基于插值fast Fourier transform谐波分析的桥梁状态评估方法

桥梁的环境振动信号包含了各种环境噪声成分,如何从噪声影响中提取桥梁的真实自振频率,并进行桥梁状态评估是亟待解决的问题.本文对环境激励下的大跨桥梁响应信号进行了研究,根据环境激励在低频段近于平白噪声以及线性系统在环境激励下,各输出点测量信号之间相关函数与结构的脉冲响应函数具有相同的数学表达式——均是主频正弦函数的叠加这一特点,建立了插值fast Fourier transform(FFT)频谱校正技术分析各测点相关函数的方法.该方法能在白噪声背景下精确提取桥梁振动频率、幅度和相位等模态参数,简单实用,不仅能在线识别参数,而且对桥梁单点激励和多点同时激励均适用.将校正后的主频与三维有限元计算结果相对比,能对桥梁结构整体状态和工作性能进行评估.最后,一座实桥动力试验和计算结果证明了该方法的能有效用于运营条件下桥梁状态的评估.     

润扬大桥斜拉桥模态频率识别的环境变异性

为了研究大跨斜拉桥振动特性的环境时变特征,对润扬大桥斜拉桥的实测加速度响应进行了模态参数识别.采用峰值法识别了润扬大桥斜拉桥的主要模态频率,并详细地考察了日常运营条件下实测模态频率的环境变异性.分析结果表明,实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与斜拉桥实测模态频率存在较为明显的相关关系,主要表现为环境温度的变化对模态频率的影响是长期性的趋势,而交通荷载和风荷载对模态频率的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化.环境激励下润扬大桥斜拉桥整体振动的模态频率在1天内可以发生约1%～4%的变化,其日平均值在1年中可以发生约1%～2.5%的变化.     

桥梁模态频率与运营环境作用的相关性

桥梁模态频率随运营环境作用的变化规律是结构健康监测的研究主题之一.根据东海大桥6a监测数据的周期变化特性,识别了运营条件下主梁竖弯、侧弯、扭转基频变化的影响因素,采用偏相关系数和周期平均法对比了各因素的影响程度.研究发现,东海大桥的模态频率存在1 a、1周、1 d、12.42 h等变化周期,与结构温度、交通荷载、风荷载、海面高度等的变化周期相吻合;结构温度和交通荷载是引起该桥频率变化的最主要因素,它们在各周期上的相对影响大小不同;周期平均法可有效分离监测数据中的年、周、天周期成分,揭示不同运营环境作用与频率变化的相关性.研究结果有助于加深对桥梁运营期频率变化的理解,从而更准确地评估结构性能.     

车桥耦合动力学系统模态综合分析

由于桥梁上的车辆荷载是一个带有质量的振动系统，从而使得桥梁在该荷载作用下的动力响应问题比一般结构动力系统的响应问题更复杂。车辆和桥梁可看成一个整体耦合动力学系统的两个分支，并引入模态综合法来分析其动力响应。结果表明利用模态综合法可以将车辆与桥梁之间的边界作为系统的内部耦合条件，从而使边界条件比较明确。     

上海中心施工过程动力特性的数值模拟与监测

为分析上海中心在施工阶段的模态变化,对其在施工阶段的动力特性进行长期监测,介绍某次环境激励下的振动测试,分析施工活动对模态识别的影响,并提出应用短时傅里叶变换技术选取合适监测数据以减少施工活动干扰,提高识别精度。最后,将识别结果与考虑实际施工过程的Midas/Gen有限元模型计算结果进行比较。研究结果表明:施工阶段下结构的加速度振动幅值随施工阶段明显增大;模态频率实测结果低于数值模拟结果;应用短时傅里叶变化技术选取合适监测数据能有效减少施工干扰;基于环境振动的施工阶段模态参数识别可用于修正上海中心的初始有限元模型,为今后运营阶段的健康监测提供更精确的基准模型。     

拼装式钢桁桥振动特性研究

研究桥的振动特性是解决实际桥梁振动问题的前提条件。根据拼装式钢桁桥的结构特点，基于通用有限元程序构建结构实体模型进行振动分析，并对自振频率和振动模态的变化规律及影响因素进行了探讨。样桥计算结果与试验结果吻合。分析表明，拼装式钢桁桥振动频率具有集聚现象；自振频率及各阶模态位移幅值随着桥跨度的增大而减小。     

基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估

桥梁基础水文作用是引起桥梁结构功能及安全性能失效的首要原因,而桥梁冲刷又是水文作用最主要的表现形式.依托舟山大陆连岛工程金塘大桥主通航孔桥,提出一种基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估方法.首先,利用白噪声地震波模拟环境振动激励,采用动力时程分析法模拟环境激励下的上部结构振动,并获得其加速度响应,同时在振动过程中实时模拟基础冲刷深度的连续发展,进行环境振动激励下桥梁模态参数与冲刷发展的关联性分析,研究该方法的识别敏感性.进而,利用数值动力参数分析研究上部结构既有局部损伤多种组合形式对桥梁结构模态参数的扰动程度,以确定非冲刷损伤形式对桥梁冲刷动力评估方法准确性的干扰.最后,以模态分析中的低阶模态参数作为样本输入,以冲刷深度与墩位的不同组合作为样本输出,建立BP神经网络,实现桥梁冲刷深度与墩位的同步评估.研究结果表明:利用自振频率构建的动力指纹对冲刷发展较为敏感;该方法无论对冲刷深度还是冲刷墩位均具有较高的识别准确度,且可忽略有限局部损伤对识别准确性的干扰.该方法不需要水下操作,不需要昂贵的测试设备,仅需要加速度传感器以及数据采集装置,便于融入常规桥梁检测项目中.     

连续梁桥模态分析与试验

为了研究弹性基础上连续梁的振动特性，提出了连续梁桥墩的振型函数表达式。对室内连续梁桥模型进行静力试验和模态试验，并与有限元模型对比分析，研究了连续梁桥在纵桥向和横桥向的自振特性。结果表明：考虑上下部结构共同作用时，连续梁桥的低阶振动形式主要表现为桥墩的弯曲振动，试验测得的频率和由理论振型函数计算的结果误差不超过6％；说明该桥墩振型函数可以较好地应用于连续梁桥的动力计算中；这种方法可以为此类桥梁的动力和抗震分析提供参考。     

基于上部结构振动响应的杭州湾大桥桥塔冲刷状态分析

提出了一种基于上部结构振动响应的桥塔冲刷状态分析方法.该方法首先基于理论分析得到的冲刷敏感模态确定传感器布置方案,进而对环境振动(大地脉动)下的桥梁结构加速度数据进行多次采集,并通过对实测数据模态分析得到相应的模态参数变化.通过对比跟踪桥梁上部结构不同构件、不同模态的动力特征变化,对桥塔冲刷发展状态进行评估.在杭州湾大桥桥塔冲刷评估中完成了该方法的实桥应用,对不同构件与模态形式的冲刷敏感程度进行了分析,并利用水下河床三维量测对该冲刷动力评估方法的准确性进行了验证.结果表明,该方法在实际应用中,跟踪上部结构振动响应可以准确高效地识别出桥塔冲刷发展的状态,选择低阶振型或桥塔构件进行跟踪对桥塔冲刷发展更为敏感,且具有经济、便利、无需水下操作的特点.该方法可避免传统冲刷检测技术中常见的水下安装作业,实现桥梁冲刷发展状态的快速诊断,并可融入常规的桥梁检测项目中.     

不中断运营的既有桥梁模态参数识别

为了在不中断桥梁运营的前提下使结构模态参数识别结果更精确,采用随机子空间方法对汽车荷载和环境激励共同作用下的不中断运营的桥梁结构进行模态参数识别研究,并采用一三跨连续梁的有限元模型进行了验证。结果表明,随机子空间方法可以识别汽车、环境共同作用下的桥梁结构模态参数识别,可以有效地识别环境激励下的不中断运营的桥梁结构的模态参数,拓展了随机子空间方法适用范围。     

温度对桥梁动力特性的影响研究

摘要：环境因素（如温度和行车荷载等）变化会引起的结构动力特性的变异,因此,在基于振动的结构健康监测和损伤识别技术中,如何区分环境因素变化与结构损伤所引起的结构动力特性的变异性,并量化环境因素对结构动力特性的影响显得非常必要。本文在吉昌特大桥通车前对其主桥和引桥的动力响应和温度分别进行了测试。首先,用模态自动识别程序识别得到两座桥的前三阶模态。其次,得出箱梁桥的前三阶模态频率和T型梁桥的第三阶模态频率与温度具有显著的负相关性的结论。最终,分别建立了两座桥的动力特性与温度之间的线性回归模型。     

高速公路桥梁动力响应统计分析

车辆行驶引起的桥梁振动的动力响应数据是车桥耦合振动分析中重要参数。采用超声波测速仪、录像机及桥梁动态测试仪同人工记录相结合的方法,对高速公路交通荷载各要素进行24h连续、全面调查,记录的数据包括车型、车速、行驶车道、车辆到达时间以及每辆过桥车辆引起的桥梁动力响应数据。本调查采集了8片梁的5 650单车过桥的动响应数据,研究了交通荷载调查样本中不同梁体的动力响应数据的统计规律,全面分析了高速公路交通荷载车辆过桥引起的桥梁动力响应的时空分布规律。研究结论能够给车桥耦合振动研究及相关研究提供有益的理论指导和数据支持。     

桥梁结构全息模态参数识别方法试验研究

针对传统桥梁结构健康监测中使用的接触式传感器存在数据离散性大、安装程序繁琐、难以反应桥梁结构整体状况等局限性,本文基于全息视觉传感器智能监测系统,识别结构全息几何形态在相应时空域上的振动信号,较为准确的获取结构全息图像数字化位移坐标信息,同时针对提取的振动位移进行频谱分析,获取桥梁结构的模态参数,实现对桥梁状况的基本识别。本文对一座缩尺模型桥进行试验验证,研究结果表明：全息视觉传感器智能监测系统测试结果与位移传感器测试结果吻合度较高,针对竖向荷载响应的功率谱,两种方法实测结果在低频范围内都能够较好地吻合,振型变化趋势基本一致。基于全息视觉传感器智能监测系统的桥梁形态监测真实、连续、敏感,较为准确地反映了结构在各工况下的位移变化和模态响应,后期将会进一步优化全息视觉传感器监测系统识别灵敏度,实现在各种工况激励下的高阶模态参数和结构损伤识别。     

大跨度斜拉桥在车辆动力加载作用下的振动响应计算与监测

大跨度斜拉桥形式多样,结构轻柔,动力响应明显。为研究车辆动力加载作用对大跨斜拉桥的影响,基于健康监测系统长期监测数据建立车辆-桥梁动力相互作用分析模型,并编写相应计算程序。以福州市青洲大桥为工程背景,对随机车流进行模拟,考虑不同车辆类型及随机车流动态加载作用,建立车辆-桥梁动力平衡微分方程,验证车桥耦合振动模型,计算不同工况下由车辆载重、车距、车速等汽车荷载引起的桥梁振动响应。研究结果表明：车辆载重是影响桥梁位移变化的重要因素;控制行车间距有利于控制桥梁位移;行驶车速的提升和车辆数量的增加会在一定程度上引起主梁振动响应的加剧。研究成果可为大跨度斜拉桥的结构设计以及安全运营提供参考。     

Cross spectral energy method for damage assessment of the cable-stayed bridge under operational conditions

The new cross spectral energy method （CSEM） is proposed for maintaining cable-stayed bridge safety by the measurable output-only vibration response. Damage assessment of real structures is limited by a series of problems such as unknown ambient excitation forces, errors introduced by system identification, incomplete dynamic measurements, etc. Thus the methodology based on cross spectral energy of each substructure member is derived to meet these challenges. The novel damage index does not require any modal or parameter identification technology. It can be calculated directly from vibration test data. In order to evaluate the efficiency of the presented methodology, a three dimensional （3D） actual cable-stayed bridge model .with one or more damaged positions under operational conditions was studied. In order to testify the reliability of damage detection method, the response data was polluted by the random noise. It is proved that the proposed method can successfully localize all damage cases even in noisy data. With the help of examples, the CSEM can potentially be applied as a nondestructive evaluation technique （NDT） for on-line health monitoring of cable-stayed bridges with minimum disruption of its operations.     

九跨预应力混凝土连续梁的环境振动试验与模态分析

介绍了深圳市松岗高架桥———九跨预应力混凝土连续梁桥的现场环境振动试验的概况.利用频域中的峰值法(PP)和时域中的随机子空间识别法(SSI)分别进行桥梁模态参数识别;利用ANSYS建立了全桥三维有限元模型并进行了理论模态分析,理论计算和实测结果吻合较好.此类测试与分析有助于桥梁的状态评估与维修加固.     

润扬大桥悬索桥小波包能量谱识别的环境变异性

对润扬大桥悬索桥结构的实测加速度响应进行了小波包分析,详细地考察了环境激励下悬索桥实测小波包能量谱的环境变异性.分析结果表明,实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与悬索桥实测小波包能量谱存在较为明显的相关性,主要表现为环境温度的变化对小波包能量谱的影响是长期性的趋势,而交通荷载的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化.实测数据的分析结果进一步表明,环境温度和台风作用对于小波包能量谱的影响规律存在着较为明显的差异.相比模态频率而言,利用小波包能量谱可以更敏感地发现大跨悬索桥结构的振动特性变化.因此,基于小波包能量谱的结构损伤预警参数更适合于环境振动测试下的大跨悬索桥整体状态监测.     

道路交通引起城市人行钢桥振动特性分析

为了研究道路交通引起的城市人行钢桥振动特性,基于线性动力学理论,采用MSC.MARC建立全桥三维模型进行瞬态动力分析.通过对人行钢桥简化模型的动力求解,拟合出动力变化系数与频率比关系曲线,并对道路交通荷载引起的人行桥振动问题进行理论分析.按照实际人群密度和实测道路交通荷载激励分别计算了人行钢桥的动力响应.分析结果表明,在道路交通荷载激励下人行桥上部结构的振动较大,对于自振频率较高的城市人行钢桥,道路交通荷载对人行桥振动的影响更为明显,城市人行桥振动控制应当考虑综合激励环境下的影响.