检测速查手册

模态参数

介绍了模态参数试验（频率、振型、阻尼比）的常规做法。

#检测依据及适用范围

#JTG/T J21-01-2015

#《公路桥梁荷载试验规程》

适用于新建、加固或改建公路桥梁的荷载试验。

#名词解释

#名词解释

  • 自振频率：指单位时间内振动的次数，单位Hz，是桥梁结构固有特性，只与结构的刚度和质量有关，与刚度成正比，与质量成反比

  • 阻尼比：阻尼是存在于结构中的消耗结构振动能量的一种物理作用，它对结构抵抗振动有利，阻尼比定义为阻尼系数与临界阻尼的比值，每个频率都对应着一个阻尼比

  • 振型：结构上各点振幅值的连线，对于每个固有频率，结构都有且只有一个主振型

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  • 基频：指结构的第一阶固有频率

  • 时域：曲线横轴为时间的域，也就是说曲线的幅值随时间变化

  • 频域：对时域曲线进行FFT变换，得到的结果是幅值随频率变化的曲线，也就是频域

  • 采样频率：指单位时间内采样的次数，比如设置采样频率为100Hz，则采样100次/s

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  • 带宽：FFT分析时，信号分析的最大频率范围称为带宽，其值=采样频率/频率比值，如图所示，采样频率为100，频率比值固定为2.56，则带宽=100/2.56=39.063Hz
  • 谱线：FFT分析得到的频谱曲线图事实上并不是连续的，而是由多个频率点相连绘制而成，每一个频率点则对应一条谱线，如图所示设置的谱线数为400，则意味着这个频谱曲线图是由400个离散的频率点相连绘制而成
  • 频率分辨率：指频谱曲线图中，相邻两条谱线之间的间距，如图所示，带宽为39.063Hz，谱线数为400，则频率分辨率df=39.063/400=0.098Hz
  • 重叠率：FFT分析只能对有限长度的时域信号进行变换，进行一次FFT分析所截取的时域信号长度，称为1帧，帧长度=1/频率分辨率，若重叠率设为50%，表示这一帧的信号将与下一帧的信号有50%是共用的，提高重叠率，可以增加平均次数，一般用于事后分析
  • 平均次数：指进行平均谱计算的次数，与采样时间、采样频率、谱线数、频率比值以及重叠率有关，当重叠率为0时，平均次数=（采样时间×采样频率）/（谱线数×频率比值），如下图所示，平均次数=（998.76×100）/（400×2.56）=97.5

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#荷载试验通用规定

#一般规定

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#试验设备

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#测试要求

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#模态参数测试相关规定

#测试内容

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#测点布置

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#激振方法

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#过程控制

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#数据采集

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#数据分析

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#数据分析

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#结果评价

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#Tips

#参数设置

✅Tips:

  • 规范6.5.4条提到，频率分辨率不宜大于实测自振频率的1%，根据定义可知，频率分辨率=采样频率/（频率比值×谱线数），其中频率比值通常是采集系统设置的固定值，比如DHDAS动态信号采集分析系统中，频率比值固定为2.56，因此，可以在试采阶段大致分析出结构的基频（规范4.4.1条要求正式试验前应进行不少于15分钟的稳定观测，但在实践中一般两三分钟数据就可以趋于稳定），然后根据实测基频来调整采样频率以及谱线数的值，以满足规范要求。

  • 规范6.5.5条提到，采样频率宜取10倍以上最高有用信号频率，根据规范6.3.1条可知，对于简支梁桥，我们最关心的是其一阶频率，对于连续梁桥，我们最关心的是前三阶频率，因此同样可以通过试采，来确定采样频率的大小。

  • 规范6.5.5条提到，信号采集时间宜保证频谱分析时谱平均次数不小于20次。由前文可知，当重叠率为0时，平均次数=（采样时间×采样频率）/（谱线数×频率比值），其中频率比值是固定值可以忽略，采样频率可以通过上述条款确定，在采样频率确定的情况下，增大谱线数可以降低频率分辨率，但同时也会减少平均次数，这就要求为了同时满足频率分辨率和平均次数的相关要求，就必须相应的增加采样时间。

下面以一座简支梁桥和一座三跨连续梁桥为例，分别介绍了采样参数的设置方法。

简支梁一阶频率 连续梁一阶频率 连续梁二阶频率 连续梁三阶频率
4Hz 2Hz 4Hz 5Hz
  • 若采样频率取50Hz
采样参数 简支梁 连续梁 备注
采样频率 50Hz 50Hz 满足规范6.5.5
频率比值 2.56 2.56 固定值
分析带宽 19.53Hz 19.53Hz 50/2.56
谱线数 800 1600 默认为400，根据频率分辨率需要进行调整
频率分辨率 0.024Hz 0.012Hz 50/（2.56×800）=0.024<4/100=0.04，满足规范6.5.4条
50/（2.56×1600）=0.012<2/100=0.02，满足规范6.5.4条
重叠率 0 0 采集时建议取0，事后分析时可根据需要提高，以增加平均次数
采样时间 900s 1800s 满足平均次数要求
平均次数 21 21 （900×50）/（800×2.56）=21.97，即21次
（1800×50）/（1600×2.56）=21.97，即21次
  • 若采样频率取100Hz
采样参数 简支梁 连续梁 备注
采样频率 100Hz 100Hz 满足规范6.5.5
频率比值 2.56 2.56 固定值
分析带宽 39.06Hz 39.06Hz 100/2.56
谱线数 1600 3200 默认为400，根据频率分辨率需要进行调整
频率分辨率 0.024Hz 0.012Hz 100/（2.56×1600）=0.024<4/100=0.04，满足规范6.5.4条
100/（2.56×3200）=0.012<2/100=0.02，满足规范6.5.4条
重叠率 0 0 采集时建议取0，事后分析时可根据需要提高，以增加平均次数
采样时间 900s 1800s 满足平均次数要求
平均次数 21 21 （900×100）/（1600×2.56）=21.97，即21次
（1800×100）/（3200×2.56）=21.97，即21次

DHDAS动态信号采集分析系统采集参数设置

  • 测量量：通常选择加速度，因为加速度直接反应了结构的刚度和振动，相应的，应将振动传感器的测试档位调至加速度档

  • 工程单位：选择m/s2

  • 灵敏度：根据采用的振动传感器类型的不同以及所选用的测试档位不同而有所不同

  • 测量类型：选择电压测量

  • 量程：可以在试采阶段观测波形选择合适的量程

  • 输入方式：包括SIN_DC（单端直流）、DIF_DC（差分直流）、AC（交流）、GND（接地）、IEPE（适用于压电式传感器），**需要注意的是，只有当使用的传感器是IEPE/ICP传感器才能选择IEPE输入方式，否则可能会损坏传感器！**这里一般选择SIN_DC。

  • 滤波器类型：在桥梁模态检测中，常常会使用巴特沃斯滤波器（Butterworth Filter）来提取结构的模态参数。这是因为巴特沃斯滤波器具有平坦的幅度响应特性，不会引入额外的相位变化，从而能够有效地保留结构的动态特性。

注意事项：

  • 采集设备应远离强电电源、对讲机、手机等电磁干扰

  • 在正式测试前，仪器应提前开机预热，否则可能产生“零飘”现象

#激振方法

  • 脉动法：是指在封闭交通的情况下，测试由环境引起的桥梁振动，实际应用中通常采用这种方法

  • 跑车：是指通过获取车辆驶离桥面后引起的桥梁余振信号，来识别其自振特性

  • 跳车：是指通过让加载车辆的后轮突然落下对桥梁产生冲击作用，引起桥梁振动。主要适用于圬工拱桥、小跨径梁桥等刚度较大的桥梁，但使用这种方法时，一般都需要进行车辆自重附加质量影响的修正，比较麻烦，而且跳车时会对桥梁产生较大的冲击，如果掌握的不好，可能会对桥梁产生一定的损伤，得不偿失，所以实际应用中较少采用

#频谱分析

自振频率的处理通常采用频谱分析法，也就是通过傅里叶变换（FFT），将时域振动波形转换为频域的正弦波，采用这种方法时，测得的数据通常需要进行预处理，主要包括

  • 剔除异常数据：

    比如使用脉动法测试时，应截取掉车桥耦合振动部分的波形，只保留环境激励状态下的波形

  • 去趋势项：

    我们想要测得的理想信号应该是沿X轴上下波动的正弦波，但实际应用中，可能会有一些意料之外的低频信号叠加在我们的实测信号中，导致实测波形有偏离X轴的趋势，也称之为基线漂移，因此，每次测试之前，务必执行“平衡清零”操作

  • 滤波：

    模态参数检测中涉及到的滤波器主要包括：

    1. 上文通道参数设置中采用的巴特沃兹滤波器
    2. FFT分析中参数设置中的隔直，这是一种高通滤波器，通过该选项，可以过滤掉低于该频率的信号

    除此之外，当设置的采样频率低于最高有用信号信号频率的2倍时，会导致原本的高频信号被采样成低频信号，形成混叠，而抗混滤波器可以在一定程度上减轻这种影响

  • 加窗：

    窗函数是为减少因非整周期截断而引起的能量“泄露”采取的修正，简单的说，在进行FFT处理的过程中，必然会遭遇一种非常严重的误差影响，也就是所谓的“泄露”，在前文关于重叠率的定义中提到过，进行一次FFT分析所截取的时域信号长度，称为1帧，FFT处理时要求这一帧的信号必须是周期信号，也就是开始和结束位置的信号幅值相同，但实际应用中截取到的信号几乎都是非周期信号，这就是“泄露”的由来，而加窗就是为了减小这种误差。

    事实上，我测试了部分数据发现，窗函数主要影响的是幅值，而非我们最关注的频率值，也就是说，就算使用矩形窗，通常也能准确的得到频率值，但大多数情况下还是建议使用汉宁窗（hanning）

#结果评价

  • 比较实测频率与计算频率
if 实测频率 > 计算频率:
    实际刚度 > 理论刚度
else:
    实际刚度 < 理论刚度 #意味着结构可能存在开裂、劣化等损伤
  • 比较实测阻尼比的历史数据
if 阻尼比大:
    说明桥梁耗散外部输入能量的能力强
else if 阻尼比过大:
    意味着结构可能存在开裂、劣化等损伤
  • 分析实测振型是否存在变异

一般来说，变异区段即为缺损所在区段。