文摘
本文概述了环境振动测试和数值分析的框架中执行项目北约SfP 983828。研究的目的是定义上的桥梁动态特性的例子。本文认为三个案例研究:两个年长的现有桥梁,一个新建的桥。固有频率和振型的比较分析,通过环境振动测量(AVM)和数学模型(AMs)进行,目的是演示环境振动测试的有效性识别桥梁结构模态参数的测试。协议AVM和AMs的结果很好。模式的形状非常相似。一些计算和测量频率之间的差异,这可以归因于的真正本质边界条件、材料特性的不确定性的结构元素,以及数学模型的假设。
1。介绍
桥梁的维护是特别有趣,因为他们代表了最敏感的交通路线。为了确保其可靠性,特别是其稳定性和可服务性,重要的是要分析桥梁结构加载静态和动态激励。按照现有规定,合规的结构性能与桥设计结构性能定义了测试负载(静态和动态测试负载)。然而,加载桥往往是昂贵的。有必要考虑桥测试期间,交通中断,偶尔,也有重大的后果,因为桥梁在交通网络通常是至关重要的。
为了确保设计的使用寿命,监控桥梁结构行为是很重要的。主要威胁桥梁主要由结构元素的老化,地震导致的震动,产生的驻波暴风雨。两个,新建桥梁及以上现有的桥梁,需要测量的动态特性,谐振频率,模式形状和模态阻尼的桥梁在正常的流量负载的情况下更好地理解他们的动态行为以及极端荷载如地震事件或大风引起的。最近的趋势和未来研究在这一领域发展的桥梁评估的新方法通过监测变形状态。目前无损检测结构的监测和诊断方法,如声波、超声波、电磁、评估和影像学方法,非常有用的结构条件的但有时是不适合连续监测。他们被认为是当地的方法,因为他们需要详细检查一小部分的结构和假设先验已知的受损区域。需要更多的全球领导的损伤诊断方法的发展动态评价方法基于振动测量。
近年来,基于环境振动的录音技术已经成为一个受欢迎的工具,描述的地震响应和健康状况战略民用基础设施。对于土木工程结构,环境振动测试在受迫振动的首选,因为人工激发的大型结构有较低的固有频率是非常困难和昂贵。非常重要的交通路线桥梁的动态行为可以通过一系列的实地测试。例如,狮子兔河大桥(1处理),在施工阶段,通过几种类型的测试,包括环境振动测试,强迫振动试验,一个自由振动测试,测试和一辆卡车。环境振动测试可以检测桥梁在三个方向的固有频率。摘要(2)得出结论:环境振动的测量是准确和合理的技术测定大结构的模态参数。强迫振动测试可以检测振动频率、阻尼比和振动模式。自由振动测试能够检测频率、阻尼比和振型在横向方向。
环境振动测试,操作干扰可以避免和测量响应的代表的实际操作条件结构,由于自然激发振动。这些技术可以检测可能退化,可以是内部的,是无形的,是局部结构的任何地方3]。的技术依赖的事实损害修改刚度,质量或能量耗散的财产结构的动态响应的影响。固有的不确定性环境振动数据一直是公认的一个主要障碍对vibration-based损伤识别技术的应用在现实的桥梁。因此,桥梁健康监测的统计损伤识别过程是必要的。在展示的过程4]。
地区少暴露在地震灾害,vibration-based技术也为土木工程师代表重要的工具,例如,如果他们必须处理结构暴露于沉重的操作要求长时间的和可能在其结构的完整性问题或风险。连续监测这种结构允许识别的基本响应特性和这些的变化随着时间的推移,后者代表潜在的指标结构退化。这种情况下的一个很好的例子是阿道夫大桥在卢森堡城市,提出了(5]。在正常操作条件下的知识动态属性可以用来评估交通载荷对疲劳寿命的影响的结构和确定这些结构的动态负载因素(6]。
同时,重要的是区分异常动态特性的变化引起的结构性破坏正常变化由于环境波动的影响。识别功能,可以准确区分受损结构的损伤是最被关注的结构健康监测(SHM)技术。在[7)的造型提出了温度对模态频率的影响。
介绍了部分实验研究在北约框架项目“地震通过创新技术升级欧洲东南部的桥梁,“选择桥环境振动测试原型。测试的目的是评估的动态特征。测量框架的工作包WP 1.4,初步提出了在项目(8- - - - - -11)进行,目的是收集输入数据,使桥梁结构实际行为的数学模型。提出了三个案例研究。频率和振动调查桥梁的形状是由测量环境振动。调查桥梁的预测数值模型进行实验研究。本文包括动态属性的比较(频率和振动形式)是由测量环境振动和用数值模型。
2。环境振动测试和数值模型
为了计算环境噪音的录音的模态参数,许多技术可用。在[12结构的模态参数提取输出数据只使用子空间方法和小波变换。识别的模态振动的性质使用增强的频域分解的上层建筑(EFDD)技术提出了(13]。增强的FDD技术允许我们提取一个特定模式的共振频率和阻尼计算汽车和互相关函数。单自由度(应用)功率谱密度函数,确定了在共振峰,被送回到时域使用逆离散傅里叶变换。共振频率是通过确定零跨越时间和相应的对数衰减的阻尼应用规范化汽车相关函数。使用随机子空间识别(SSI)方法提出了(14]。SSI算法识别随机结构的状态空间模型。由此产生的模型可以转化为更方便工程结构模型形式的解释结果。既可以与状态空间模型模态模型和有限元(FE)模型公式。土木工程结构系统的动态行为通常是通过离散有限元近似模型。系统辨识的离散采样反应引出了FE模型转换为一个离散时间状态空间模型形式。实验获得的动态特性比较分析EFDD和SSI方法是表现在报纸上15,16]。模态参数的识别与协方差驱动随机子空间法(SSI-COV)、时域方法,poly-reference频域最小二乘方法(p-LSCF)提出了17]。补充挑选峰值(PP)方法在频域和更高级的SSI方法实现了在时域模态参数识别在文献[18]。
试验模态分析,提出了案例研究(任务3),是由使用两只输出过程:人民党和EFDD,实现在商业计算机程序阿耳特弥斯。的实现方法提出了新建造的桥和历史的论文(19,20.]。PP的方法是最简单的土木工程结构的模态参数识别方法受到环境振动加载。最初的方法是基于频率响应函数(降维)经过极值周围的自然频率。这种极端值出现的频率是一个很好的估计系统的频率。在环境振动测量误差也只有被汽车取代环境输出的光谱。这样的自然频率确定的观察峰图的平均归一化功率谱密度(ANPSDs)。的ANPSDs基本上是通过测量加速度转换成频域离散傅里叶变换。像的一样结构人民党可能成为问题因为2轴的弯曲模式以及任何和/或任何扭转模式可能间隔太近频率。桥梁结构似乎少这种情况(21]。EFDD技术是频率域分解的细化(FDD)技术。页和FDD / EFDD方法的评估是基于光谱矩阵在频域。
桥梁的数学建模和分析包括许多假设材料机械性能的边界条件和分析选项。因此,有限元(FE)模型的准确性取决于数值结果的实验验证。更新的桥的三维有限元模型通过数学和实验动态特性的比较研究[1,15- - - - - -20.]。
环境振动测量桥梁在萨拉热窝的位置,图,斯科普里在北约执行项目。地震检波器(桥梁在萨拉热窝和斯科普里)和加速度计(在图兹拉桥)被用于测量。环境振动进行了测量使用Instantel Blastmate教授4振动监测和采样率1024 - 16384 S / S /通道和量子MX840A通用放大器。使用多轴检波器测量了传感器和0.5 g加速度计传感器。使用多轴检波器测量范围达254 mm / s,分辨率0.127毫米/秒或0.0159毫米/秒,和准确度±5%或0.5毫米/秒。频率范围从0到315 Hz。使用加速度计的操作频率范围是0.5到500赫兹,加速度范围为0.5 g和0.00025 g的决议。测量完成时间同步检波器接收补充特别引发铁板,铁板触发同步在1/1000年代五个检波器接收。识别结构的频率,收集在时域信号转换为频域采用快速傅里叶变换(FFT)。许多高峰出现在傅里叶谱图由于干扰和噪声。 The Power Spectrum method [22用于过滤掉干扰和噪音和澄清结构频率。
环境振动测试中使用的案例研究已经识别结构模态参数的范围,即自然的固有频率和振型。评估桥梁的固有频率和振型是使用数学和实验方法来执行的。数学模型进行了使用有限元方法(FEM)和实验模型使用环境振动测试执行(AVT)。
3所示。案例研究1:这座桥在河波斯尼亚萨拉热窝,波斯尼亚和黑塞哥维那
3.1。的描述和测量设置的桥梁
桥在河的上方波斯尼亚,如图1和2,是一个45岁的桥位于路线M05, Lasva-Stup部分。它的总长度是117米,由两个跨越21米和三个跨越25米。桥的宽度是10.40米。每个跨度是建立四个预制posttensioned我梁1.30米高度的隐藏式甲板上。甲板的五段相互连接通过一个16厘米厚连续性墩板。上层建筑是由矩形叠层弹性轴承两牙(1 - 6)和四个码头(2、3、4、5)。
测点布置如图3。环境振动试验是由五个检波器接收。检波器是用于参考点(驻点)6 r,而其余4个检波器接收移动到单独的计量点- 17,根据安排。使用触发九触发是由五个铁板,一个测试测量,和8验证测量(M1-M8)。表1显示每个设置的不同站点分布。
在所有测试正常交通流是允许的。测试开始在正确的车道(1 r-11r)。每个设置了3基础通道(6 r)和12可移动的渠道。环境振动同时记录了120年代导致491520数据点数据集,测试设备如图4。
3.2。环境振动测量
在单独的计量点振动速度测量。然后利用FFT频率得到了光谱。在数据5- - - - - -10M1提出了测量的结果。占主导地位的频率测量在测量点给定的表2。
从表中给出的结果2可以看出,上层建筑测量的主要振动频率点,除了一些结果,范围从3.81到7.95赫兹,根据测点的位置,在支持或中间的领域。测量的结果(主频率)范围内的测试结果类似的混凝土桥梁。是有区别的主要频率造成桥墩振动在海岸,将会受到进一步的分析通过定义土壤结构的相互作用。
在这项研究中,两种不同的方法,这是EFDD在频域和时域SSI,用于提取模态参数。汽车的谱密度矩阵的奇异值,平均谱密度,和稳定图估计的状态空间模型首先从振动信号测试设置达到使用EFDD和SSI方法如图所示11。固有频率和阻尼比的测试设置如图12。
(一)
(b)
(c)
3.3。数学模型和实验和数学模态参数进行比较分析
两个数学模型(AM1和AM2)使用有限元素创建的。《使用SAP2000N创建。两种模型的甲板被建模为壳单元和梁弹性梁元素,为这种方法提供了有效的桥梁的刚度和质量分布特征。桥梁上部结构本身是在地震地面运动基本上会保持弹性。氯丁橡胶轴承的尺寸300/400/100毫米。对模型AM1氯丁橡胶轴承与垂直和水平弹簧模拟。垂直弹簧的刚度计算使用(23] 在哪里杨氏模量(N /毫米2),横截面积,是轴承的厚度。轴承的横向剪切能力是由混凝土和氯丁橡胶之间的动态摩擦系数为0.40。对模型AM2氯丁橡胶轴承被建模为绝对僵硬。为模型,对混凝土弹性模量C 30/37是模仿使用方程(3.1)和(3.5)(24]。基于上述方程预测弹性模量经过45年的使用寿命。弹性模量绩点是根据获得的部分(2)在24]。
模型中的AM1土壤与僵硬的线性弹簧模型,并在模型AM2固体元素。模量土壤,由初步的地球物理测量,用于固体元素。值表中给出3。非常硬粘土在10.0米的深度。数学模型的分析表明,上述粘土可以通过刚性弹簧近似确定的语气振荡的目的。在图13数学第一横向和纵向模式识别的形状模型AM1和AM2。进行了模态分析的模型AM1和AM2与实验获得阻尼比率(见图13)。
(一)
(b)
由于研究的范围是比较环境振动测试和模态参数识别的数学模型,两个《(AM1和AM2)。第一横向比较是和第一个垂直模式。实验和数学上的确定提出了模态频率表4。
当确定的数学实验(AM1)和第一次横模相互比较,它被认为这是一个很好的协议自然频率。有一个近似5%的差异。还好协议第一垂直模式的固有频率识别AM2和AVT近似6%的差异。AM1未能预测第一垂直模式,因为他们表现出大偏离超过23%的识别模态频率和第一横模被AM2 AVT差异为35%。
在垂直模式之间有一个很好的协议形状通过AVM和AMs(图14)。实验之间的偏差识别和精确地预测到第一个横模形状(图15)可以部分归因于材料性能的不确定性的结构元素和氯丁橡胶轴承后45年的服务。而且偏差可能部分由于意想不到的通道错误,将研究和提出了未来。
基础研究可以看出AVM可以用来评估现有旧桥梁的动态属性,但更详细的调查是必要的因为识别影响参数和确定偏差的原因。
4所示。案例研究2:双子桥”Goce卫星Delcev”在斯科普里,马其顿
4.1。的描述和测量设置的桥梁
双子桥”Goce卫星Delcev”与multibox截面预应力梁桥(数字16和17)。桥的总长度是136.00米,三个跨越。主要支持中产梨和配重块在桥的两头。
这座桥是一个非常复杂的结构。可服务性期间约40年,几个振兴工作已经完成,以提高桥梁的结构条件。基于结构状态诊断、适当的桥已经被选择,实现振兴的概念。从环境振动测试生成的实验结果在验证中非常重要的数学模型和再分析制定桥地震安全。测点布置如图18。
测点布置是相同的桥梁。一个点(点R;16)是选择固定站。选择两个计量点外面的桥梁两端(分数字37、38、39和40)。两个计量点选择底部的每个桥的中间两个梨(分数字41和42)。电桥测量点从1到36号分布在两条线的纵向距离8.0米。表5显示每个设置的不同站点分布。
4.2。环境振动测量
交通是在测试过程中。每个测量设置了3基础渠道(16 r)和12可移动的渠道。环境振动同时记录了120年代导致491520数据点数据的数据集。19和20.M3测量的结果,提出了实时速度和频率光谱。比较横向渠道呈现在图21。
(一)
(b)
(c)
(d)
占主导地位的频率测量在测量点上游的桥在表6。
从结果表中6可以看出,上层建筑的主要振动频率测量点范围从1.28到2.92赫兹。
在这项研究中SSI用于模态参数提取方法。汽车的谱密度矩阵的奇异值,平均谱密度,和稳定图估计的状态空间模型首先从振动信号测试设置达到使用SSI如图22。模式使用SSI 1.273赫兹,获得2赫兹,3.235赫兹,和4.65赫兹(图23)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(d)
4.3。数值模型和实验和数值模态参数进行比较分析
使用有限元素创建数学模型AM3 (SAP2000N)。执行完整的桥梁结构为整体结构,上层建筑和子结构模型集成结构。上层建筑是模仿作为壳元素和桥墩弹性梁元素,为这种方法提供了有效的桥梁的刚度和质量分布特征。造型的具体属性一度在一节中描述的任务3.3(GPa)。piers-soil接触建模是僵硬的支持。在图24数学上确定第一垂直和第二横模的形状。
(一)
(b)
进行了模态分析的模型AM1和AM2与实验获得阻尼比率(见图24)。
研究的范围是比较AVM的模态参数识别和AM3。比较是为第一垂直,第二垂直,横向,第二横向模式。实验和数学上的确定提出了模态频率表7。
当数学(AM3)和实验确定(AVM)模式与对方相比,它是发现自然频率之间有一个很好的协议的模式。也有一个很好的协议第一垂直,横向,第二垂直模式AVM和AM3(数据获得的形状25- - - - - -28)。20.50%显著差异,被发现在自然频率的第二个横向模式。实验之间的较大的偏差被识别和精确地预测到第二横模的形状。获得的确切定义偏差详细调查是必要的。原因可能是边界条件、几何和材料特性的假设,最终出人意料的通道错误。
5。案例3:图兹拉的斜拉桥,波斯尼亚和黑塞哥维那
5.1。的描述和测量设置的桥梁
这个案例研究很有趣,因为短塔设计由于城市条件(图29日),这导致了一个小角第一和第二电缆。因此在建设期间,增加变形量出现在部分结构由两个提到的电缆。桥进行了测试和环境测试由于确定斜拉桥立交桥服务条件的行为。AVM和比较数学分析的结果如下。
(一)
(b)
天桥用于十字路口行人和车辆在城市街道图。这是设计和建造斜拉桥(图29日)。桥的横截面由两个车道6.0米宽度和行人道。桥的总宽度为14.6米。这座桥跨度32.0米。上层建筑包括两个主要的预应力梁和复合桥面。复合桥面由混凝土板变厚度16-36厘米,与3.25加上钢我梁网格。概要文件HEB700钢梁,钢质量S355。完成与混凝土C30/37上层建筑设计,强化B500,预应力电缆N / 1570/1770毫米2。主要预应力梁挂在四个电报。的主要承载结构由钢筋混凝土塔,电缆,和钢铁的关系。钢筋混凝土塔是9.5米高。电缆支持主要预应力梁PV360锁线圈圣1570/1760直径60毫米(第一和第二电缆)和圣1570/1760 PV640锁线圈直径80毫米(第三和第四电缆)。配重块钢与混凝土砌块由20钢筋直径32毫米一塔。B500钢筋钢的质量。
测点布置如图30.。环境振动试验使用0.5 g加速度计传感器。使用加速度计的操作频率范围是0.5到500赫兹,加速度范围为0.5 g和0.00025 g的决议。一个加速度计是用于参考点(驻点)1,而其余两个加速度计搬到单独的计量点2-22,根据安排。
5.2。环境振动测量
正常的交通流量被允许在测试过程。环境振动同时记录了120年代导致每数据集。在图491520数据点31日测量的结果,提出了频率光谱。上层建筑的主要振动频率测量范围从2.50到6.50赫兹的点。
EFDD技术用于提取模态参数。谱密度矩阵的奇异值和平均汽车从振动信号谱密度达到使用EFDD如图32。第一个和第二个模式获得使用EFDD 2.719赫兹和6.79赫兹(图33)。
(一)
(b)
(一)
(b)
5.3。数学模型和实验和数值模态参数进行比较分析
使用有限元素创建数学模型AM4 (SAP2000N)。甲板是壳单元模拟。主要预应力梁和钢我梁被建模为一个弹性梁元素和电缆的关系。材料属性模型是基于设计参数,描述的部分5.1。piers-soil接触建模是僵硬的支持。在图34数学第一和第二模式识别形状。
(一)
(b)
比较了第一和第二模式。实验和数学上的确定提出了模态频率表8。
AVM是执行一年后大桥的建设。当数学(AM4)和实验确定(AVM)模式进行比较,它看到有一个很好的协议模式(数据35和36)。固有频率的差异通过AVM和AM4是4%。桥是新以来,提到的值可以归因于塔的几何简化的造型和结构元素的设计材料性能的不确定性(刚度不确定性的结构元素)。
6。结论
本文的测量和解释环境振动测试的结果在两个大现有桥梁在萨拉热窝和斯科普里,新建立了斜拉桥在图兹拉。进行一系列的环境振动试验的桥梁,目的是展示环境振动测试的有效性测试结构的模态参数的识别。记录数据的处理进行了使用特定软件阿耳特弥斯为了提取桥的动态特性。模式形状,固有频率和模态阻尼比率提取的结构响应。提出了数学模型。的比较提供的自然频率和模式形状AVM的同行AMs。一般来说,一个好的协议获得的计算和测量固有频率和振型。的数学反应新桥(例3)很接近,实验获得的。一些偏差在案例研究1和案例研究2,注册的老桥进行了分析。
两个方案的数学模型分析了案例研究1,目的是找到一个模型,结构响应的响应,由测量。注册某些偏差的测量模型。的原因可以归因于的真正本质边界条件和材料特性的不确定性的结构元素在45年的服务。同时,数学和实验结果之间的差异可以归因于数学模型假设,低变形(应变)的水平,和弹性模量的定义根据使用的代码,这是计算压力高于实施的环境振动,加强混凝土由于老化,和摩擦机制以及在混凝土浇灌施工实践。注册分散值,计算和测量频率,可能部分由于意想不到的通道错误。
在第二横向偏差的语气在案例研究2注册。原因可能是类似的案例研究1。
当前研究表明,环境振动信号分析记录允许桥的动态特性的测定。此外,振动的频率和相关联的模式可以用适当的数学模型进行评估。呈现结果明确显示巨大的潜力,环境振动测量监测桥梁结构。环境振动测试期间收集的数据,只花了几个小时和很少的资源,适当的算法来处理,提供非常有用的信息。中给出的比较案例研究构成发达的数学模型的验证,同时允许一些微调,尤其是有关边界条件和意想不到的通道错误。
特别是,本文清楚地表明,可以从收集的数据中提取大量的有用的信息在环境振动测试。获得的确切定义偏差详细调查是必要的。在未来,进一步的研究应针对一组新的测量,升级意想不到的通道的数学模型和评估错误。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
本文是一个研究的一部分,在983828年北约SfP科学项目执行“地震升级创新技术的桥梁在东南欧洲。”