外文翻譯---土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)

1、<p><b>　　附錄A</b></p><p>　　題目：土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)</p><p>　　本文展示了土木工程領(lǐng)域里的模擬分析實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，從輸入-輸出模態(tài)識別技術(shù)到只輸出模態(tài)識別技術(shù)。這里舉了很多來自在波爾圖大學(xué)震動(dòng)和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作者的經(jīng)典例子。</p><p>　　十幾年前，建筑工程師主要關(guān)心的問題是對龐大的

2、土木工程結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析時(shí)所使用的新并且強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算方法。而隨著快速發(fā)展的有限元技術(shù)以及個(gè)人電腦領(lǐng)域里中驚人的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)允許結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用軟件包準(zhǔn)確模擬建筑結(jié)構(gòu)的活動(dòng)。</p><p>　　然而，那些越來越復(fù)雜和雄心勃勃的民用建筑的設(shè)計(jì)，諸如大壩，大型斜拉索或是吊橋，還有其他特別的建筑使得結(jié)構(gòu)工程師們需要發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)性工具以有能力精確識別建筑的大部分相關(guān)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的性能。從而使這些工具能提供可靠數(shù)據(jù)來支持

3、在設(shè)計(jì)階段中的數(shù)值模式結(jié)構(gòu)分析中的校正，更新和確認(rèn)。</p><p>　　隨著歲月的流逝和結(jié)構(gòu)的退化，很多現(xiàn)存的建筑結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)建立在震動(dòng)傷害監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)由建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)支持。土木工程研究者研究的自然發(fā)展趨勢是更好的利用現(xiàn)存的輸入-輸出模態(tài)識別技術(shù)來精確地識別土木結(jié)構(gòu)主要的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　然而，在可控的方式下對龐大土木結(jié)構(gòu)的激勵(lì)是件困難的事。幸運(yùn)的是，傳感器和模擬

4、數(shù)字轉(zhuǎn)換器的非凡技術(shù)已經(jīng)能支持大型結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，這些大型結(jié)構(gòu)以針對建筑環(huán)境和應(yīng)用適當(dāng)?shù)碾S機(jī)激勵(lì)模態(tài)識別方法為基礎(chǔ)。</p><p>　　本文的主要目的是簡要為我們闡述關(guān)于土木工程領(lǐng)域里實(shí)驗(yàn)性模態(tài)分析發(fā)展的觀點(diǎn)，從輸入-輸出模態(tài)識別技術(shù)到只輸出模態(tài)識別技術(shù)。這里，研究人員經(jīng)驗(yàn)的影響對我們的討論有很大程度的影響。</p><p>　　輸入-輸出模態(tài)識別法</p><p>

5、;　　儀器和測試流程。常見的模態(tài)測試以估計(jì)一組頻率響應(yīng)函數(shù)（FRFs）為基礎(chǔ)，在幾對點(diǎn)處沿著足夠高的空間與頻率分辨率關(guān)聯(lián)外部作用力并產(chǎn)生與之一致的應(yīng)答。建筑物的FRFs函數(shù)需要一個(gè)結(jié)構(gòu)鏈激勵(lì)儀器來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號處理。對于中小結(jié)構(gòu)建筑，可以使用一個(gè)鐵錘來產(chǎn)生激勵(lì)，這和在機(jī)械工程里的應(yīng)用是一樣的。這個(gè)裝置能提供一個(gè)先進(jìn)的寬波段輸入信號，所以它有能力產(chǎn)生不同的振動(dòng)模式。它的主要缺點(diǎn)是頻譜估量（它能妨礙對模態(tài)阻尼因素的準(zhǔn)確估計(jì)）產(chǎn)生的相對低

6、的頻率分辨率并且缺少能量來激勵(lì)一些相關(guān)的振動(dòng)模式。為解決這個(gè)問題，一些實(shí)驗(yàn)室建立了特別的專門為其設(shè)計(jì)的脈沖裝置來激勵(lì)大橋。另一個(gè)可供選擇的是電動(dòng)振動(dòng)器，它也來源于機(jī)械工程學(xué)，可以應(yīng)用與各種輸入信號（隨機(jī)波，多重正弦波，等等）。在適當(dāng)?shù)匾黄鹂刂祁l率和振幅時(shí)，使用一個(gè)信號發(fā)生器和一個(gè)功率放大器。</p><p>　　這些振蕩器有能力在一個(gè)低的頻率范圍和更高的頻率分辨率來激勵(lì)建筑。必要的正弦信號強(qiáng)度允許建筑的激勵(lì)正好在

7、共振的頻率下，從而，形成了一個(gè)直接的模擬振態(tài)識別。</p><p>　　大型建筑的可控激勵(lì)需要使用沉重的激勵(lì)儀器。以往對于大壩的動(dòng)態(tài)測試常選擇大規(guī)模偏心輪測試振動(dòng)器，它能在多個(gè)頻率和振幅反映正弦曲線的強(qiáng)弱。這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是在低頻率下產(chǎn)生的低強(qiáng)度振幅，測量應(yīng)用力困難和如何抑制振動(dòng)器和相關(guān)建筑的相對運(yùn)動(dòng)。一個(gè)更好的選擇是，使用一組寬頻段，能覆蓋大型土木建筑最感興趣的頻率范圍來進(jìn)行激勵(lì)，它是一種液壓伺服振蕩器。例如

8、圖2所示的這種類型的振蕩器，把它安裝在電子探針上來垂直的和從側(cè)面激勵(lì)橋或壩，如在阿森納研究中使用的一個(gè)電子液壓大規(guī)模反應(yīng)振蕩器。</p><p>　　一個(gè)建筑的動(dòng)態(tài)反映通常用壓電式、壓縮電阻式、電容活力平衡式感應(yīng)器來測量，因?yàn)樗麄兙哂邢鄬Φ土某杀竞透咝У拿舾行?。這里有一種特殊特性的壓電感應(yīng)器，它不需要能量的供應(yīng)并且在一個(gè)很寬的頻率范圍都能很好的操作。然而，大部分的感應(yīng)器都不能在低頻率下應(yīng)用。與之相反的是，壓縮電

9、阻式和電容/力平衡式感應(yīng)器能提供直流電或低頻率響應(yīng)的能力。通過這些轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的電子信號通常都很小，所以必須通過調(diào)節(jié)單元放大，因此也需要提供抗鋸齒，低通濾波器，以及模擬綜合速度或水平位移的儀器。</p><p>　　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和存儲需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）與量測鏈的卷積，原始數(shù)據(jù)必須在最開始時(shí)就進(jìn)行分析和處理；需要考慮操作中比例尺的改變，趨向去除和降低整數(shù)倍的取樣率。接著，使用加速消耗的時(shí)間乘以適當(dāng)?shù)臅r(shí)

10、間窗（漢寧函數(shù)，錐形余弦，等）來減少泄漏物的影響，然后再將其細(xì)分成不同的塊從而使用FFT法則來評價(jià)它的頻譜平均數(shù)，自功頻譜和交叉頻譜。最后，用頻率響應(yīng)函數(shù)來獲取可以使用的估計(jì)量H1 或H2。對頻率響應(yīng)函數(shù)的自動(dòng)評價(jià)需要適當(dāng)?shù)能浖M(jìn)行分析和信號處理，這些功能已經(jīng)存在于商業(yè)性的傅里葉分析軟件中。這些分析軟件有時(shí)可以放在一臺筆記本電腦PCMCIA卡中，這樣就允許通過一個(gè)輸出通道或通過輸出-輸入通道或振動(dòng)篩控制法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。</p>

11、;<p>　　輸入-輸出模態(tài)識別法。這是一種寬領(lǐng)域各種各樣的輸入輸出模態(tài)識別法，它即可以應(yīng)用與頻率響應(yīng)函數(shù)的評價(jià)也可以應(yīng)用于相應(yīng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)（IRFs），還能通過相反的函數(shù)轉(zhuǎn)換的得到。這些方法嘗試實(shí)現(xiàn)在測量與理論函數(shù)，采用不同最佳化程序，不同層次簡化之間達(dá)到互相配合。相應(yīng)的，通常根據(jù)以下的標(biāo)準(zhǔn)把它們分類：</p><p>　　?應(yīng)用領(lǐng)域（時(shí)間或頻率）</p><p>　　?

12、劑型（間接或模態(tài)和直接）</p><p>　　?數(shù)字方法分析（SDOF或MDOF-單自由度或多自由度）</p><p>　　?數(shù)字輸入和類型估計(jì)（SISO, SIMO, MIMO,MISO-單輸入單輸出，單輸入多輸出，多輸入多輸出，多輸入單輸出）</p><p>　　早期的識別法是在頻率范圍中發(fā)展起來的。對于單一SDOF公式（例如振幅頂點(diǎn)，曲線擬合，相反方法），為與

13、測量與鄰近的共振頻率單自由度系統(tǒng)的FRF理論相適應(yīng)，該公式發(fā)展起來。在更復(fù)雜的MDOF方法-有理分式多項(xiàng)式（RFP），復(fù)雜的指數(shù)頻率（CEFD），聚參考頻域PRED-最合適的實(shí)際測量和FRFs理論也是全球范圍廣泛應(yīng)用的頻率。</p><p>　　時(shí)間范疇法，是指在數(shù)據(jù)中存在大量頻率和大量數(shù)值時(shí)提供的最好結(jié)果，因?yàn)樵诠烙?jì)中會出現(xiàn)頻譜估計(jì)的頻率分解和泄露問題，所以使得這個(gè)方法不斷改進(jìn)發(fā)展。用得最廣的方法既有間接的-復(fù)

14、雜指數(shù)法（CE），最小指數(shù)復(fù)雜指數(shù)法（LSCE）, 聚參考頻域法（PRCE），愛布雷因時(shí)間域（ITD）, 本征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法（ERA），也有直接的-混合自身回歸移動(dòng)平均過程（ARMA）。</p><p>　　所有上面所介紹方法逐漸發(fā)展，被麻省國際學(xué)院廣義地描述著，漸漸成為完全的可以實(shí)現(xiàn)獲取、分析、處理和識別的自動(dòng)系統(tǒng)，取代了最初的相互作用程序。除此之外，最佳的表現(xiàn)方法已經(jīng)應(yīng)用于功能很強(qiáng)的模態(tài)分析軟件。一種特殊的模

15、態(tài)識別方法，叫做調(diào)和正弦方法相當(dāng)于測驗(yàn)的特別類型，該類型以一種在每一個(gè)自然頻率中正弦激勵(lì)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，并能通過質(zhì)量偏心振動(dòng)。</p><p>　　強(qiáng)迫振動(dòng)的例子。經(jīng)典的作用在土木工程結(jié)構(gòu)的輸入輸出識別測試既能對物理模型也可以對技術(shù)原型進(jìn)行測試。圖4和5展示了一個(gè)Jindo橋（南韓），對于它的大量測試來對懸索力進(jìn)行分析和與之相關(guān)的以地震響應(yīng)來計(jì)算的分析。幾個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)的測試使用電子動(dòng)態(tài)振蕩器（在布里斯托大學(xué)和結(jié)構(gòu)研究

16、所）它有兩種可供選擇的配置。第一個(gè)是分散式附加質(zhì)量的纜索，根據(jù)相似的理論來使電纜的附加質(zhì)量理想化并考慮橫向纜索的振動(dòng)。在第二個(gè)階段，無分散質(zhì)量的添加的纜索，但等效的質(zhì)量在它們的末端聚集。這個(gè)研究顯示出不同的形式在多種模式下的存在；一些純正的線纜模式和其他耦合方式的存在。每一種集的概念,提出了一種常見的形狀為甲板和塔和不同的線纜的運(yùn)動(dòng)。與自然相一致的頻率是非常接近的，總是在一個(gè)觸及系統(tǒng)的全球模型附近。</p><p&g

17、t;　　幾個(gè)大型土木工程的結(jié)構(gòu)，像建筑物、大橋或大壩，在以前也已經(jīng)經(jīng)過強(qiáng)迫振動(dòng)的測試，他們使用的大型激勵(lì)設(shè)備存在于好的裝備試驗(yàn)室。這是例子EMPA，卡特尼和其他的研究人員測試了大量的橋和大壩。圖7到9的展示了幾個(gè)卓越行動(dòng)的例子，展現(xiàn)了瑞士Norsjö大壩的在一些特定振動(dòng)方法下的精確識別。</p><p>　　只輸出模態(tài)識別。與大橋、建筑、大壩強(qiáng)迫振動(dòng)測試相關(guān)聯(lián)的主要問題源于在很低頻率范圍內(nèi)以足夠的能量并

18、且可控制的激勵(lì)它們是非常困難的。對非常大的柔性的結(jié)構(gòu)，如斜拉橋或吊橋，加以強(qiáng)迫激發(fā)需要非常重且昂貴的器材通常在大部分動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室是不存在的。圖10顯示令人印象極深的振蕩器，它們曾經(jīng)激勵(lì)過Tatara 和Yeongjong大橋。</p><p>　　幸運(yùn)的是，隨著轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，使得它可以精確測量非常低的周邊環(huán)境如風(fēng)和交通激發(fā)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這些技術(shù)發(fā)展刺激了只輸入模態(tài)識別方法的發(fā)展。</p>

19、;<p>　　因此，只輸出模態(tài)識別測試成為一個(gè)土木工程領(lǐng)域極為重要的替換技術(shù)。它允許精確地識別大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性，使得在調(diào)試階段或在它的使用壽命中測試而不中斷他的正常使用。</p><p>　　設(shè)備和測試程序?，F(xiàn)代的力平衡加速器很適于在0-50Hz進(jìn)行測試而對高頻率的振動(dòng)顯得非常遲鈍。它們對周邊環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的測試有重大理論意義。在這樣一個(gè)測試中，建筑周圍環(huán)境的響應(yīng)被一個(gè)或多個(gè)混合定位傳感器和一個(gè)流動(dòng)

20、傳感器在不同定位點(diǎn)通過不同結(jié)構(gòu)在不同的階段捕獲。這些點(diǎn)以前常有條件受制于空間分辨率需要恰當(dāng)?shù)拿枥L大部分有關(guān)振動(dòng)的方法（通過有限元模型），此時(shí)參考點(diǎn)必須與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)有足夠的距離。</p><p>　　力平衡感應(yīng)器需要適當(dāng)?shù)哪茉垂?yīng)，并且它們的模擬信號經(jīng)常用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換卡通過16位相對較長的電纜傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以應(yīng)用在一個(gè)普通的個(gè)人電腦上。這些數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，特別為周圍環(huán)境振動(dòng)測試而設(shè)計(jì)的，應(yīng)

21、經(jīng)別設(shè)計(jì)制造出來了（圖16）。它和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析采用的常用傅里葉分析是相同的。</p><p>　　大部分應(yīng)用于大型土木結(jié)構(gòu)的只輸出模態(tài)識別測試已經(jīng)成為通過長電纜為世界范圍內(nèi)所應(yīng)用。為了這個(gè)方案的實(shí)現(xiàn)消耗了大量時(shí)間并進(jìn)行了大量繁重的實(shí)驗(yàn)。無線系統(tǒng)正在發(fā)展來避免這個(gè)問題，或是至少通過地區(qū)數(shù)字化和局域網(wǎng)絡(luò)的單電纜傳輸徹底的減少電纜的長度。一個(gè)非常有效的可選方案是集中使用基于三維GPRS監(jiān)視器引導(dǎo)的地震同步記錄儀。&

22、lt;/p><p>　　只輸出模態(tài)識別方法。周圍環(huán)境的激勵(lì)通常提供多樣的輸入和一個(gè)寬的頻譜組合，因此激勵(lì)出數(shù)量顯著的振動(dòng)方法。為簡單起見，只輸出模態(tài)識別方法假設(shè)輸入激勵(lì)信號是一個(gè)零均值的高斯白噪音。這就表示真正的激勵(lì)信號能被表示成一個(gè)合適濾波器受激勵(lì)于白噪音的輸出。一些附加的沒有物理意義的計(jì)算極點(diǎn)作為假設(shè)的白噪音結(jié)果出現(xiàn)。</p><p>　　這有兩個(gè)主要的只輸出模態(tài)識別方法族-非參數(shù)法在頻域

23、和在時(shí)域的參數(shù)方法中發(fā)展而來。這個(gè)基本的頻域方法（頂點(diǎn)采集），已經(jīng)在模態(tài)識橋和建筑物應(yīng)用幾十年，僅在12年前還由菲爾波便利的運(yùn)行。這種途徑可以引導(dǎo)對圖形運(yùn)作模式的評估，是以平均功率譜一體化密度（ANPSDs）為基礎(chǔ)且周圍環(huán)境的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為包括所有測試點(diǎn)的函數(shù)。這就促使應(yīng)用于UBC和EMPA的模態(tài)識別和形象化軟件快速發(fā)展。頻域方法是隨后通過使用一個(gè)單一價(jià)值的規(guī)格響應(yīng)矩陣分解改進(jìn)的，這一矩陣含有一種SDOF系統(tǒng)的功率譜密度。這樣一種方法，頻域

24、分解（FDD）,是有邦克施行的，并且隨后加強(qiáng)成為提取模態(tài)阻尼因子估計(jì)。這個(gè)最接近的方法（EFDD）,是通過對衰退和自動(dòng)執(zhí)行反傅氏變換系統(tǒng)的功率譜密度函數(shù)檢查的估計(jì)獲得。</p><p>　　這種時(shí)域參數(shù)方法包含一種適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)行為模型（通常是時(shí)間離散，隨機(jī)模型的狀態(tài)）的機(jī)會，并且模態(tài)參數(shù)的價(jià)值可以被識別，所以該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在一些適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可以被識別。這些方法可以直接應(yīng)用于描述時(shí)間序列的響應(yīng)或

25、是，作為一種選擇，來響應(yīng)相關(guān)函數(shù)。對這些函數(shù)的評價(jià)可以被作為基于使用FFT算法或在隨機(jī)衰減模式（RD）應(yīng)用。只輸出模態(tài)識別方法的一個(gè)特殊方面的基礎(chǔ)上有關(guān)聯(lián)函數(shù)擬合響應(yīng)的可能性，出于對這種以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)從而產(chǎn)生識別方法的脈沖響應(yīng)函數(shù)。這些方法中的一些是伊卜杜拉時(shí)域（ITD）,多樣的參考伊卜杜拉時(shí)域（MRITD）,最小二乘復(fù)雜指數(shù)（LSCE）, 多晶硅參考復(fù)雜的指數(shù)(PRCE), 協(xié)方差隨機(jī)子空間識別(SSI-COV)。</p>

26、;<p>　　一個(gè)替代的方法允許響應(yīng)時(shí)間序列直接應(yīng)用是隨機(jī)的依照數(shù)據(jù)處理子空間識別（SSI-DATA）.注意到隨機(jī)衰減技術(shù)經(jīng)常與像時(shí)域方法如伊卜杜拉式也能成為頻域方法(如PP,PDD和EFDD)應(yīng)用的基礎(chǔ)。這就導(dǎo)致了自由振動(dòng)響應(yīng)，它來自于功率譜密度能被評價(jià)在FFT法則的使用上，因此要降低噪音影響（RD-PP,RD-FDD和RDEFDD方法）。這些方法，如圖12所示，已經(jīng)執(zhí)行應(yīng)用。圖12同時(shí)也顯示出五種不同類型的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

27、于他們發(fā)展之中。</p><p>　　一種新的實(shí)用的波動(dòng)式參數(shù)估計(jì)方法是LMS引進(jìn)的。它運(yùn)行在全頻譜或半頻譜上（也就是傅里葉變換的時(shí)間滯后的關(guān)聯(lián)函數(shù)），它主要的先進(jìn)之處在于它有穩(wěn)定極為清晰的圖標(biāo)，做出一個(gè)參數(shù)辨識過程相當(dāng)簡單，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性連續(xù)監(jiān)測。</p><p>　　周邊環(huán)境振動(dòng)測試的例子。周邊環(huán)境振動(dòng)測試都是在取得成功的巨大的建筑，橋梁，和其他建筑物中進(jìn)行的。高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫

28、已經(jīng)用于比較不同的只輸出模態(tài)識別方法。一個(gè)關(guān)于法院塔（加拿大溫哥華）模態(tài)基準(zhǔn)測試是由IMAC-XVIII組織的。這個(gè)例子考慮了一個(gè)綜合的測試信號（一般總數(shù)，一般不同的信號沿著兩條正交直線在兩個(gè)不同方向點(diǎn)的平面）。這強(qiáng)調(diào)了彎曲度和扭轉(zhuǎn)度的重要意義，就好比使用經(jīng)典的IPP方法將高頻率結(jié)合在一起的模式分解成各個(gè)部分。應(yīng)用FDD和SSI方法允許一個(gè)更大的自動(dòng)化識別程序，他可以用來區(qū)別聚合模式和解壓模式阻尼估計(jì)。</p><p

29、>　　在這個(gè)橋梁的例子中，完整的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，以約5公里的瓦斯科達(dá)伽馬大橋?yàn)閷ο?。至于主要的斜拉索橋周圍結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程中，測量16分鐘時(shí)間在58個(gè)沿甲板和塔（上游和下游）使用三軸無線系統(tǒng)，同步16位地震儀計(jì)由一臺筆記本電腦控制。一個(gè)橫向，縱向，并在0-1赫茲頻率范圍內(nèi)的有關(guān)扭轉(zhuǎn)模式.隨后，在小型工業(yè)的應(yīng)用和FDD方法和比較，并比較使用該軟件MACEC和 ARTeMIS。這種對模態(tài)阻尼因素導(dǎo)致的估計(jì)，雖然非常精確的測量阻尼，但估計(jì)需要

30、較長時(shí)間。圖15顯示了奇異值頻譜和穩(wěn)定圖這兩個(gè)方法的產(chǎn)生，而圖16介紹了一些基本模式。</p><p>　　注意到電纜組件在分析頻率范圍內(nèi)的存在可以使自然頻率識別困難。圖17c條及17d展示了PSD（功率譜密度）功能有關(guān)的瓜迪亞納斜拉橋橋周圍環(huán)境的改變（連接葡萄牙阿爾加維西班牙），評價(jià)了3個(gè)不同層次的平均風(fēng)速。這表明了斜拉索橋（范圍在0.6-0.9 Hz）或二次諧波導(dǎo)致不能作為橋梁的全球自然頻率譜峰解釋的基本模式

31、。檢查（圖17b）顯示模式增加譜峰與風(fēng)速，可以通過環(huán)境振動(dòng)測試評估并使用足夠長的測量時(shí)間阻尼。</p><p>　　又注意到，只輸出模態(tài)識別技術(shù)使用FEUP在達(dá)伽馬和瓜迪亞納橋梁最近已獲得巨大成功，并在未完成的米洛高架橋（CSTB，法國應(yīng)用）通車階段和弗拉芒協(xié)調(diào)下完成動(dòng)態(tài)測試。</p><p>　　自由振動(dòng)試驗(yàn)范例 - 阻尼估計(jì)。模態(tài)阻尼因素的準(zhǔn)確識別是在查驗(yàn)過程中，由于相當(dāng)大的分散出現(xiàn)，

32、用各種自然頻率和振型來估計(jì)相關(guān)的重大問題。這也是正確的，因?yàn)檎承宰枘峒僭O(shè)并不完全一致，都有真正的阻尼特性，隨著模態(tài)阻尼比增加進(jìn)而逐步增加振蕩水平。</p><p>　　在一些情況下，模態(tài)阻尼因素的準(zhǔn)確識別是必需的，它常常是通過執(zhí)行一個(gè)自由振動(dòng)試驗(yàn)取得的。這種情況下，細(xì)長的斜拉橋或懸索橋在某些阻尼因素的認(rèn)識形成了至關(guān)重要的評估氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定問題。這些試驗(yàn)已在諾曼底，達(dá)伽馬，或米洛橋梁完成。在達(dá)伽馬大橋，測試是由暫停

33、對一個(gè)有60噸從一個(gè)在平面（圖18a）三分之一跨度偏心點(diǎn)上游大規(guī)模電纜駁船。該電纜被切斷時(shí)潮為低，風(fēng)速小于3米/ 秒，以避免氣動(dòng)阻尼的影響。對于群眾突然釋放造成的自由振動(dòng)響應(yīng)，是衡量在一個(gè)半超過16分鐘，由6個(gè)地震儀和三軸三分之一跨橫截面。類似的技術(shù)可以用在其他結(jié)構(gòu)，這也是為馬德拉機(jī)場延伸60.8噸的質(zhì)量是從跑道上暫時(shí)中止。對它們的突然釋放，導(dǎo)致納入了易熔元素的懸掛裝置的爆炸。</p><p>　　在新的布拉加體

34、育場（歐洲'2004）是由不同的物理模型實(shí)驗(yàn)測試證明纜索屋頂?shù)姆€(wěn)定性。模態(tài)阻尼識別基本上是必須研究共振效應(yīng)的，因?yàn)楣舱窨赡軙绊戦L期結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。正弦激勵(lì)的適用于不同的點(diǎn)通過連接到纜索屋頂?shù)臋C(jī)械振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)突然停止，它成為可能的措施模態(tài)自由振動(dòng)響應(yīng)，如圖19繪制。在自由振動(dòng)導(dǎo)致不同程度的振動(dòng)模態(tài)阻尼因素非常準(zhǔn)確的估計(jì)，該指數(shù)會擬合。</p><p>　　有限元的相關(guān)性和更新</p>&

35、lt;p>　　有限元的相關(guān)性。橋梁和其他民用結(jié)構(gòu)模態(tài)識別方法所需的有限元模型驗(yàn)證用于預(yù)測在設(shè)計(jì)階段或健康靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的行為。經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證，有限元模型可以提供重要的基準(zhǔn)信息，可以在之后的與長期監(jiān)測系統(tǒng)捕獲的結(jié)構(gòu)損傷檢測信息進(jìn)行比較。</p><p>　　通過模態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是否在自然條件下，計(jì)算頻率和相應(yīng)振型相關(guān)系數(shù)都使用MAC（模態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)）值。除此之外，模態(tài)阻尼比的估計(jì)也可為數(shù)值

36、模擬的假設(shè)值。這種類型的分析已測定了達(dá)伽馬和路易斯為優(yōu)秀橋梁，最近已有兩個(gè)以上杜羅河葡萄牙橋梁應(yīng)用。新欣策里貝羅大橋是6跨度組合橋梁取代了在100周年倒塌的橋梁，2001年和皮尼揚(yáng)橋（一三跨簡支與混凝土板在橋面的金屬橋）目前正在修復(fù)。</p><p>　　在第一種情況中，良好的相關(guān)性確定和計(jì)算模態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了垂直彎曲模式。對于橋梁橫向響應(yīng)，確定頻率高于計(jì)算模態(tài)形狀，就可以取得良好的相關(guān)性值。 這種差異源于在數(shù)值模

37、擬的幾個(gè)橋墩地基土結(jié)構(gòu)相互作用的實(shí)際特點(diǎn)，它顯示了在邊界條件的變化可能對橋梁性能動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。</p><p>　　在皮尼揚(yáng)橋，模態(tài)估計(jì)的情況非常相似獲得了三種類似的跨度，通過良好的相關(guān)性研究，橋梁之間不論是垂直或橫向的行為產(chǎn)生了重大計(jì)算模態(tài)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。顯然，初步數(shù)值模擬的改進(jìn)設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)正確進(jìn)行，包括與它是通過對殼單元離散化了橋面混凝土板相關(guān)的橫向剛度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　

38、有限元更新。關(guān)于只輸出模態(tài)測試的基礎(chǔ)重要參數(shù)的準(zhǔn)確識別，可以支持更新的有限元模型，它可以克服與數(shù)值模擬有關(guān)的若干不確定性。這種更新就可以開發(fā)一種使用多種類型的敏感性分析模型和結(jié)構(gòu)變化的一些屬性的值來實(shí)現(xiàn)模態(tài)之間的確定和計(jì)算參數(shù)匹配良好的基礎(chǔ)。這一程序一直沿用至今，如研究校園行人天橋的動(dòng)態(tài)行為。為此，對于初始有限元模型，開發(fā)了一個(gè)與在設(shè)計(jì)階段考慮梁的幾何元素的集合橋面或通過地形調(diào)查（模式1和2來衡量）。此后，由于有明確的幾何非線性結(jié)構(gòu)的橋

39、梁，開始了第三個(gè)模型（模式3）的開發(fā)。橋面是參照與索桁架軸向剛度有限元（忽略彎曲剛度）和索力調(diào)整初步取得進(jìn)展后，加載應(yīng)用程序的縱向剖面測量。要同時(shí)考慮混凝土板，這種模式后來改編的離散與同步的裝載和連接桁架梁元素的節(jié)點(diǎn)元素激活桁架有限元素橋面（模式4）的彎曲剛度。最后，考慮到與梁單元模擬關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)密封缺少的部分，這種模式稍微修改。在面積和梁單元的慣性也減少了開裂加上模擬之間的預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土中不確定的影響。這些迭代，很好達(dá)到了相關(guān)性確定和

40、計(jì)算的固有頻率和振型。</p><p>　　超越這些敏感性分析，更多的自動(dòng)有限元升級技術(shù)也能夠使用。只輸出模態(tài)識別方法的主要缺點(diǎn)是它似乎沒能力取得規(guī)范化的方式或圖形。然而，這一麻煩能通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)而改變。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　土木工程結(jié)構(gòu)有特殊的特征（巨大的體積和相對較低的自然頻率），使得應(yīng)用經(jīng)典的輸入

41、-輸出模態(tài)識別技術(shù)對其進(jìn)行應(yīng)用時(shí)顯得十分困難。因此，不久前出現(xiàn)一種清晰的全球范圍內(nèi)探索和改善潛在的只輸出模態(tài)識別技術(shù)的趨勢，這種技術(shù)的效率和準(zhǔn)確度經(jīng)過應(yīng)用很清楚的展示出來。這項(xiàng)技術(shù)在正常的運(yùn)行條件下使用時(shí)能為以下領(lǐng)域提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)：</p><p>　　?發(fā)展有限元相關(guān)分析</p><p><b>　　?有限元更新和確認(rèn)</b></p><p&

42、gt;　　?根據(jù)最初的未受損害的建筑動(dòng)態(tài)性能定義一個(gè)基線，這樣就能決定應(yīng)用隨后的基于振動(dòng)損傷的偵測技術(shù)。</p><p>　　?在健康偵測系統(tǒng)中綜合化只輸入模態(tài)識別系統(tǒng)技術(shù)</p><p>　　?實(shí)施振動(dòng)控制設(shè)別。</p><p><b>　　附錄B</b></p><p>　　Title：Experimental Mo

43、dal Analysis of Civil Engineering Structures</p><p>　　This article presents the evolution of experimental modal analysis in the civil engineering field, from input-output to output-only modal identification

44、techniques. Many case histories are included from the experiences of the authors at the Laboratory of Vibrations and Monitoring at the University of Porto.</p><p>　　Decades ago, a major concern of structura

45、l engineers was the development and application of new and powerful numerical methods for the static and dynamic analysis of large civil engineering structures. The rapid development of finite-element techniques accompan

46、ied by tremendous technological progress in the field of personal computers allowed structural designers to use software packages for accurate simulation of structural behavior.</p><p>　　However, the design

47、and construction of more and more complex and ambitious civil structures, like dams, large cablestayed or suspension bridges, or other special structures have led structural engineers to develop new experimental tools to

48、 enable the accurate identification of the most relevant static and dynamic properties. These tools would provide reliable data to support calibrating, updating, and validating of structural analysis numerical models use

49、d at the design stage.</p><p>　　The continuous ageing and subsequent structural deterioration of a large number of existing structures have encouraged the development of efficient vibration-based damage dete

50、ction techniques supported by structural health monitoring systems. The natural tendency of civil engineering researchers was to utilize well established input-output modal identification techniques to accurately identif

51、y the main dynamic properties of civil structures.</p><p>　　However, it is difficult to excite large civil structures in a controlled manner. Fortunately, remarkable technological progress in transducers and

52、 analog-to-digital converters has supported modal analysis of large structures exclusively based on measuring the structural response to ambient excitations and applying suitable stochastic modal identification methods.&

53、lt;/p><p>　　The main purpose of this article is to briefly present our perspective concerning the evolution of experimental modal analysis in the civil engineering field, from input-output to output-only modal

54、identification techniques. This discussion is strongly influenced by our experience as researchers.</p><p>　　Input-Output Modal Identification</p><p>　　Equipment and Test Procedures. Conventiona

55、l modal testing is based on estimating a set of frequency response functions (FRFs) relating the applied force and corresponding response at several pairs of points along the structure with enough high spatial and freque

56、ncy resolution. The construction of FRFs requires use of an instrumentation chain for structural excitation, data acquisition, and signal processing.</p><p>　　In small and medium-size structures, the excitat

57、ion can be induced by an impulse hammer similar to those currently used in mechanical engineering. This device has the advantage of providing a wide-band input that is able to stimulate different modes of vibration. The

58、main drawbacks are the relatively low frequency resolution of the spectral estimates (which can preclude the accurate estimation of modal damping factors) and the lack of energy to excite some relevant modes of vibration

59、. Due to thi</p><p>　　The controlled excitation of large civil engineering structures requires the use of heavy excitation equipment. One option frequently used in the past in dynamic testing of dams was the

60、 eccentric mass vibrator (Figure 1b), which enables the application of sinusoidal forces with variable frequency and amplitude. The main drawbacks of this technique are low force amplitude induced at low frequencies, som

61、e difficulty in measuring the applied force, and restraining relative movement of the vibrator </p><p>　　The dynamic response of a structure is usually measured with accelerometers – piezoelectric, piezoresi

62、stive, capacitive or force balance,1 due to their relatively low cost and high sensitivity (see Figure 3). A particular characteristic of piezoelectric accelerometers is that they don’t need a power supply and operate we

63、ll over a wide frequency range. However, most are not suited to low-frequency applications. On the contrary, piezoresistive, capacitive, and force-balance accelerometers can prov</p><p>　　The data acquisitio

64、n and storage of dynamic data requires the use of an analog-to-digital (A/D) converter in the measurement chain. Raw data must be initially analyzed and processed; considering operations of scale conversion, trend remova

65、l, and decimation. Subsequently, the acceleration time history can be multiplied by appropriate time windows (Hanning, Cosine-Taper, etc.), to reduce leakage effects, and subdivided into different blocks for evaluation o

66、f average spectral, auto spectral, and cr</p><p>　　Input-Output Modal Identification Methods. There is a wide variety of input-output modal identification methods whose application relies either on estimates

67、 of a set of FRFs or on the corresponding impulse response functions (IRFs), which can be obtained through the inverse Fourier transform. These methods attempt to perform some fitting between measured and theoretical fun

68、ctions and employ different optimization procedures and different levels of simplification. Accordingly, they are usually cl</p><p>　　? Domain of application (time or frequency)</p><p>　　? Type

69、of formulation (indirect or modal and direct)</p><p>　　? Number of modes analyzed (SDOF or MDOF – single degree of freedom or multi degree of freedom)</p><p>　　? Number of inputs and type of est

70、imates (SISO, SIMO, MIMO,MISO – single input single output, single input multi output,multi input multi output, multi input single output).</p><p>　　Early methods of identification were developed for the fre

71、quency domain. For simple SDOF formulations (peak amplitude, curve-fit, inverse methods, for example), the fit between a measured and a theoretical FRF of a SDOF system in the vicinity of each resonant frequency is devel

72、oped; neglecting the contribution of resonant modes. In more sophisticated MDOF methods – rational fraction polynomial (RFP), complex exponential frequency domain (CEFD), poly reference frequency domain (PRFD) – the fit

73、be</p><p>　　Time-domain methods, which tend to provide the best results when a large frequency range or a large number of modes exist in the data, were developed because of limitations in the frequency resol

74、ution of spectral estimates and leakage errors in the estimates. The most widely known methods are either indirect – complex exponential (CE), least-squares complex exponential (LSCE), poly reference complex exponential

75、(PRCE), Ibrahim time domain (ITD), eigen system realization algorithm (ERA), or direc</p><p>　　The gradual development of all these methods, which are extensively described by Maia, et al,1 tend to be comple

76、tely automated systems of acquisition, analysis, processing, and identification, instead of interactive programs initially. Beyond that, the best-performing methods have been implemented in robust modal analysis software

77、.2 A special class of modal identification methods, called tuned-sinusoidal methods (e.g. Asher, Mau) corresponds to the particular type of tests that are based on the </p><p>　　Examples of Forced Vibration

78、Tests. The performance of classical input-output modal identification tests in civil engineering structures can be of interest both for physical models and for prototypes. Figures 4 and 5 show a physical model of Jindo B

79、ridge (South Korea), which was extensively tested to analyze the importance of dynamic cable-structure interactions in terms of seismic response analysis.3 Several forced vibration tests were performed using electro-dyna

80、mic shakers (at the University </p><p>　　introduced along the cables, but equivalent masses were concentrated at their extremities. This study identified the existence of different sets of multiple modes; so

81、me being pure cable modes and others coupled modes. Each of these sets presents a common shape for the deck and towers and different cable motions. The corresponding natural frequencies are very close, always in the vici

82、nity of a global mode of the primary system (Figure 6).</p><p>　　Several large civil engineering structures, like buildings, bridges or dams, have also been subjected to forced vibration tests in the past us

83、ing heavy excitation devices only available at well equipped laboratories. That was the case of EMPA, where Cantieni and other researchers have tested a significant number of bridges and dams.4-6 Figures 7 through 9 show

84、 some examples of that remarkable activity, presenting in particular some of the modes of vibration accurately identified at the Swedish N</p><p>　　Output-Only Modal Identification The main problem associate

85、d with forced vibration tests on bridges, buildings, or dams stems from the difficulty in exciting the most significant modes of vibration in a low range of frequencies with sufficient energy and in a controlled manner.

86、In very large, flexible structures like cable-stayed or suspension bridges, the forced excitation requires extremely heavy and expensive equipment usually not available in most dynamic labs. Figure 10 shows the impressiv

87、e</p><p>　　Fortunately, recent technological developments in transducers and A/D converters have made it possible to accurately measure the very low levels of dynamic response induced by ambient excitations

88、like wind or traffic. This has stimulated the development of output-only modal identification methods.</p><p>　　Therefore, the performance of output-only modal identification tests became an alternative of g

89、reat importance in the field of civil engineering. This allows accurate identification of modal properties of large structures at the commissioning stage or during their lifetime without interruption of normal traffic.&l

90、t;/p><p>　　Equipment and Test Procedures. Modern force-balance accelerometers (Figure 11a) are well suited for measurements in the range of 0-50 Hz and are virtually insensitive to high-frequency vibrations. Th

91、ey have contributed significantly to the success of ambient vibration tests. In such tests, the structural ambient response is captured by one or more reference sensors at fixed positions and with a set of roving sensors

92、 at different measurement points along the structure and in different setups. The</p><p>　　Force-balance accelerometers require an appropriate power supply, and their analog signals are usually transmitted t

93、o a data acquisition system with an A/D conversion card of at least 16 bits through relatively long electrical cables. This system can be implemented on a normal PC. Some data acquisition and processing systems, specific

94、ally designed for ambient vibration tests, are already available (Figure 11b). They are similar to the Fourier analyzers used for classical experimental modal analy</p><p>　　Most output-only modal identifica

95、tion tests in large civil structures have been based worldwide on the use of long electrical cables. Implementation of this solution is cumbersome and time consuming. Wireless systems are being developed to avoid this pr

96、oblem or at least drastically reduce cable length through local digitization and single-cable signal transmission. A very efficient alternative has been intensively used at FEUP7 and LNEC8 based on triaxial seismic recor

97、ders synchronized through G</p><p>　　Output-Only Modal Identification Methods. Ambient excitation usually provides multiple inputs and a wide-band frequency content thus stimulating a significant number of v

98、ibration modes. For simplicity, output-only modal identification methods assume that the excitation input is a zero-mean Gaussian white noise This means that real excitation can be expressed as the output of a suitable f