土木工程结构机械振动检测.docx
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土木工程结构机械振动检测
振动检测在工程结构上的运用
摘要：
这篇论文将会探讨允许全面的机械的振动数据运用的模态分析的最近发展。
无论传统的（强迫振动实验）还是运作的（环境振动实验）模态分析以及模态分析过程的自动化都将在此讨论。
这些技术将会用土木工程结构的真实数据所阐述。
关键词：
试验模态分析，模态分析，结构健康监测
1绪论
土木工程结构动态性能的实验鉴定在很多方面都得到应用：
设计验证，分析（有限元）模型的更新，阻尼性能的鉴定，斜拉桥在测定的特征频率下索力的不直接监测，结构的状态监测，地震后结构安全的评估，修复行为有效性的确认。
本篇论文将会探讨允许全面的机械的振动数据运用的模态分析的最近发展。
土木工程振动数据分析的一大进步就是与原先尖端采集观念相反的参量化（曲线拟合）技术的应用。
这种曲线拟合允许通过不断增多的命令及所谓的稳定图建模。
这些图表得到结构模式及与噪音相称的真实结构模式和数字模式的分离的更加客观地鉴定。
然而，有时，尤其在嘈杂的环境下稳定图的解释并非直接的。
近来，提出了的频域参数估计方法：
所谓的PolyMAX方法。
这种方法的主要优点就是它有清晰易于判断的稳定图。
这不仅简化了分析任务而且打开了自动化的大门。
全自动获取结构的动态特性事实上是一个永久监测系统的一项基本要求。
本篇论文将会探讨传统的（强迫振动实验）和运作的（环境振动实验）模态分析以及模态分析过程的自动化。
一个振动实验事实上是一个传统实验室模型分析实验在大型土木工程结构上的外推，在这种实验中被测结构通常人为的通过仪--表化的锤子或振动器所励磁。
然而，在传感器、数据采集、系统及先进的模态分析算法等领域的显著进步使得外界振动实验变得可行且更加流行。
在这种情况下对自由的有效地自然来源比如交通，风，浪及微小地震的结构反应得以测量。
显然这种来源的施加力的精确大小不能测量并且应用到模态分析中每个只对用一种结果。
Cunha和Caetano解释在土木工程结构鉴定中由输入/输出到只有输出的转变。
图1（左）使用EMPA响应质量振动器的强迫振动试验（右）由交通导致的外界激励
2强迫振动实验
在这个部分，输入/输出PolyMAX方法将会应用在一个索力振动实验的数据上。
这些数据相当有挑战性因为这个试验台与典型的实验室试验台不相同而接近可实现的无约束自由状态以及为了达到较高的信噪比激励可以灵活选择。
现场桥梁测试将会遭受由于边界状态不是最佳一起的较大的噪音影响且达到充分的大的激励水平并非直接的。
桥梁振动数据发源于欧洲Brite-EuRam项目SIMCES。
Z24桥梁是在瑞士伯尔尼到苏黎世之间国家高速公路A1的一个天桥。
它是一个典型的主跨30米两端跨度14米的后张混凝土箱型梁桥梁。
桥梁测量时分为9个不同的部分有大量的自由度。
使用了两个振动器：
一个放在边跨上，一个在中间跨度上。
输入信号是3-30Hz之间的有限频段。
通过观察力的功率谱可以清晰地观察到真懂得频率范围。
数据在100Hz时取样且每轮测量时间为10分钟55秒。
图2Z24-桥：
纵向剖面线
输入和输出信号都被加工成频率响应函数和多重相干函数。
相干函数是位于0和1之间的函数用来测量输入和输出的线性关系。
相干函数值不等于1的一个原因是数据中的噪音。
桥梁上某些测量位置的相干函数值在图3中给出：
在某些频域内比较差的相干曲线表示接近桥梁桥墩的位置。
比较好的相干曲线代表振动器固定的位置。
这两个振动位置的频率响应函数在图4中表示。
一个振动点频率响应函数在相同的位置驱动及获得响应。
理论上，在一个振动点频率响应函数中，一个共振跟着就是一个反共振且相位角应该不变。
就是这样；确定振动器振动方向那么测力传感器和加速计就会很好的协调一致。
图4还展示了相反的频率响应函数：
理论上在A点的力与B点的加速度之间的传递函数应该与B点的力和A点加速度穿点函数相同。
图4证明相互作用的假定是正确的。
在30Hz以上时的频率响应函数噪声特征是因为在那个频域内没有太多的振动力。
图3（左）由振动器产生的力的功率谱；（右）典型的一致性
图4（左）两振动点频率响应函数；（右）两个彼此相反的频率响应函数
这个数据在3到45Hz的频率范围内分析并应用一个使用两种技术在2到64间的模型指令：
●最小二乘复指数方法即所谓的工业标准。
●最新的PolyMAX方法
请注意信噪比只有低于30Hz时才是可接受的，因为超过这个频率就只有非常小的激励。
然而为了调查算法对噪声的灵敏度，在45Hz以内的分析也是可用的。
图5展示了两种方法的稳定图。
稳定图的基本理念就是通过不断增加的指令模型来创造几段曲线拟合过程。
在非常大的范围的问题的经验显示在这种分析中物理模式的极值经常出现在一个几乎完全相同的频率上而数学计算的极值则分布在该频率周围。
通过在不同指令下得到的极值可以包含在一个简单的图表中，图标的水平轴是极点频率而垂直轴为解答指令。
最小二乘复指数法能够找到早前相当多的稳定极点，但是图标非常难以阐明。
另一方面PolyMAX方法提供比最小二乘复指数法更多的稳定极点并且有一个清晰地图标，确保一个用户独立和简洁明了的解释。
图6展示了一些典型的模式形状。
图5（左）应用LSCE法获得的稳态图（右）使用新型PolyMAX法获得的桥梁激励试验数据
图6Z24桥在一次激励试验中的模态振型
作为一个典型的模式分析结果质量指示器，测量的频率响应函数将会与从模态中推导的频率响应函数相比较。
图7表示在LMS模式分析软件中这种对比是如何实施的：
试用者在几何显示器中选择一个测量位置且测量的和推导的频率响应函数都会在伯德显示器中显示。
在高质量的模式分析情况下测量和推导的频率响应函数的一致性非常好。
完整的频率响应函数矩阵信息也可以使用它的两个奇异值（奇异值等于振动器的数目）在模态分析中也被成为复杂模式指标函数。
测量和推导的频率响应函数转化为奇异值频谱的过程在图7中表现。
振动器振动频率范围有非常好的一致性，表明主要的动态特征都已经从数据中提取出来。
图7（左）测试及仿真频率响应函数在几何上测量位置的对比（右）测量的奇异值与仿真频率响应函数矩阵的对比
3环境振动实验
在有些情况下人为施加力是非常难以实现的而必须利用有效地环境激励资源。
实际上不可能测量环境激励而输出时能够传送到系统识别算法的唯一信息。
在这种情况下涉及到运行模态分析。
最初应用运行模态分析的可能是在土木工程领域例如使用锤子及振动器人为的获得超过因交通及风所造成的振动水平这样激励建筑物是非常困难和昂贵的。
一些运行模态分析直接使用未加工的时间关系曲线图。
连续型随机子空间分解法在处理典型的土木工程数据时非常稳健和成功。
然而，在某些情况下，通过计算输出与有限的参考传感器装置之间的相互系数以降低数据的数量是有利的。
图8展示了一些典型的桥梁反应数据，图9左边部分展示了从时间关系曲线图中计算的自动相关性。
再一次，这些数据来源于Z24桥，但是振动器激励被从桥梁底部通过的车流的振动所取代。
由白色噪音激励的系统的输出相关性与脉冲响应相似这一事实是驱动相关系统辨识法的基础。
图9右侧部分展示了相关函数绝对时间延迟的离散傅里叶变换。
这是所谓半频谱的一个估算。
在运用离散傅里叶变换之前为了降低频谱的泄漏失真可以再相关性中使用一个指数窗。
PolyMAX的运行模态分析变换就是在这个频谱中操作的。
图10比较了随机子空间法与PolyMAX获得的稳定图。
虽然两种方法都能获得精确的模态分析值，但是显然PolyMAX大量简化了鉴别过程；从这个意义上说从图表中获得稳定极点更加容易。
一个清晰地图表同时也打开了自动数据处理的大门而这对于监测应用程序有非常重大作用。
用运算的PolyMAX鉴定的Z24桥梁的模态形状输入与输出一一响应的非常好。
图11是一个测量的半频谱与一个鉴别模态参数合成的频谱的对比图。
图8由不可测量的交通激励引起的桥梁加速度响应信号
图9（左）在指数窗应用前后的典型的输出相关性（右）相应的半频谱
图10应用随机子空间法（左）和新型PolyMAX法（右）对Z24桥分析获得的稳态图
图11测量的频谱与鉴定频谱
4自动化模态分析
随着模态分析作为一个标准工具被大量没有经验的使用者不断使用，使这一过程自动化变得尤为急切。
另外，如果能够获得大规模的甚至是持续不断的数据流时（例如从一个桥梁检测系统）能够自动分析这些数据就成了非常重要的需要。
研究结果包括像PolyMAX那样对欺骗性的极点出现更加文件的鉴定方法。
虽然如此，通向自动化的道路上仍然需要能够区别物理和数学极点的辨别方法。
也许，最自然的方法就是设法获得一个熟练的模态分析操作者根据稳定图做出的决定，再根据规则它就可以作为一个自动过程运行了。
这些规则的例子可以在Lanslotsetal中找到。
同样是在那篇论文中，自动方法通过对比自动获得的分析结果与专家组获得的结果而得到验证。
从稳定图中可以提供的极点信息的数量事实上被人的思维在匆匆一看中阐述它们的能力所限制。
自动化过程不用忍受这些限制并且极点可以根据更多信息进行分类。
因此关于描述极点稳定的附加条件的实验得以进行。
Verbovenetal发展了随机极点检验标准并通过与频域最大似然估计法结合来进行表达。
这些随机条件将数据由不确定（与频率响应函数不同）传递到鉴定模式的不确定。
Goethals&DeMoor通过将子空间鉴定与状态空间模型相结合而发展了一套极点检验条件。
图12描绘了一个自动操作模态分析的例子。
在一场足球赛前后，SheffieldUniversity记录了足球场屋顶的外界振动情况。
研究目的是为了调查聚众行为对动态特性的影响。
Peetersetal应用操作PolyMAX方法自动记录四个小时不同部位的振动情况。
图12不寻常的稳态图表示自动模态分析结果：
Y轴不是模态顺序，而是代表时间。
自动PolyMAX分析应用于不同的数据片段。
背景图片是对不同片段的振动模型计算的奇值的正常化。
左侧的曲线代表一个通道的变化均方根值。
结论
这篇论文探讨了允许全面的机械的振动数据运用的模态分析的最近发展。
无论经典（强迫振动实验）还是操作（外界振动实验）模态分析方法在此都得以讨论并且弄明白最新发展的PolyMAX方法在这两个方面是如何有用。
PolyMAX方法最突出的优点就是它输出极其清晰地稳定图。
因此，它相对直接的使分析过程自动化并且在其中嵌入一个持续监测系统那么不但未加工的加速度可以记录而且结构的模态参数也可以记录。
鸣谢
这项工作是在EC研究项目NMP2-CT-2003-501084”INMAR”（积极噪声降低材料）。
特此感谢EC的支持。
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