桥梁结构的振动测试及案例解析

1.桥梁振动的因素

汽车发动机抖动，路面不平，人群载荷，风载荷，地震等。车辆数量的增加，负载能力的增加和速度的增加，都增加了桥梁的振动。对于大跨度和超跨度桥梁，地震和风荷载通常是控制因素。因此，车辆振动和其他动载荷已成为桥梁设计，施工，管理，维护和修理的重要因素之一。

桥梁结构的振动问题大多采用理论分析与现场试验相结合的研究方法。因此，振动试验是解决工程结构的重要手段。

2.桥梁振动测试技术的发展

振动测试技术的发展：一方面，它已广泛应用于风洞测试，模拟地震振动台测试和拟动力测试中；另一方面，它是在地震荷载，风荷载和车辆动态荷载作用下的工程结构中显示的。动态响应的现场测试方法有了很大的改进。

1.桥梁结构动载荷试验

使用某种激励方法来激发桥梁结构的振动，确定试验项目的固有频率，阻尼比，模态形状，动态冲击系数，动态响应（加速度，动态挠度）等参数，从而判断宏观上的桥梁结构整体刚度和运行性能。

桥梁结构的动态载荷测试的目的和内容与静态载荷测试的目的和内容不同，但是对于全面分析桥梁结构的工作性能也同样重要。

通常，使用现场的实际结构测试，有时可以将结构模型用于动态载荷测试（实验室测试），例如风洞测试（大跨度桥梁的风致振动测试），模拟地震台（桥梁结构的地震反应测试）等。

2.动态负载测试的目的

根据动载荷测试的目的，动载荷测试主要是测试桥梁结构的动力特性，强制振动响应的测试以及动载荷的动力特性的测试。对于一般的桥梁结构，主要是测试桥梁结构的动力特性和桥梁结构的响应。

结构动力特性：固有频率，阻尼特性和振动形状。

强制振动响应：振幅，动应力，加速度等

动载荷的动态特性：测量引起结构振动的力的大小，方向，频率和作用规律。

3.动态测试系统

动态测试系统主要由四个部分组成：振动拾取器，信号放大器，信号采集仪和振动测试分析系统。振动拾取器将电桥振动的振动信号转换为模拟信号，该模拟信号由信号放大器放大，然后传输到信号采集仪器。

信号采集仪器对放大后的模拟信号进行数据采集，并通过A / D转换模块将模拟信号转换为数字信号。采样参数由信号采集器和现场监控计算机采集并控制。通过动态测试分析和模态分析软件，现场收集的各种桥梁动态数据被用于分析桥梁振动测试分析和桥梁振动模式。

图3桥梁振动测试系统的组成

4.动态测试信号

在桥梁结构的动态载荷测试中，随时间变化的物理量通常称为信号，例如挠度，应变，振幅，加速度等。

动载荷测试信号较为复杂，表现为：

振动源和结构的振动响应随时间变化，这是随机的和不确定的。

桥梁结构具有许多自由度，并且车辆和桥梁的耦合振动使其动态特性更加复杂。

干扰信号和不规则现象很多。

动态信号的时域描述

信号幅度随时间变化的数学表达式称为信号的时域描述。例如加速时间历史曲线，位移时间历史曲线等。信号的时域描述相对简单直观。通过多个测量点的时程曲线，可以分析结构的振幅，模式形状，阻尼特性，动态冲击系数等参数，但不能清楚地揭示信号的频率成分和振动系统的传递特性。

动态测试信号的频域描述

对信号进行频谱分析，研究其频率结构及其对应的幅度，即使用频域描述。需要通过快速傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，以确定结构的频率和频率分布特性。

5.桥梁结构动力响应测试

桥梁结构振动测试传感器的布局应根据结构形式确定。根据理论计算得出的振动模型的近似形状，应将传感器布置在位移较大的位置，以测量桥梁结构的最大响应。

根据激励方法，桥梁振动测试分为自然振动法，强制振动法和脉动法。

振动测试方法的选择应基于桥梁的类型和刚度，以及简化和易于测试的原则。通常，将上述方法中的一种或两种结合起来以充分掌握桥梁结构的动力特性。

自然振动法

使桥产生衰减的自由衰减振动，并且记录的振动模式是桥的衰减振动曲线。通常，通常使用突然装载和突然卸载的两种方法。

（1）突然加载方法

快速冲击力施加到被测结构上。在现场测试中，测试车辆的后轮突然从三角垫上掉落，对桥造成了冲击，并引起了桥的垂直振动，这称为跳跃测试（见图4）。当测试某个组件（例如电缆时的振动）时，经常使用橡皮锤产生冲击。

（2）突然卸载方法

预先向结构施加载荷以使结构产生初始位移，然后利用结构的弹性产生自由振动，突然消除载荷。为了卸荷，可以采用自动解钩装置或割绳机等方法，有时还专门设计了一种折断装置，即当预加力达到一定值时，将折断装置置于中间。绳索突然断裂，从而激发结构的振动。

强制振动法

强制振动方法使用特殊的激励装置将激励力施加到桥梁结构上，以使结构产生强制振动，并使用共振来确定结构的动态特性。对于原型桥梁结构，通常使用测试车辆以不同的速度通过桥梁，从而导致桥梁产生不同程度的强制振动，称为“跑车测试”（见图5）。在测试过程中，经常以20、30、40和50 km / h的速度将测试车辆用于跑车测试。

6.脉动法的桥梁模态试验实例

经过模态试验的桥梁主桥上部结构为直管式钢管混凝土系拱桥，采用刚性系梁刚性拱结构。拱肋拱轴采用悬链线，中间设置有钢管混凝土拱肋。对于桁架类型。拱肋由4条钢管组成。桥上装有17对吊杆，拉梁采用单箱三室箱形截面。

振动测量点布局

根据桥梁的结构特性和有限元模态分析的前10个频率范围，桥梁模态主要布置了两种类型的垂直振动测量点（见图6）和水平振动测量点（见图7）。测试。加速度计。总共布置了29个垂直加速度传感器测量点以测试桥梁的垂直模式或扭转模式，节点28，节点1117，节点2026，节点2834、28个测量点和节点10。在该位置设置参考点。桥梁水平振动测试13个水平加速度传感器测量点，节点8-14布置7个桥面板水平测量点，节点22-26布置5个水平测量点在拱上，参考点布置在该位置附近节点8。

模态测试结果

实测桥梁采用随机子空间方法结合稳定性图和模态动画显示，提取桥梁结构的前六阶模态和模态参数。表1中显示了测得的和理论计算出的模态参数，图中显示了测得的模式。

表1桥梁模态试验分析结果