浅谈桥梁的振动测试

流氓兔就是我

振动测试是桥梁结构动载试验的常用的方法，振动测试涉及到结构动力学、模态识别、现场测试等技术，因此振动测试项目是检测人员感觉比较难以掌握的技术。振动测试也是对桥梁模态识别的基础，模态识别就是根据桥梁的振动测试数据利用模式别的各种方法对桥梁结构的模态参数进行识别。而桥梁结构的模态参数反映了了桥梁结构的自身的振动特性，是评价桥梁结构性能的重要依据，有时可以利用模态参数如自振频率、阻尼比、振型、模态曲率等动力参数对桥梁结构的损伤进行评估。而模态参数的识别的准确除与模态识别的方法有关外，如桥梁模态识别的方法有很多，对于具体的桥梁应选择合适的模态识别方法。此外现场振动测试数据的质量对于桥梁模态识别至关重要。

鉴于振动测试对桥梁结构的评估以及在模态识别中作用，本文从现场振动测试数据的可用于模态识别的有效信息对桥梁振动测试进行分类，并简单进行介绍。

振动测试数据的信息

利用桥梁结构的测试振动数据，以及如何从中振动数据中有效识别出结构的模态特性，其关键在于现场测试测试期间输入的可用信息激励。从这个角度来看，通常现场测试的振动数据可以看作有四部分组成：

1）未知初始条件的自由振动的测量振动数据；2）已知激励产生的强迫振动；3）来自未知激励的强迫振动；4）未知的测量噪声。

振动数据的前三项取决于模态特性，因此包含了用于识别模态特性信息。但是利用这些数据将直接转化为一种模式识别方法并非一件容易的事情，主要是振动数据的前三项分别对模态特性有不同的敏感性。因此它们有时需要可能借助于其他未知特性进行一起识别。

对于已知激励产生的强迫振动，可以通过模态特性和已知的激励完全确定。除了模态特性之外，对于“未知初始条件的自由振动的测量振动数据”，由于振动数据取决于初始条件（即结构位移和速度），而这些初始条件通常是未知的。对于第三项“来自未知激励的强迫振动”，如果未知激励完全是任意的，那么产生的强迫振动响应将可能因未知量太多而无法识别。如果未知激励具有一些统计特性，那么由此产生的强迫振动响应则可以用统计学来描述。只要振动测试数据采用统计学的假设较为合理，虽然理论上要复杂得多，但此类信息可以用于模态识别。而最后一项是未知的测量噪声，考虑到测量噪声(最后一项),在方法开发中不会产生太多效应。因此，通过对采集、数据后处理等阶段采用合理有效的去噪方法来进行解决，以降低其对模态识别的影响。

根据振动测试数据所包含的信息内容，在进行桥梁结构模态测试时主要考虑前三项中只有一项占优势的特殊情况。对于桥梁结构振动测试数据的前两项“未知初始条件的自由振动的测量振动数据”和“已知激励产生的强迫振动”，分别设计每一项占优的特有场景，其对应的桥梁结构振动测试分别为“自由振动测试”和 “强制振动测试”。然后由于桥梁结构的特殊性，很难设计出前两种或需要花费大量的人力物力，因此桥梁中进行模态测试常用的方法是“环境振动测试”。这种方法是在自然脉动的场景下，未知的自然脉动激励占主导地位，假定振动数据具有合理易处理和合理的统计数据属性，这就是“环境振动测试”。

振动测试方法

1、自由振动测试
在自由振动试验中，一些小型结构最初是通过一些人工手段让结构自己振动。在自由振动期间的响应时程记录中选定位置测量振动并用于模态识别。为了利用自由振动试验的优势，初始激励应足够大以至产生的动态响应明显大于由其它形式的 (如脉动环境)激励引起的响应。如对于小跨人行天桥可以由人的跳跃引起的接近共振的人行桥的第一阶竖向模态。这对于大型结构当然是不可行的。例如由于一些参与者推着墙(甚至在固有频率)在测量中不太可能被测试出，因为这是由环境振动主导的数据。

对于桥梁振动测试常采用突然加载法或突然卸载法，使桥梁产生自由振动。

突然加载法：在被测结构上急速施加一个冲击作用力。现场测试中，采用试验车辆的后轮从三角垫块上突然下落对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的竖向振动，简称跳车试验；当测试某一构件(如拉索)的振动时，常采用橡皮锤敲击的方法产生冲击作用。

突然卸载法：在结构上预先施加一个荷载作用，使结构产生一个初位移，然后突然卸去荷载，利用结构的弹性使其产生自由振动。为卸落荷载，可通过自动脱钩装置或剪断绳索等方法，有时也专门设计断裂装置，即当预施加力达到一定数值时，在绳索中间的断裂装置便突然断裂，由此激发结构的振动。

图1 突然卸载法示意图    

2、强迫振动测试
在强迫振动试验中，结构采用某种人工方法进行激励，例如摇动器或大锤。除了测试振动响应之外，施加到结构上的力也应被测量，这就是所说的“已知输入”。测试的力(输入)和响应(输出)时程曲线一起用于模态识别。为了利用强迫振动试验，由已知力产生响应同来自其它未知激励的响应相比应占主导地位。

当适当地施加足够的激励功率时，强迫振动测试对模态特性的识别可以获得良好的精度和期望振动水平，对于小型结构来说这种方法可以适用。但对于大型桥梁结构而言，采用已知激励力的强迫振动测试方法费用比较昂贵。

因此对于桥梁采用强迫振动试验的费用可能很高，因此从成本的角度强迫振动测试增加了管理费用或限制了这种方法的使用。

对于大型桥梁为准确对桥梁结构的模态，国内曾对钱塘江大桥采用采用小型火箭进行激励，该测试属于强迫振动测试。用于钱塘江大桥模态实验的火箭被命名为“东方一号”，整体结构及测力系统由应怀樵教授设计，推进剂及点火系统由北京理工大学飞行器系设计。

图2 “东方红一号”火箭结构及原型图

钱塘江大桥是铁路和公路两用双层钢结构大桥，全长13221m由北向南共有23跨。第6至第21跨构为主桥部分，跨径均为65.84m的下承桁梁铁路桥与上层公路桥的高度差为10.67米，火箭激励试验选在正桥的第2跨，本跨铁路钢梁重280吨加上公路桥面和附属结构总重量超过600吨。

试验于1988年9月16日夜间进行，利用火车经过间隙发射火箭，历时10个小时，共发射了14枚小型火箭，每枚火箭产生大小为1吨持续时间为100毫秒的方波形状的推力，分为垂直激励和水平激励两种方式。垂直激励点选在跨中，水平激励点选在四分之一跨的位置。

3、环境振动测试
如果在振动测试中没有测量激励，且激励不符合测试的假定时，则通常不能仅根据测试的振动响应来确定模态特性。这是因为振动响应数据中包含了结构和激励两种数据的动态特性。如果激励符合“统计特性”的假定，通常假定激励是“宽带随机”的，这在物理上是合理的，并且能给出合理的结果。通过振动测试数据可以所识别的结构模态属性特性。

利用被测桥梁结构所处环境的微小而不规则的振动来确定结构动力特性的方法。这种微振动通常称之为“地脉动”，它是由附近地壳的微小破裂和远处地震传来的脉动、桥址处风荷载、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应。

脉动法是桥梁结构模态测试中最常用的测试方法，属于模态试验中基于响应数据的模态分析（OMA）方法。模态分析（OMA）方法有很多，随机子空间法是OMA中最精确的方法，整体拟合法，拟合时同时考虑多点的输出波形，当模态比较密集时，即使模态频率比较接近，也不会影响识别的精度。

图3为某斜拉桥采用环境振动测试，利用随机子空间法得出的模态振型图。

图3 某斜拉桥模态振型图