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淺談懸索橋模型試驗技術(shù)分析
摘要：特大跨度懸索橋相似模型的模態(tài)參數測定一直是一個(gè)難題。本文從模態(tài)分析基本原理出發(fā)，介紹解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例加以說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：懸索橋橋梁模型模態(tài)試驗
一、前言
試驗模態(tài)技術(shù)發(fā)展已將近20年，工程應用亦十分普遍。一般橋梁結構模型的模態(tài)試驗，和大多數結構模型一樣，因都是在線(xiàn)性小振幅范圍內進(jìn)行，且頻率范圍適中，所以都比較容易做。但特大跨徑懸索橋相似模型的模態(tài)試驗卻不是這樣。
如全橋風(fēng)洞模型，因要求與原型相似，模型本身就是一座既柔又輕的結構物。加上實(shí)際模型設計過(guò)程中，原橋結構的剛度相似往往以脊骨形式滿(mǎn)足，質(zhì)量分布相似則以加集中質(zhì)量滿(mǎn)足，而加勁梁斯塔等又都要求氣動(dòng)外型相似，故整個(gè)結構質(zhì)地輕柔、形?"松散"。懸索橋相似模型的這些特點(diǎn)，使傳統的模態(tài)試驗方法產(chǎn)生如下幾個(gè)問(wèn)題：
1.激勵錘作用在輕柔的模型上，出力大小不易掌握。太重，模型不能承受：輕了，能量不夠，遠離激勵點(diǎn)的測點(diǎn)的傳遞函數（由于信躁比低）質(zhì)量會(huì )很差。
2.用隨機信號發(fā)生器驅動(dòng)連接在模型上的電磁激振器，因為激勵模型的力是有一定周期的隨機躁聲且大小是可調的，所以能激發(fā)出模型比較理想的多階模態(tài)。但這里：①激振器與模型的連接桿對模型有一個(gè)附加質(zhì)量，當模型本身的質(zhì)量貢獻不能忽略這個(gè)附加質(zhì)量的影響時(shí)，就不能用這種方法。②懸索橋橋塔和加勁梁（包括主纜）的低階振動(dòng)模態(tài)是分開(kāi)的，在橋塔上安裝激振器，基本不能激勵出加勁梁的模態(tài)。
3.模擬實(shí)橋環(huán)境隨機振動(dòng)方法，對模型進(jìn)行隨機激勵，以能使全模型保持隨機振動(dòng)狀態(tài)，測定模型各測點(diǎn)的響應，用這些響應的線(xiàn)性譜和（響應對響應的）傳遞函數確定模態(tài)參數。實(shí)測表明，由此得到的傳遞函數質(zhì)量比較差也難以滿(mǎn)足要求。
針對上述問(wèn)題，筆者憑籍對模態(tài)試驗技術(shù)原理的深刻理解以及在各種結構模態(tài)試驗方面豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，采用一種“準周期脈沖激勵”（介于上述1，2之間）的方法，使特大跨徑懸索橋相似模型的模態(tài)試驗這個(gè)難題得到了解決。
二、模態(tài)試驗分析的基本原理
結構模型可離散為某種具有N個(gè)自由度的線(xiàn)彈性系數，其運動(dòng)微分方程為：
給定輸入{f(x)}（可以是激勵錘產(chǎn)生的脈沖力，也可以是小型電磁激振器產(chǎn)生的隨機激勵力），測出模型的響應信號（輸出）{x（t）}，就可以得到該模型的傳遞函數。用公式表示：｛X(w)｝＝[H(w)]{F(w)}
對系統p點(diǎn)的激勵并在l點(diǎn)措振，可得到傳遞函數矩陣中的第p行l元素
式中，φl(shuí)iφpi為l,p點(diǎn)的振型元素，從而對結構上一（或多）點(diǎn)激勵，多（或一）點(diǎn)拾振，即可得到傳遞函數矩陣的某一列（或行），進(jìn)而計算出模態(tài)參數。
具體做起來(lái)，對錘擊法，單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)措振或多點(diǎn)激勵、單點(diǎn)措振都是一樣的；而激振器激勵一般采取單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)拾振方法。
三、模態(tài)試驗分析方法
“準周期脈沖激勵”方法的思路是針對普通脈沖力出力偏大偏小都不妥而激振器激勵會(huì )產(chǎn)生附加質(zhì)量的影響提出來(lái)的�？紤]用一個(gè)大小適中的脈沖力，按一定的周期連續地對模型進(jìn)行激勵，使模型始終保持振動(dòng)狀（當然，這種振動(dòng)絕對是與錘擊力有關(guān)的）。同時(shí)測量,記錄輸入力和輸出加速度的時(shí)域信號，再進(jìn)行傳遞函數分析。
下面通過(guò)某長(cháng)江公路大橋的例子介紹具體做法。
1.測點(diǎn)布置
把模型縱向分成10個(gè)斷面，每個(gè)斷面加勁梁和纜索上各兩個(gè)測點(diǎn)，所有測點(diǎn)都是二維的，整個(gè)模型試驗共60個(gè)測點(diǎn)。
2.幾項關(guān)鍵技術(shù)
實(shí)測、分析過(guò)程中，主要把握以下幾點(diǎn)：
�。�1）激振。在激勵錘上安裝橡皮緩沖頭，既保護模型免遭硬物沖擊，又使脈沖力的作用時(shí)間加長(cháng)，并且增強低頻段的能量。脈沖力作用周期為3～5s，視具體模型頻響特性而定。
�。�2）多點(diǎn)拾振。同時(shí)測量幾個(gè)測點(diǎn)的二維振動(dòng)，一方面節省試驗時(shí)間，另一方面盡可能減少對（纖弱的）模型的敲擊次數。
�。�3）信號采樣和分析。懸索橋模型的感興趣頻率最高一般不超過(guò)10Hz，為此：①采用30～50Hz的采樣頻率，至少采滿(mǎn)51200個(gè)數據點(diǎn)；②做傳遞函數時(shí)，對力和響應都加海寧窗；
�、鄄扇》侄纹骄�。以上措施可以保證傳遞函數在10Hz以前的質(zhì)量。
四、結論
做大跨度懸索橋相似（如風(fēng)洞）模型的模態(tài)試驗比較難做，本文介紹的方法解決了這一難題，實(shí)際模態(tài)試驗得到了理想的數據結果。其關(guān)鍵在于：
�。╨）提出了“準周期脈沖激勵”的方法，并付諸實(shí)用；
�。�2）對模態(tài)試驗分析技術(shù)的熟練掌握，包括合適的激勵點(diǎn)和激勵角度、單點(diǎn)激勵和多點(diǎn)二維拾振等測振技巧。
順便指出：這里介紹的方法同樣適用于大跨度斜拉橋相似模型的模態(tài)試驗分析。
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