀和/或碎片在桥梁支座的积累。所选材料属性校准有限元模型提供了表2。较高的表观弹性模量的混凝土桥主梁,相比,甲板和其他组件的桥,是由于存在显著的抗压的主梁轴力将会大幅度减少弯曲开裂的程度以及提高钢筋比率;梁越高值也符合趋势在无损检测结果进行实地研究。
在表3之间的比较,提出了最低的三桥从测量数据中提取的自然频率和那些从校准有限元计算模型。很明显,观察到的协议是适合所有三个固有频率(0.2%,3.3%,和0.2%的差异,分别地)。
最低的三桥振动模式,从有限元模型生成,如图9;三人都视为主要弯曲模式,虽然扭转第四模式被确定在靠近第三个固有频率(= 5.88赫兹)。视为之间的协议的水平测量和计算模式形状,模态保证标准提供了每个模式(MAC)值表3(17]。MAC措施之间最小二乘匹配两种不同模式的形状,用一个指示的MAC值完全一致的模式和零值表明正交性。如表所示3,良好的计算和测量模式之间的协议还发现形状,特别是对基本模式(MAC = 0.9988)。
进一步验证提供的校准模型的比较测量并计算菌株产生的静态负载测试,控制的一个例子就是呈现在图10。在这里介绍的瞬间,测试卡车北爬行速度和旅行,假设一个恒定的速度保持,则被认为已经达到东部的中央跨度中间行车道;相应的有限元模型得到的结果与模拟卡车车轮载荷应用静态在同一车道与第一平衡悬架轴位于跨。菌株已经绘制了最低的三个指标在每个仪器的位置,图中定义3。总的来说,测量和计算这三个菌株的趋势大梁匹配很好,建议,至少,这之间的承载机制和负载分配梁有限元模型是正确复制。
(一)
(b)
(c)
4.2。动态分析的概述
桥的响应各种形式的动态激励是在时域计算使用纽马克的方法随着时间游行方案,假设恒定的平均加速度(47]。以减少计算需求,采用模态叠加的方法,包括来自七个最低振动模式。比例阻尼相当于2%的关键是假定所有模式反映了微裂缝的钢筋混凝土的行为(48];模态阻尼比2%的关键的顺序也从测量数据中提取在最近的研究中,尽管有相当大的变化的结果不同,在很大程度上,个人模式兴奋的程度由特定加载事件。
模拟采集的数据从一个有限数量的传感器在实地测试程序中,垂直位移时间从60所选节点历史顶部甲板表面提取和存储(图进行进一步的分析11)。响应在统一时间增加0.005秒计算,模拟采样率为200 Hz。然而,对于冲击荷载,采样率增加到2000 Hz由于短脉冲的持续时间。
桥梁的模态属性被估计的时域响应在这些“传感器”位置,使用随机子空间识别(SSI)模态分析方法,实现在商用软件MACEC [49]。对模态参数估计的目的,这是假定激振力是未知的,或测量,所以“输出”的模态提取技术是必需的。提取的模态特性(固有频率和振型)相比,从相同的有限元模型生成的理论特征值结果。
考虑的具体形式的动态加载的数值研究包括谐波,随机的,强迫激发和影响,以及加载时间的历史从移动的卡车。最早的三种类型的激励是实现为一个固定地点垂直力应用于有限元模型的节点对应的位置参考加速度计测量研究领域(见图2)。卡车激发,另一方面,描述了移动轮负载选择卡车配置作为他们越过这座桥以恒定速度。具体细节方面提出了各种激励类型进行更详细的研究。
5。数值结果
5.1。谐波载荷激励
在数值研究中,谐波负载被用来模拟激励引起的机械振动器安装在桥上。谐波力量10 kN应用频率的振幅对应于第一,第二,第三大桥的自振频率。
评价激励源的不确定性的影响,分析与随机波动(噪音)重复叠加在谐波加载时间的历史。白噪声方差等于1%,2%,5%,和10%的原始谐波信号的使用。十个加载事件,每一个都有模拟10秒时间,所有的噪音水平进行分析;模态提取属性为每个事件,平均,然后与特征值的结果。谐波的典型加速度反应谱加载应用于包含2%的最低固有频率和叠加噪声呈现在图12(一个);数据,随后,响应谱图提取节点有限元模型中对应的位置参考加速度计测量研究领域(见图2)。
(一)
(b)
表4总结第一模式形状基于MAC值对比模式形状从时域分析中提取谐波负载的不同程度的不确定性和两个不同的参考模式形状:直接获得一个第二提取特征值分析和时域响应计算中没有不确定性(噪音)在谐波负载的定义。很明显,谐波负载的噪声水平几乎没有影响结果的可靠性基本模式的形状。这个结果并不意外因为叠加噪声的随机波动传播统一的宽带频率,这意味着贡献激励具体的基本固有频率很小,尽管相对较大的总方差的噪音水平。持续高水平的协议之间的吵闹和原始时域响应结果,相比那些吵闹的时间域和特征值之间的结果,反映了这样一个事实:噪声和原始时域结果实际上代表操作挠曲形状,而不是单纯的模式形状,包含相似的数值近似与选定的时间计划。
作为额外的锻炼,生成数值噪声被添加到位移时间历程(输出)提取相关的有限元分析模拟相结合的不确定性在不同阶段(即数据采集过程。、传感器错误,电子干扰,数字化错误,信号处理,等等);为此,强制函数被认为是完美的谐波(即。,没有噪音)。随机变化的重复分析不同震级(噪音)1%到10%叠加在每个节点的位移时间历程中提取。显示在表4,输出的噪声水平也没有影响结果的可靠性基本模式的形状。
对于这个特定的桥和加载配置,迫使谐振谐波激励(有或没有噪音)没有产生令人满意的第二和第三的定义模式形状,MAC值为0.558和0.236,分别计算模式相比,相应的模式中提取的形状由特征值分析。此外,模态参数估计(使用SSI)产生明显复杂形状对这些模式,表明两个实值模式的贡献不能正确区分。这些困难是由两个固有频率的相对接近的(4.0赫兹和5.7赫兹)的问题,因为个人的考试模态响应贡献表明,两种模式表现出差不多大小在2日和3日自然谐波激励频率。这表明谐波迫使附近的两个或两个以上的紧密间隔的固有频率会产生操作挠曲形状偏离纯模式形状,即使应用,强迫的共振频率。从vibration-based损伤检测的角度,使用操作挠曲形状的影响,可以可靠地重现,但从所需的模式上显著不同的形状,还没有充分调查。
5.2。随机强迫激励
随机激励可以激发一座桥在一个广泛的频率为了同时测量几个振动的响应模式。随机激励在实践中,通常是通过使用风能或不受监管的交通负荷。数值研究,随机强迫激励应用作为一个固定地点集中负荷随机时间历史定义的峰值大小10 kN和由此产生的力谱大约是统一在这座桥的自然感兴趣的频率范围。
总共20个不同随机加载事件被认为是,每个包括强迫激发阶段持续10秒,5秒自由振动阶段,期间停止强迫激励。为了提取模态特性,反应在强迫和自由振动阶段分别被认为是。典型的加速度响应谱的强迫激励和自由振动阶段随机加载事件数据所示(13日)和13 (b),分别。
(一)
(b)
最低的三个自然频率提取的强迫和自由振动阶段随机加载事件,平均超过20这样的事件,展示在表5;还包括相应的标准差()提取的固有频率以及这些值的误差相对于特征值的结果。从表5可以看出,自由振动的固有频率提取阶段都接近特征值的结果。从VBDD角度或许更重要的,就是自由振动的标准差结果低几个数量级,表明一个更可靠的测量真实的自然频率。
MAC值比较平均模式形状来源于二十的强迫和自由振动阶段随机加载事件与特征值结果提出了表6。很明显,持续相关性是通过使用自由振动数据比从强迫振动,特别是对于更高的模式。这个结果符合观察实地测量的基础上这座桥(部分3.3)。
5.3。冲击荷载激发
模拟落锤试验的影响,从短期激励脉冲被用来产生一个力表现出平坦光谱在感兴趣的频率范围。在目前的数值研究,影响加载时间历史被定义为半正弦波10毫秒的时间(35,37)和10 kN(参见图的振幅14)。随后桥响应计算超过10秒的时间间隔。与谐波迫使前面讨论的一样,随机波动的影响影响加载时间的历史了,但发现没有影响的估计固有频率或模式形状较低的模式被认为是在这里。一个典型的加速度反应谱模拟冲击荷载呈现在图14 (b)。
(一)
(b)
是显示在表7、模态特性提取冲击荷载的反应被发现是在良好的协议与特征值的结果。错误的固有频率时,相对于计算特征值,与结果来源于受迫振动阶段使用随机加载(表5),模式形状MAC值最低的两种模式更接近获得基于自由振动后随机加载(表6)。结果第三模式不太准确,不过,有一个不可接受的低0.627 MAC的第三模式的形状。
测量不确定性的影响(输出噪声)提取模态属性使用时的可靠性影响激发了表8。很明显,固有频率和模式形状估计基本模式的负面影响在很大程度上是模拟测量的不确定性对噪声的5%的水平。更高的模式,另一方面,看起来更敏感的测量噪声,提取的固有频率和振型的精度通常恶化水平增加的噪音。事实上,第二种模式中不能检测到5%的测量噪声的存在。观察一个好奇的,原因不明,异常的模式形状估计第三模式,MAC的价值实际上增加了与测量噪声水平从2%提高到5%,尽管固有频率估计继续降低。
5.4。装车激
装车效果模拟通过移动一组垂直力,配置类似于车轮载荷从特定类型的卡车,过桥沿着一条直线路径以恒定速度。如图15以前,两个特殊允许卡车类型用来检查马鹿河大桥的设计能力被认为是在这项研究中:five-axle拖车(这里表示pv)和nine-axle拖车(这里表示PV4)的总重量55.5吨和94.5 T,分别为(41]。模拟卡车“驱动”过桥速度15米/秒(54公里/小时)和22.5米/秒(81千米/时),在南北方向旅行。
(一)
(b)
两辆卡车装载模型研究。简化的卡车模型,车轮在准静态加载治疗方式加载的位置调整时间,但他们的大小保持不变。在每一个时间步的分析,每轮载荷分配给两个节点相邻轮沿其纵向路径,基于两个节点之间的相对距离和轮子的当前位置。动态装车模型、车轮接触力的变化由于垂直运动的卡车被叠加正弦振动模拟上述简化加载历史。陈所显示和O ' conner [50),每轮载荷的动态组件是保守强加在桥的基本的自然频率大小等于10%的静态轴负载,这样在每个轴的位置是完全同步振荡。
为简化载荷模型的一个例子,图(16日)描述了一个典型的强迫时间历史选择的节点在桥上模型的情况下five-axle旅行拖车54公里/小时。相应的加速时间历史和谱图所示16 (b)和图(17日)分别对同一节点。相似点与测量truck-induced响应(图4)是显而易见的,虽然响应之间的时间差为这个模拟单个轴负载更大负载情况下由于降低车速。此外,还有一个显著的缺乏的高频波动特征的测量数据以来只包含七个模式和模拟没有考虑测量噪声。
(一)
(b)
(一)
(b)
总结三个最低的固有频率提取指定的受迫振动阶段简化truck-induced励磁情况下,随着MAC值对应的模式形状相对于特征值的解决方案,提出了在桌子上9。一般来说,模态属性提取的可靠性truck-induced反应是与(或低于)基于随机加载的强迫振动阶段,明显比那些来自其他激励来源。
固有频率根据装车被发现不同特征值的结果到0.12 - -15.1%,-17.9% - 5.3,-4.9%和0.16 1日,2日,3日模式,分别根据装车的情况考虑。同样,模式形状MAC值低至0.975,0.546,和0.738得到的根本,2日和3日模式,分别。一个可能的解释为穷人Chen等人提出的结果。34),他指出,与移动相关的空间相关性影响车辆负载可能削弱传统的输出只系统识别过程的有效性,如SSI的方法,是基于不相关的白噪声激励的假设。
这些相同的装车例使用动态装车模型重新进行,结果列于表10。比较表10与表9,明显的在轴向加载时间振荡明显退化属性更高的模式中提取的可靠性。从实地测试程序(部分与观测相一致3.2),识别这些模式没有完全加载事件在这种形式的激励。这可能部分归因于动态激励的形式,这可能不适合这里的系统辨识方法。同时,然而,参数估计的基本模式实际上提高了相对简单的装车方法,平均相对误差在自然频率从5.7%减少到4.9%,平均模式形状MAC值从0.986增长到0.993时,强迫振荡在第一固有频率增加。虽然这个结果是预先确定的,在某种意义上,通过强制的选择频率动态卡车装载模型,它强调输出模态的灵敏度分析的频率内容动态激励。
可以预期,增加模拟测量噪声提取的响应时间的历史造成的进一步恶化,估计模态特性的准确性。这是真的大约相同程度的简化和复杂的卡车装载模型的结果。
6。摘要和结论
动态激励源的影响对钢筋混凝土箱梁桥模态参数估计研究实验和数值研究。除了控制和不受监管的装车,动态从谐波励磁,随机和影响强制加载,以及天然环境来源被认为是。
实地测量的truck-induced振动表明模态参数估计的基础上自由振动响应卡车离开后明显比那些来自更可靠的桥梁卡车在场时受迫振动阶段。在大多数情况下,它是困难的或不可能产生可再生的模式形状从强迫振动数据,突显出强烈影响加载特性施加于模态参数识别基于短期瞬态激发事件。相比之下,自由振动记录与14木材装车事件结果非常一致,与变异系数计算出三个测量固有频率最低的不到0.7%,形状和基本模式振幅在12个地点在甲板上中央桥跨的变异系数平均约4%。重大的不确定性还发现在模态参数估计来自风和water-induced振动,虽然平均光谱结果在多个数据片段被减弱这种不确定性。在目前的研究中,然而,这样的环境振动事件的记录持续时间(在大多数情况下,不到两分钟)被发现不足以使可靠的模态参数估计。
数值结果从一个校准有限元模型被用来补充实验数据。谐波强制加载的基本固有频率被发现生产可靠和健壮的估计第一振型形状,即使在存在高水平的“白噪声”叠加在迫使(输入)或响应(输出)时间的历史。由于第二个和第三个固有频率接近,然而,在这些频率谐振谐波负荷生产运营挠曲形状与理想的纯模式显著不同的形状。
研究随机加载模型受到多个加载事件组成的一个模拟10秒内宽带迫使,后跟一个5秒自由振动阶段。自由振动数据被发现产生更可靠的估计最低的三个自然频率,无论是绝对精度和水平的不确定性,以及更高质量更高的模式形状定义模式。提取模态特性基于计算反应模拟冲击荷载的教育质量相等的自由振动结果随机强迫学习,至少在最低的两种模式。
两个模拟装车模型研究;准静态方法的轴负载只是穿过这座桥以恒定速度,和一个“动态”模式,即一个谐波加载组件,作用在桥的基本的自然频率,叠加在准静态加载历史。装车的模态参数提取结果的质量被认为是类似的受迫振动随机加载的研究阶段,并明显比其他加载类型。从这个意义上讲,数值结果证实了从野外调查结果研究表明自由振动结果优于从强迫vehicle-induced振动。
确认
伊希斯加拿大的金融支持卓越中心的网络和萨斯喀彻温省高速公路和运输工作。d .跨国先生和布伦南先生的贡献Pokoyoway实验方面的工作也深表感谢。