車輛交通對基于模态的橋梁監測的影響
前言
近年來，基于模态的監測系統在橋梁結構等領域引起了極大的興趣。這些系統可以在早期階段檢測結構損傷，并延長現有橋梁的使用壽命，同時最大限度地降低維護成本。模态參數，包括固有頻率和振型，與結構的剛度和品質有關。為了實作經濟應用的基于模态的監測系統，需要對模态參數進行估計，其中運作模态分析是常用的方法。運作模态分析利用自然存在的振動源（如風和交通）來估計模态參數，進而無需封閉交通，是一種具有顯著優勢的方法。
一、基于模态的損傷識别
基于模态的損傷識别基于參考狀态（RS）和後來可能損壞的比較狀态（CS）的比較。如果RS和CS之間有變化，則可以得出系統中的變化的結論。模态參數、固有頻率、振型和模态阻尼是結構剛度和品質的全局參數和函數。
在本文提出的基于模态的損傷識别的背景下，術語損傷描述了發生的任何結構剛度變化。基于模态的損傷分析的基本思想是損傷過程主要與剛度變化和剛度降低相關。是以，模态參數根據剛度變化而相應變化。區分了損傷識别的四個不同階段，本文僅讨論前兩個階段（識别和定位）。
在本文中，僅考慮基于固有頻率和振型的損傷識别方法。其原因是模态阻尼與漸進損傷過程沒有明顯的聯系。此外，模态阻尼強烈依賴于所使用的計算方法，是以不能将其視為可靠的損傷識别參數。斯圖林和邦加德 ]描述了多種基于模态的損傷識别方法，具有不同的優點和缺點。專家們一緻認為，幾種方法的适當組合是有希望的，但對于哪種組合提供最可靠的結果以及在全球範圍内适用于不同的系統，存在不同的看法。特别是，迄今為止尚未研究考慮操作負載影響的損壞識别程式的适用性。
從力學角度來看，橋梁上部結構可以被視為具有無限自由度 (DOF) 的連續體。理論上，它有無限多個固有頻率。對于基于模态的損傷分析，橋梁上部結構實體特性品質、剛度和阻尼的空間離散至關重要。橋梁上部結構被表示為基于伯努利梁理論的有限元模型。由于橋梁上部結構較細長（或）且單獨考慮彎曲模态形狀，剪切變形可以忽略不計。對于前兩個模态，單獨結構的阻尼比被取為 1% 和 2%，此後假設為瑞利阻尼。
二、車輛通行對損傷識别的影響
下面，解釋了先前提出的模态參數的散射對基于模态的損傷識别的影響。每個場景 20 次模拟的平均值被選擇作為每種情況下損壞識别程式的輸入參數。這意味着，對于未損壞的參考狀态，使用了 20 次模拟的平均值，同時考慮到模拟車輛交通的随機特性；而對于損壞的比較狀态，則使用了相應損壞場景的 20 次模拟的平均值。研究了兩種損壞情況。D1表示中跨左柱的對稱最大剛度減少 20%。通過降低相應伯努利梁單元的楊氏模量，在數值有限元模型中表示剛度的降低。其總長度延伸至3 m。損壞場景D2還考慮了總長度 6 m 的中跨中心的對稱剛度降低 20%，以及部分損壞 D1 的支撐區域的剛度顯著降低（總剛度降低 20 %）長度為4 m）。損傷場景D1和D2對應的剛度分布。
在實踐中，傳感器記錄橋梁結構的響應振動，橋梁結構受到各種激勵源（風、交通等）的激勵而振動。是以，對于任意初始條件，使用Newmark- β-方法計算運動微分方程w(t)的解。該方法屬于隐式數值積分方法（一步法）。它是一種近似方法，其中解的精度以及方法的穩定性根據時間步長Δt的大小來選擇。Newmark- β的積分參數-方法選擇為β = 0.25 和γ = 0.5。通過這種參數選擇，該方法必然是穩定的并且不會發生人為阻尼。可以借助有限元模型中相應的邊界條件來考慮不同的軸承布置。這種模組化方法允許考慮影響估計模态參數的多種因素來模拟振動測量。
結論
本文通過數值和實驗研究了車輛交通運作載荷對模态參數估計和随後基于模态的損傷分析的影響。特别注意考慮由于不同的交通密度而導緻的時空可變剛度和品質分布。此外，還評估了信号長度、OMA 估計方法和多重測量設定的影響。提出了使用半車輛模型進行離散模組化的數值模型。車輛的多樣性是通過模型實體參數的機率方法來解釋的。
研究發現，信号長度對于估計模态參數的品質至關重要。此外，由于寬帶激勵的增加，這些散射随着交通密度的增加而減少。不管怎樣，激勵頻率範圍内的模式比激勵源頻率範圍之外的模式受到更大的散射。對于公路橋梁，由于車輛種類繁多且相關的固有頻率不同，是以不太可能出現主導激勵頻率。對來自一定數量的時間窗的平均值的考慮允許補償由于在所考慮的時間窗内移動的車輛所産生的時間和空間可變品質、剛度和阻尼特性而引起的散射。在現場測量中，可以驗證數值結果。此外，結果表明，使用 FDD 方法可以獲得最可靠的全等模态振型估計。
