环境振动模态分析法在道路桥梁检测中的应用探析

闫早军

◆摘  要：近年来，我国社会经济不断发展，交通运输行业规模不断拓展，而道路桥梁在交通运输行业中发挥了至关重要的作用。但从我国道路桥梁目前情况来看，很多桥梁受到外界因素和内在因素影响，给道路桥梁结构造成严重影响，甚至给人们安全造成损害。本文利用环境振动模态分析法为基础，对环境振动激励进行深入研究，将环境振动模态分析法与传统分析法进行对比，发现桥梁在实际测量时要注意那些问题，针对桥梁检测中出现的问题提出针对性措施，从而给道路桥梁检测提供正确的分析方式

◆关键词：道路桥梁检测;环境振动模态分析法;应用

1工程结构模态分析的发展

1.1频域分析方法

结构模态识别从分析方式方面可分为时域方法和频域方法。频域识别方法是以结构是以结构为基础的各阶振动模型，他们之间相互独立，构成一个正交函数系属性，将结构振动分解成为结构模态分量的叠加。目前，频域识别方法通常是使用傅立叶变化，随着科技不断发展，给傅立叶带来较大改变，快速傅立叶变换技术因此诞生，将信号从原来的时域变换转变为频域，尤其是专业FFFT谱分析仪出现，让频域内参数识别技术取得质的突破。同时，时域识别方法可分为单模态识别方法、多模态识别方法、频域总体识别方法、分区模态综合方法。对于那些耦合较小结构，利用单模态识别方法就能满足识别精度。而对于那些耦合较大的结构，则必须要利用多模态识别方法。单模态识别方法又分为最小二乘圆拟合法和直接估计法。直接估计方法认为结构观测数据具有较强准确性，并不具有误差和噪音，可直接利用单自由度结构频响函数各种曲线的特征进行参数识别，由于该方法主要是以特征曲线图形作为基础，来进行参数识别，从而被人们叫做图解法。最小二乘拟合法属于曲线拟合法，其基础思想是根据实际测量的频响函数数据，用理想导纳元去构建导纳圆，并按最小二乘原理计算出导纳半径，而其他模态参与评估则建立在图解法的基础上。

1.2环境振动试验和环境振动分析方法

由于结构环境振动幅度不大，环境振动试验描述结构振动的线性行为。其一般被用来描述振动响应组成部分和损伤结构的线性行为，也被专业人士用来发展频域和时域的模态分析理论模型，这些理论模型可被应用在工程结构的健康监测和振动控制方面。对于那些处于工作状态的工程结构，人工激振实验要求较大的激励力，能让结构出现较大响应。而外力一般应用在建筑结构顶部，这会突出振动激励模态，在结构上部会产生大规模振幅。

2模态分析理论

无论何种系统都能产生较大振动。而模态分析是解决振动问题最有效的方式，在给定额段内系统的固有动态特性，通常可用一组独立的振动模式来表示。同时，不同振动模式都会具有不同的振动频率、振型、阻尼率等，这些就是所谓的模态参数。阻尼率和固有频率通常会被人叫做全局参数，他们可不进行结构改变，可从取自结构的任何频率响应测量内获取。振型则是可描绘所有部分相对位移的挠度模型。模态参数课利用测量的方式，在无数测量点和参考点之间的频率响应来获得数据。模态分析是当发现自然振动时分析其频率，阻尼率和振型都是模态分析当中最重要的工具。模态参数不仅可应用在机械工程领域，还可应用在其他领域，如模式更新、模型确定、健康监控、质量方面等方面。

2.1环境振动模态分析的概念

环境振动模态分析已被普及到各个领域，尤其是在机械工程领域方面应用最广。在实际生活当中，实验室环境和实际操作条件具有较大差异。考虑到非线性结构以及周围环境对结构所造成的影响。环境振动模态分析也被称为运行模态分析、周围环境振动模态分析等，但不管被称为任何名称，其结构和内容都极其相似;使用自然激励作为系统输入，如海波浪、风、交通工具等，也就是通过没有任何人工输入的振动响应信号来估计模态参数。

2.2环境振动模态分析与传统模态分析相比的优点

2.2.1便于测量

环境振动模态分析的测量要比传统模态分析简单很多，其利用自然力作为输入，不需要任何激励器，可有效避免为了选择较好的激励点而反复移动激励器，能给工作节约大量的时间。

2.2.2持续性测试

为了获得更精确的测量数据，有时需要对结构进行长期的测试，有时是几周甚至几个月，这是目前传统模态分析的重要问题。归根结底是因为传统模态测试设备很容易老化、结构被长时间占用。而环境振动模态分析就有效解决这一问题，在实验期间结构仍然可像平常一样正常使用。

2.2.3多输入多输出模态技术

环境振动模态分析属于多输入多输出技术。自然的输入力量涉及范围较广，如交通、风等，可同时激励结构的很多点。传统模态分析则属于单输入输出技术，多输入多输出技术可发现重复几点，从而提升模态数据精准度。

2.2.4现场模态测试

在信息化时代背景下，为了保证我国交通运输业有效进行，需要对现有桥梁进行荷载试验工作，并且在荷载试验工作中，需要丰富检测桥梁经验，才能提高公路桥梁的工程质量。而当涉及到结构现场测试，如建筑物、旋转机构等，冲击锤和振荡器是无法作為激励源。在这种情况下，传统模态分析无法有效实施，因为有很多未知的输入量存在结构内，这对于传统模拟分析来说是一个严重的问题，但这正是环境振动模态分析的优势。对于环境振动模态分析而言，随机输入源越多其获得的模态分析结果越优异，因为这项技术来自于实际的现场测试，这也是为何将这项技术成为环境振动模态分析的主要原因。

3环境振动模态分析在桥梁实际检测中的应用

3.1对被测桥的描述

实验对象是一座连接两栋大楼2层的桥梁，其总长度为19m，桥面厚度未知。

3.2实验设备

一台戴尔Insprion 6000型PC机;三台8306型压电式加速度计;信号调节器;加速度计电源;对K2635型电荷方大器;National Instrument 生产的16位A/D转换卡。

3.3实验描述

这项实验主要目的是集中小桥的振动，加速度作为输出响应。当在反应测量选择传感器类型时，必须要注意传感器要符合实验对象频率范围和敏感性的要求。测量土木工程结构的多点位移属于一种非常复杂的工作;速度传感器有利于测量固定频率在F大于4.5Hz的结构，而大部分工程结构固有频率较低。因此，高敏感度的加速度计是研究这类结构的首要选择。这个实试验主要是利用环境振动模型来进行分析，意味着只测量输出响应，而输出量处于未知状态。整栋桥梁的长度为19m，每隔一米取一个点，总共有20个点。工作人员可利用跳跃的方式，在桥上找到振幅最大的点，将其最初初步的参考点，经过试验发现，可将8号点作为主要参考点，将一台加速度计放在8号点上面，而其他两台则沿着桥面进行滑行，从而测试其他点的数据。压电式加速度计需要找到一个合适的电源，并将其产生的模拟信号，利用电缆传输到一个具有16位数的A/D转换卡的数据采集系统内。这个系统主要是由一台戴尔PC机构成。

数据以500HZ的频率在60s测量时间内采样所得，每次测量共有300000个样本记录。并且每次在收集数据后，都要在电脑上绘制频谱图，从而确保被记录的数据能满足试验需求。同时，可利用随机脚步作为桥的环境激励，随机选择一个人在加速传感器附件进行跳跃，跳跃时间一分钟，但由于桥具有较强的高阻尼，脉冲响应还未持续较长时间，因此很难得到高质量实验数据。想要得到高质量实验数据，必须要满足以下条件：第一，在研究过程中结构产生至少一次共振;第二，结构固有振动在零节点上进行激励时，应当没有任何风险;第三，环境激励要存在一定宽度，这样才能对频带进行激励。

3.4实验装置和测试

经过Matlab中的getdata函数收集桥的相应数据，matlab函数显示如下：[V，t，f s，range]=ge tdata （fS，meastime，channels，range） ：在取得相关数据后，要对其进行数据分析，从而判断其合理性，因此使用函数maketime生产一个时间向量，通过plot函数来绘制信号图（如图2所示）。

事实上在这次测量当中，本来有5台压电式加速度计，但由于各种原因，其中有两台加速设备被损坏，后来想要一台小压电式加速度计来替换，但并未成功，归根究底是在进行环境振动模型分析时，对设备灵敏度要求较高，这同样是环境振动模态分析的缺陷。

3.5数据分析

在最初分析以上数据后，可计算出所关心的频率范围在7-16hz以内，所有模式都可在参考点8找到，因此，将其作为主要参考点是最好的选择。首先，要使用与仿真部分相似方法，来判断出交互相互性函数和自相关性函数。对每个装置而言，都需要计算出垂直方向上所有响应和8号点响应之间的关系。而从以上两种函数可评估出桥梁阻尼率和固有频率。而对于统一參考点不同装置的函数而言，可将其构成一个全新模型，这个模型能对阻尼和频率进行全面计算。除此之外，稳态图是用来显示极点稳定性，交叉谱密度和功能则可根据段基和离散傅立叶变换的平均值来进行技术。

3.6用峰值法来计算模态参数

将测量加速度作为被随机脚踏小桥的振动数据响应。通过利用上述getdata函数收集到桥的响应数据为：[V，t，fs，range]=getdata（fs，meastime，channels，range）;这里共有10组数据，将每个机构的数据以组为单位分别存储到calck到calc10之中，每个机构报告三个频道的振动数据，参考点8就是其中之一。例如：循环数据包含V2，V1和V8，V1和V2代表点2和点1的加速度相应数据，V8是参考点8的加速度响应数据，这样依次列推，直到将calc10全部测量点保存。但值得注意的是，在保存加速度响应数据前，一定要检查其是否能被用于数据分析，这样才能使用Matlab函数在时域内进行绘图，从而将第一次测量作为例子。

4桥梁实际检测的有关问题

4.1测量误差对损伤诊断的影响

在结构模态测量之中中，会出现各种测量噪音，给模态识别结构带来较大偏差，而上述所有分析都是以正确的模态数据为基础，即是利用实验模态分析方式，来得到结构损失前后最真实情况，再利用模态测试技术与其他实验技术特征，来判定测量会受到哪些方面的影响，如实验设备、电磁干扰、环境影响、操作人员等方面影响，从而给真实情况和测量结果产生不同偏差值，甚至会在结构方面出现一定损伤，导致结构模态参数产生变化，以至于在利用原有的损伤诊断方法对结构进行损伤评估时，所得数据和结论正确率不高。

4.2实测波形的失真和校正

4.2.1波形失真的原因

在我国有很多桥梁出现构件破损的现象，这样的破损会直接导致桥梁承载能力大大减弱，产生严重的安全隐患。为确保桥梁安全性，需要对桥梁构件力实行试验，检测出桥梁的破坏对桥梁承载力的影响程度，如果出现严重影响承载力现象出现，就要及时对桥梁构件实施加固，保证车辆的正常运输，减少事故发生概率。而导致桥梁测试波形失真的原因趋于多样化，如随机因素、可确定因素、随机因素和可确定因素共同干扰。可确定因素通常包括：测试仪器的相频特性;测试仪器的幅频特性;桥梁力学特性与测试仪之间的相互关系;测试仪器的初动特性等。随机因素有：测试中参数设计的更改、仪器本身漂移和噪音、仪器受外界环境的干扰等。

4.2.2波形失真的校正

相对其他类型工程来说，桥梁工程的建设过程中，对于投资以及工程质量问题要求较高，并且在进行桥梁建设的时间相比其他工程过长，因此对于桥梁的检测工作就变得尤为重要。而这种由因素引发的波形失真校正工作，一般是采用傅里叶变换理论，对测试波形进行频谱分析，细化出各个部分频率分量，将属于干扰频率分量删除，再将实测波形细化成几个分量波形，根据仪器频率响应特征对相位和福值进行调整，最后实施傅里叶逆变换，将校正后的分离结合成最接近真实的波形。

5 总结

综上所述，公路桥梁在发展过程中，更好推动了我国经济飞速发展，为了我国公路建设的持续发展，应重视桥梁的荷载检验工作，严格要求自己，才能保证公路桥梁在实际运行中，发挥其应有功效，保证交通运输业正常运行。由于桥梁结构完全是按照力学原理为基础，进行相应设计，并未具有智能化和生命化，无法及时预测自然灾害的作用，无法采取适合措施来保障自身安全。因此，企业要提高对桥梁健康检测手段的认知程度，认识到环境振动模态分析法对桥梁的重要性，以及环境振动模态的应用方法，这样才能确保能获得桥梁真实的健康情况，为提高桥梁安全性打下坚实基础。

参考文献

[1] 杜明珍. 环境振动模态分析法在道路桥梁检测中的应用与探索[C]. //2020年中小学教育减负增效专题研讨会论文集. 2020：491-493.

[2] 罗锟，张新亚，雷晓燕. 高架轨道箱梁结构振动试验模型设计与校验[J]. 交通运输工程学报，2021，21（03）：146-158.