[发明专利]正常交通流下斜拉桥模态参数测定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及斜拉桥模态参数测定方法，本发明尤其涉及一种正常交通流下斜拉桥模态参数测定装置及方法。

背景技术

结构损伤的发生必然导致结构模态参数(刚度、阻尼和振型)的改变，利用振动方法对斜拉桥进行结构损伤诊断的基础就是从斜拉桥振动模态的变化中提取破损诊断所需动力“指纹”。在结构无损检测的方法中，振动检测方法具有经济有效而且使用起来比较安全的优点。从传感器测试设备到相应的信号处理软件，振动模态测量方法已有几十年发展历史，积累了丰富的经验，振动模态测量在桥梁损伤检测领域的发展也很快。测量构筑物自振特性的方法很多，目前主要有稳态正弦激振法、传递函数法和环境脉动测试法。稳态正弦激振法是给结构以一定的稳态正弦激励，通过频率扫描的办法确定各共振频率下结构的振型和对应的阻尼比。传递函数法是用各种不同的方法对结构进行激励(如正弦激励、脉冲激励或随机激励等)，测出激励力和各点的响应，利用专用的分析设备求出各响应点与激励点之间的传递函数，进而可以得出结构的各阶模态参数(包括振型、频率、阻尼比)。环境脉动测试法是利用结构物(尤其是高柔性结构)在自然环境振源(如风、水流、地脉动等)的影响下，所产生的随机振动，通过传感器记录、经过谱分析，求得结构物的动力特性参数。

以上三种方法各有其优点和局限性。利用共振法可以获得结构比较精确的自振频率和阻尼比，但其缺点是，采用单点激振时只能求得低阶振型时的自振特性，而采用多点激振需较多的设备和较高的试验技术；传递函数法应用于模型试验，常常可以得到满意的结果，但对于尺度很大的实际结构要用较大的激励力才能使结构振动起来，从而获得比较满意的传递函数，这在实际测试工作中往往有一定的困难。

利用环境随机振动作为结构物激振的振源，来测定并分析结构物固有特性的方法，是近年来随着计算机技术及FFT理论的普及而发展起来的，现已被广泛应用于建筑物的动力分析研究中，对于斜拉桥及悬索桥等大型柔性结构的动力分析也得到了广泛的运用。斜拉桥或悬索桥的环境随机振源来自两方面：一方面指从基础部分传到结构的地面振动及由于大气变化而影响到上部结构的振动(根据动力量测结果，可发现其频谱是相当丰富的，具有不同的脉动卓越周期，反应了不同地区地质土壤的动力特性)；另一方面主要来自过桥车辆的随机振动。如果没有车辆的行驶，斜拉桥将始终处于微小而不规则的振动中，可以发现斜拉桥脉动源为平稳的各态历经的随机过程，其脉动响应亦为振幅极其微小的随机振动。通过这种随机振动测试结果，即可确定各测试自由度下的频响函数或传递函数、响应谱等参数，进而可对结构模态参数(固有频率、振型、阻尼比等)进行识别。

通常斜拉桥的环境随机振动检测往往是在限制交通的情况下进行的，采用风振及地脉动作为环境振源，很少采用桥上车辆的振动作为振源。这是因为一般斜拉桥甚至各种其它桥梁的振动检测往往在桥梁运营的前期进行；另一方面车辆振动作为输入信号截止目前还没有成熟的理论和实践支持，目前的成果仅停留在通过测试车辆对桥梁的振动响应来求算冲击系数。然而，对斜拉桥进行健康监测、破损诊断，必须提取运营期间的动力指纹，健康监测占用时间长(全天候的)，因此无法限制交通；振动监测应该真实反映桥梁实际状态下固有的振动特性，限制交通无法反映这种真实的状态。

钢材疲劳腐蚀、预应力松弛、桥梁变形等诸多因素会使斜拉桥发生局部破损，这些局部破损虽然不会立即导致整个结构的破坏，但对其安全构成了潜在的危险。局部破损会引起斜拉桥整体刚度下降及承载能力降低，影响车辆的行驶质量，严重者会出现失稳破坏。其结果不仅缩短了结构的使用寿命，而且还威胁到人员生命和财产的安全。如果能及时发现破损，并诊断出局部破损的位置及破损程度，就能使维修人员制定出正确的维修策略，进行及时的修复，这对于保障人们的生命财产安全尤为重要。

任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵(统称结构参数)构成的动力学系统，结构一旦出现破损，结构参数也随之变化，从而导致系统频响函数和模态参数的改变，这种改变可视为结构破损发生的标志。这样，可利用由试验所测试的结构破损前后的动态数据来诊断结构的破损，进而提出修复方案，现代发展起来的“结构破损诊断”技术就是这样一种方法。其最大优点是将导致结构振动的外界因素作为激励源，诊断过程不影响结构的正常使用，能方便地完成结构破损的在线监测与诊断。