振動測試是橋梁結(jié)構(gòu)動載試驗的常用的方法，振動測試涉及到結(jié)構(gòu)動力學(xué)、模態(tài)識別、現(xiàn)場測試等技術(shù)，因此振動測試項目是檢測人員感覺比較難以掌握的技術(shù)。振動測試也是對橋梁模態(tài)識別的基礎(chǔ)，模態(tài)識別就是根據(jù)橋梁的振動測試數(shù)據(jù)利用模式別的各種方法對橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行識別。而橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)反映了了橋梁結(jié)構(gòu)的自身的振動特性，是評價橋梁結(jié)構(gòu)性能的重要依據(jù)，有時可以利用模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比、振型、模態(tài)曲率等動力參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷進行評估。而模態(tài)參數(shù)的識別的準(zhǔn)確除與模態(tài)識別的方法有關(guān)外，如橋梁模態(tài)識別的方法有很多，對于具體的橋梁應(yīng)選擇合適的模態(tài)識別方法。此外現(xiàn)場振動測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量對于橋梁模態(tài)識別至關(guān)重要。

       鑒于振動測試對橋梁結(jié)構(gòu)的評估以及在模態(tài)識別中作用，本文從現(xiàn)場振動測試數(shù)據(jù)的可用于模態(tài)識別的有效信息對橋梁振動測試進行分類，并簡單進行介紹。

一、振動測試數(shù)據(jù)的信息

       利用橋梁結(jié)構(gòu)的測試振動數(shù)據(jù)，以及如何從中振動數(shù)據(jù)中有效識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，其關(guān)鍵在于現(xiàn)場測試測試期間輸入的可用信息激勵。從這個角度來看，通常現(xiàn)場測試的振動數(shù)據(jù)可以看作有四部分組成：1）未知初始條件的自由振動的測量振動數(shù)據(jù)；2）已知激勵產(chǎn)生的強迫振動；3）來自未知激勵的強迫振動；4）未知的測量噪聲。

       振動數(shù)據(jù)的前三項取決于模態(tài)特性，因此包含了用于識別模態(tài)特性信息。但是利用這些數(shù)據(jù)將直接轉(zhuǎn)化為一種模式識別方法并非一件容易的事情，主要是振動數(shù)據(jù)的前三項分別對模態(tài)特性有不同的敏感性。因此它們有時需要可能借助于其他未知特性進行一起識別。

       對于已知激勵產(chǎn)生的強迫振動，可以通過模態(tài)特性和已知的激勵完全確定。除了模態(tài)特性之外，對于“未知初始條件的自由振動的測量振動數(shù)據(jù)”，由于振動數(shù)據(jù)取決于初始條件（即結(jié)構(gòu)位移和速度），而這些初始條件通常是未知的。對于第三項“來自未知激勵的強迫振動”，如果未知激勵完全是任意的，那么產(chǎn)生的強迫振動響應(yīng)將可能因未知量太多而無法識別。如果未知激勵具有一些統(tǒng)計特性，那么由此產(chǎn)生的強迫振動響應(yīng)則可以用統(tǒng)計學(xué)來描述。只要振動測試數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計學(xué)的假設(shè)較為合理，雖然理論上要復(fù)雜得多，但此類信息可以用于模態(tài)識別。而最后一項是未知的測量噪聲，考慮到測量噪聲(最后一項),在方法開發(fā)中不會產(chǎn)生太多效應(yīng)。因此，通過對采集、數(shù)據(jù)后處理等階段采用合理有效的去噪方法來進行解決，以降低其對模態(tài)識別的影響。

       根據(jù)振動測試數(shù)據(jù)所包含的信息內(nèi)容，在進行橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測試時主要考慮前三項中只有一項占優(yōu)勢的特殊情況。對于橋梁結(jié)構(gòu)振動測試數(shù)據(jù)的前兩項“未知初始條件的自由振動的測量振動數(shù)據(jù)”和“已知激勵產(chǎn)生的強迫振動”，分別設(shè)計每一項占優(yōu)的特有場景，其對應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)振動測試分別為“自由振動測試”和 “強制振動測試”。然后由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，很難設(shè)計出前兩種或需要花費大量的人力物力，因此橋梁中進行模態(tài)測試常用的方法是“環(huán)境振動測試”。這種方法是在自然脈動的場景下，未知的自然脈動激勵占主導(dǎo)地位，假定振動數(shù)據(jù)具有合理易處理和合理的統(tǒng)計數(shù)據(jù)屬性，這就是“環(huán)境振動測試”。

二、振動測試方法

1、自由振動測試

       在自由振動試驗中，一些小型結(jié)構(gòu)最初是通過一些人工手段讓結(jié)構(gòu)自己振動。在自由振動期間的響應(yīng)時程記錄中選定位置測量振動并用于模態(tài)識別。為了利用自由振動試驗的優(yōu)勢，初始激勵應(yīng)足夠大以至產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)明顯大于由其它形式的 (如脈動環(huán)境)激勵引起的響應(yīng)。如對于小跨人行天橋可以由人的跳躍引起的接近共振的人行橋的第一階豎向模態(tài)。這對于大型結(jié)構(gòu)當(dāng)然是不可行的。例如由于一些參與者推著墻(甚至在固有頻率)在測量中不太可能被測試出，因為這是由環(huán)境振動主導(dǎo)的數(shù)據(jù)。對于橋梁振動測試常采用突然加載法或突然卸載法，使橋梁產(chǎn)生自由振動。

突然加載法：在被測結(jié)構(gòu)上急速施加一個沖擊作用力。現(xiàn)場測試中，采用試驗車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動，簡稱跳車試驗；當(dāng)測試某一構(gòu)件(如拉索)的振動時，常采用橡皮錘敲擊的方法產(chǎn)生沖擊作用。 

突然卸載法：在結(jié)構(gòu)上預(yù)先施加一個荷載作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個初位移，然后突然卸去荷載，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動。為卸落荷載，可通過自動脫鉤裝置或剪斷繩索等方法，有時也專門設(shè)計斷裂裝置，即當(dāng)預(yù)施加力達到一定數(shù)值時，在繩索中間的斷裂裝置便突然斷裂，由此激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動。

2、強迫振動測試

       在強迫振動試驗中，結(jié)構(gòu)采用某種人工方法進行激勵，例如搖動器或大錘。除了測試振動響應(yīng)之外，施加到結(jié)構(gòu)上的力也應(yīng)被測量，這就是所說的“已知輸入”。測試的力(輸入)和響應(yīng)(輸出)時程曲線一起用于模態(tài)識別。為了利用強迫振動試驗，由已知力產(chǎn)生響應(yīng)同來自其它未知激勵的響應(yīng)相比應(yīng)占主導(dǎo)地位。

       當(dāng)適當(dāng)?shù)厥┘幼銐虻募罟β蕰r，強迫振動測試對模態(tài)特性的識別可以獲得良好的精度和期望振動水平，對于小型結(jié)構(gòu)來說這種方法可以適用。但對于大型橋梁結(jié)構(gòu)而言，采用已知激勵力的強迫振動測試方法費用比較昂貴。因此對于橋梁采用強迫振動試驗的費用可能很高，因此從成本的角度強迫振動測試增加了管理費用或限制了這種方法的使用。對于大型橋梁為準(zhǔn)確對橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)，國內(nèi)曾對錢塘江大橋采用采用小型火箭進行激勵，該測試屬于強迫振動測試。用于錢塘江大橋模態(tài)實驗的火箭被命名為“東方一號”，整體結(jié)構(gòu)及測力系統(tǒng)由應(yīng)懷樵教授設(shè)計，推進劑及點火系統(tǒng)由北京理工大學(xué)飛行器系設(shè)計。

       錢塘江大橋是鐵路和公路兩用雙層鋼結(jié)構(gòu)大橋，全長13221m由北向南共有23跨。第6至第21跨構(gòu)為主橋部分，跨徑均為65.84m的下承桁梁鐵路橋與上層公路橋的高度差為10.67米，火箭激勵試驗選在正橋的第2跨，本跨鐵路鋼梁重280噸加上公路橋面和附屬結(jié)構(gòu)總重量超過600噸。試驗于1988年9月16日夜間進行，利用火車經(jīng)過間隙發(fā)射火箭，歷時10個小時，共發(fā)射了14枚小型火箭，每枚火箭產(chǎn)生大小為1噸持續(xù)時間為100毫秒的方波形狀的推力，分為垂直激勵和水平激勵兩種方式。垂直激勵點選在跨中，水平激勵點選在四分之一跨的位置。

3、環(huán)境振動測試

       如果在振動測試中沒有測量激勵，且激勵不符合測試的假定時，則通常不能僅根據(jù)測試的振動響應(yīng)來確定模態(tài)特性。這是因為振動響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了結(jié)構(gòu)和激勵兩種數(shù)據(jù)的動態(tài)特性。如果激勵符合“統(tǒng)計特性”的假定，通常假定激勵是“寬帶隨機”的，這在物理上是合理的，并且能給出合理的結(jié)果。通過振動測試數(shù)據(jù)可以所識別的結(jié)構(gòu)模態(tài)屬性特性。

       利用被測橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的微小而不規(guī)則的振動來確定結(jié)構(gòu)動力特性的方法。這種微振動通常稱之為“地脈動”，它是由附近地殼的微小破裂和遠處地震傳來的脈動、橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)。

       脈動法是橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)測試中最常用的測試方法，屬于模態(tài)試驗中基于響應(yīng)數(shù)據(jù)的模態(tài)分析（OMA）方法。模態(tài)分析（OMA）方法有很多，隨機子空間法是OMA中最精確的方法，整體擬合法，擬合時同時考慮多點的輸出波形，當(dāng)模態(tài)比較密集時，即使模態(tài)頻率比較接近，也不會影響識別的精度。

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