脉动测试与模态分析在桥梁检测中的研究与应用

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1、2014年9月第9期城市道桥与防洪管理施工185脉动测试与模态分析在桥梁检测中的研究与应用刘鹏，吴振，戚冬艳(西安市政设计研究院有限公司，陕西西安710068)摘要：桥梁结构的动力特性是结构抗震、抗风以及进行在线健康监测的基础。介绍桥梁动力特性测试中的脉动测试法以及结果分析中的模态分析法，并结合某斜拉桥的模态试验及结果，分析验证了脉动测试法、模态分析法的有效性，同时为该大桥的进一步研究提供了依据。关键词：动力特性；模态分析；脉动测试；桥梁检测中图分类号：U446文献标识码：B文章编号：1009—7716(2014)09—0185—03到全桥的振动响应，因而脉动测试

2、不需要任何激1概述励设备，特别适用于测量结构整体的自振特性。在桥梁检测中动载试验是动力测定评价方法2．2频率与振幅的基本测试项目，是为了满足工程应用的需要，应将各测点获得的环境振动数据通过滤波除去用理论分析与试验测试结合的科学方法解决桥梁高、低频信号成分，然后对滤波后的数据进行功率振动问题的必要手段，其对桥梁使用状况和承载谱和互功率谱分析，得到各测点信号的功率谱密力的评价提供了重要的数据参数【”。桥梁检测中动度函数以及各测点与参考点信号之间的相干函数载试验的内容主要是结构动力特性和动载响应的及相位差函数。功率谱密度与相干函数用来确定试验与分析，量测的主要部位是结构

3、动力效应最各模态的频率，功率谱密度与相位差函数用来确大构件的动应力及动变形的控制截面。一收来说，定各模态的振型。各阶模态的振型通过用参考点检测项目主要包括：(1)桥梁动力特性模态参数测的某阶频率的功率谱幅值去除各测点对应频率的试(频率、振形、阻尼比)；(2)桥梁动力响应测试(动功率谱幅值，就可以得到对应某一频率各测点对挠度、动应力、加速度，冲击系数)。于参考点归一化的振型幅值，振型位移的方向可脉动测试法也称环境随机振动法，是诸多桥以通过对应频率各测点与参考点之间的相位差来梁固有模态测试方法中的一种快速有效实用的方确定。法，尤其在大跨度桥梁测试中应用广泛。随着测试2

4、．3模态分析和鉴定技术的快速发展和结构的有限元理论不断完采用模态分析对结构进行非破坏性的鉴定的善，脉动测试法对研究和探讨采用结构动力特性方法是较早提出的一种理论方法，至今在大型工程来进行抗震、抗风分析，诊断结构损伤，确定损伤结构的应用方面仍然没有得到很好发展。模态分析位置及程度，预防结构发生灾难性破坏，保证结构可识别自振频率的变化，可看到缺陷对自振振型的的安全使用等，具有重要的理论意义和工程实用影响。在许多情况下用模态保证判别式(MAC)来确价值【21。定结构在两种状态下自振频率间的相一致性【。T、I2l，⋯，2脉动测试与模态分析MAC=—(1)))2．1脉动测试

5、方法式(1)中：为结构在第一种状态下第i阶自振振结构在环境扰动作用下，例如自然风、地脉型；为在第二种状态下第i阶自振振型。动、机器、车辆引起的扰动等，虽然引起结构的振因此，MAC公式的意图是在振型上作比较。当幅较为微小，但脉动响应包含的频率相当军富。脉不同振动的自振频率彼此非常接近时，此公式就很动测试是通过超低频加速度传感器拾取大桥各测适用。虽然MAC公式可告诉我们两种状态下未被量部位的环境振动响应，通过预先计算确定前n破坏和已破坏的结构间自然振动的一致性，但其未阶振型中振幅较大的点，在这些点布设传感器，得考虑到位移的局部偏差。我们可采用另外一种判收稿日期：201

6、4一o4—23别式，称作协同(坐标)模态保证判别式(COMAC)来作者简介：刘鹏(1982一)，男，陕西眉县人，硕士，工程师，从事表达：桥梁设计工作。186管理施工城市道桥与防洪2014年9月第9期rⅣ]2因此，本文在计算中采用两节点直线杆单元，其刚l∑)"1)id)l度矩阵与轴向受力杆件相同，而自重垂度的影响则COMA~———————一(2)用等效弹性模量来考虑，同时将索锚固点定为主∑)·)·∑U)"V／d(，)梁单元的自然节点。主梁单元的每个节点通过与i=1=1主梁纵轴垂直的两根刚度较大的横鱼骨与索单元式(2)中：)为结构在点第一种状态(原相连，两点间为主一从

7、约束关系，从而使得横鱼骨始状态)第阶振型的位移；)为结构在点第只出现刚体转动。主塔用三维梁单元模拟，截面变二种状态第i阶振型的位移；N为受激励的振动化处和索锚固点为梁单元的自然结点。次数。如果COMAC等于1，则在第一种状态(原始表1主桥实测自振频率与振型特征及阻尼比的)和第二种状态(破坏的)的挠度坐标间没有区别。如果COMAC较低，显示坐标有区别，则结构就有受损的可能性。COMAC方法已被捷克共和国科学研究院理论和应用力学研究所采纳并应用于识别缺陷、破损和破裂等[41。3工程实例3．1结构描述某特大桥主桥为三跨双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。跨径为152m+370

8、m+152