B.0.1 测量桥梁自振特性比较切实可行的方法应该是环境随机激励法。根据目前国产仪器的性能指标及模态分析软件的能力,一般桥梁测出前几阶振动频率与振型应当无实质性的困难。但该方法也有局限,测得的阻尼比不是很理想。至于其他像车辆余振法等要想测量多阶振型是很难的。
桥梁自振特性的测试应使用高灵敏度的传感器和高信噪比的放大器,同时应具备功能较强的信号分析设备及其相应软件。环境激励法记录时间通常不少于30min。
为了尽可能测出高阶频率,应当预先估算结构振型,以便在结构的敏感点布置测振传感器(拾振器)。桥梁结构振型的测定可采用下述两种方法中的一种:
1 在所要测定桥梁结构振型的峰、谷点上布设传感器,用放大特性相同的多路放大器和记录特性相同的多路记录仪,同时测记各测点的振动响应信号;
2 将结构分成若干段,选择某一分界点作为参考点,在参考点和各分界点分别布设传感器,按上款的方式测记各测点的振动响应信号。
B.0.2 对于简单结构(如简支梁),结构振型根据结构动力学的常识就能确定;但对于复杂结构,结构不同阶数、性质(各方向的弯曲、扭转等)的振型一般需采用专门的结构分析软件确定。
B.0.3 环境激励是指地脉动或风荷载,在输入未知的条件下,利用结构的响应频谱近似确定传递函数,进而采用模态识别技术得到桥梁自振特性。
B.0.4 汽车在桥上时,记录分析所得振动频率可能包含有桥梁自振和汽车强迫振动频率,不易识别;汽车出桥后,记录分析衰减信号的频率即为桥梁自振频率。
B.0.5 跳梁法是指人群在桥梁上突然跳起,落地后根据拾振器记录的竖向振动衰减波形得出自振频率与阻尼比。力锤敲击法现场测试时,宜通过单点敲击、多点拾振获取振动曲线。
根据具体桥型和测试要求,还可采用重物冲击等人工激励方法。
B.0.6 此方法适用于其他方法不易激振的、刚度较大的桥梁,如石拱桥、小跨径梁式桥等。
B.0.7 合理布置测点:事先需了解理论振型,测点尽可能布设在控制断面上且测点数量应满足能完整地画出振型曲线的需要。由于每次试验用的拾振器数量总是有限的,所以要在桥上选择合适的参考点(将一个拾振器放在参考点上始终不动),分批移动其他拾振器到所有测点。
因为振型是考虑同一频率时的波形幅值和相位得到的,因此,除应按惯例对测振仪器系统进行定期检定或校准外,还应进行现场标定,即将仪器系统的全部传感器在同一参考点上标定:一是检查各通道灵敏度的设置(若传感器未经定期检定或校准,则按相对灵敏度设置),使经傅立叶变换后的波形在同频率时的幅值归一化,以便得到最大幅值为1的振型曲线;二是确认当前接线方式下各传感器的输出相位。注意现场标定后的仪器系统(从拾振器、导线,一直到记录通道)在使用时不宜进行变更。
所需测试的振型阶数与桥型和分析需求都有关,简支梁如果只关心竖向振动可能只需要测试一、二阶振型即可,而连续梁可能三阶也不够,复杂结构桥梁的振型更为复杂。桥梁结构振型的最少测试阶数应由桥型特点和动力分析需要的精度确定。建议结构振型测试的最少阶数为:
1 悬索桥、斜拉桥不少于5阶;
2 连续梁、刚构、拱桥和简支梁不少于3阶。
B.0.8 当桥梁结构在其某一共振频率上产生共振时,总对应着一个主振型,此时只要在桥上布置足够的测点,利用仪器同时记录它们在振动过程中的时域波形,并通过傅立叶变换得到幅值和相位随频率的变化,就可分析得到所要求的振型曲线。这里通过图1的简支梁例子简单介绍分析方法。该简支梁布设了3个测点,所测3个时域波形经傅立叶变换后可得到相应的幅频和相频曲线,找出各共振峰对应频率处的幅值及相位,利用归一化的幅值以及以某一测点为基准判断其他2个测点与它的相位差,可得到某阶振型频率时各测点的分解谐波[图1(a)、图1(b)],据此绘制出简支梁的前二阶振型曲线。
图1 确定简支梁振型的方法示意图
B.0.9 利用波形分析法求取阻尼比时,可按示意图2并利用式
图2 有阻尼自由衰减的振动波形曲线
(1)、式(2)计算:
式中:v——对数衰减率;
D——阻尼比;
yn、yn+m——第n个、第n+m个波的振幅;
m——yn~yn+m之间的波形数;
T——周期;
w——衰减振动圆频率。
半功率带宽法是在共振曲线(频谱图)一阶共振峰处通过确定半功率带宽来推定阻尼比的方法。如图3,在f=fn共振曲线峰值的0.707倍处,作一平行于频率轴的直线与曲线交两点,这两点对应的横坐标上的频率差△f=f2—f1,即半功率带宽,由此按式(3)可求出阻尼比:
采用环境激励等方法进行模态参数识别时,可采用专用软件计算各阶模态阻尼比。