Hur Fart påverkar Återhämtning av Modala Former i Böjda Broar: En Teknisk Analys

I denna studie undersöks effekten av fordonshastighet på återhämtningen av modala former i böjda broar genom användning av VMD-SWT-tekniken. För att testa robustheten hos denna metod analyseras tre olika hastigheter: 5, 10 och 15 m/s, vilket motsvarar 18, 36 respektive 54 km/h. Resultaten från denna undersökning presenteras i form av modala former för den vertikala och radiella rörelsen av broarna, återhämtade från kontaktresponsen mellan ett testfordon och bron.

I figuren som presenteras kan man tydligt se att de återhämtade modala formerna för de tre hastigheterna överensstämmer väl med de analytiska formerna. Detta bekräftar att VMD-SWT-tekniken är effektiv för att identifiera modala former i böjda broar även vid olika fordonshastigheter. Det finns dock mindre defekter vid broens ändar, vilket inte påverkar den övergripande noggrannheten i återhämtningen av modala former. Genom denna undersökning dras slutsatsen att den föreslagna metoden är robust för de hastigheter som beaktas.

Trots dessa positiva resultat innebär ökad hastighet en utmaning. När hastigheten ökar, delas varje frekvens upp i två, vilket leder till en förskjutning av frekvenser i relation till brons längd. Detta fenomen innebär svårigheter vid identifieringen av bron frekvenser, vilket gör att för hög hastighet kan komplicera detektionsprocessen. Därför bör man vid praktisk tillämpning av VMD-SWT-tekniken undvika att använda för höga hastigheter, för att säkerställa att tillräcklig data samlas in för en korrekt analys av brons modala former.

Vid simuleringen av trafikflöden med slumpmässiga egenskaper visar resultaten att medan vägbanans ojämnheter påverkar konstruktionen av den andra vertikala modala formen, förbättras identifieringen av den första vertikala och radiella modala formen genom införandet av slumpmässig trafik. Detta tyder på att VMD-SWT-tekniken, trots påverkan från vägbanans ojämnheter, är tillämpbar även i praktiska situationer där trafikflöden inte kan kontrolleras. Förhållandet mellan fordonets och vägbanans vibrationer är en viktig faktor att ta hänsyn till vid användning av denna metod.

Viktig information för läsaren: Det är avgörande att förstå att trots de teoretiska framstegen inom återhämtningen av modala former för böjda broar, finns det praktiska utmaningar som måste beaktas vid tillämpningen av VMD-SWT-tekniken. De ökande hastigheterna kan leda till frekvensförskjutningar, vilket kan påverka precisionen vid identifiering av brons modala former. Dessutom är vägbanans ojämnheter en faktor som inte får förbises, eftersom dessa kan maskera viktiga signaler och försvåra identifieringen av brons vibrationsmönster. Användning av realistiska trafikflöden, samt noggrann hantering av vägbanans inverkan, är därför avgörande för att uppnå exakta resultat i praktiska tillämpningar av denna metod.

Hur Kan Fler Frekvenser För Broar Identifieras Genom Dynamiska Tester?

Det är viktigt att förstå att den teoretiska modellen som används för att analysera broar kan utvidgas och appliceras på andra typer av balkbroar. Tidigare analyser och numeriska studier tenderar att modellera broar som enkelt stödda balkar, men i verkligheten placeras ofta elastiska lager på bropelarna för att dämpa seismiska krafter som överförs uppåt från marken. Dessutom kan styvheten hos dessa lager försämras över tid på grund av faktorer som åldrande och överbelastning, vilket gör att resultaten från dynamiska tester kan variera.

En intressant utveckling som presenterades i den senaste forskningen (Yang et al. 2022e) rörde sig kring en metod för att mäta frekvenser på broar som stöds av ojämlika elastiska lager. Genom att använda ett testfordon som rör sig både framåt och bakåt, visade det sig att svagare sektioner av bron kunde identifieras lättare, då deras svar förstärktes. På samma sätt kunde högre ordningens frekvenser för broar identifieras genom att låta testfordonet röra sig från den svagare änden.

För att förbättra identifieringen av högre frekvenser i broar har en rad programvarubaserade tekniker utvecklats. Bland dessa återfinns Empirical Mode Decomposition (EMD), som gör det möjligt att extrahera brofrekvenser från fordonets svar. Tekniken fungerar genom att bryta ner signalen till intriniska modefunktioner (IMF), vilket gör det lättare att identifiera de högre frekvenserna som annars kan vara svåra att urskilja i närvaro av bakgrundsbrus. Denna metod har visat sig vara mycket effektiv, särskilt när man hanterar komplexa vibrationsmönster orsakade av vägbeläggningens ojämnheter.

Andra metoder som Extreme-point Symmetric Mode Decomposition (ESMD) och Variational Mode Decomposition (VMD) har också använts framgångsrikt för att bearbeta data som samlats in från rörliga testfordon. I dessa fall har forskarna också undersökt hur man kan reducera effekterna av vägbanans ojämnheter genom att använda ett system av två sammankopplade fordon, där ett fordon fungerar som referens och det andra som testobjekt. Denna metod gör det möjligt att filtrera bort de störande effekterna av vägbanans roughness, vilket gör det lättare att identifiera brofrekvenser och eventuella skador.

För att ytterligare förbättra synligheten av brofrekvenser har forskarna även experimenterat med bandpassfilter (BPF) och Singular Spectrum Analysis (SSA) kombinerat med BPF. Resultaten visade att SSA-BPF-tekniken var mest effektiv när det gällde att extrahera brofrekvenser, särskilt i komplexa scenarier där flera frekvenser ligger nära varandra.

Ett annat viktigt resultat från forskningen är behovet av att hantera de potentiella störningar som kan uppstå från fordonets egna frekvenser, vilket kan göra det svårt att identifiera brofrekvenser. Yang et al. (2018a) föreslog en metod där kontaktresponsen mellan fordonet och bron används som ett bättre parameter för att scanna broegenskaper. Denna kontaktrespons kan inte direkt mätas i fält, men kan beräknas bakåt från fordonets rörelsedata. De senaste framstegen har gjort det möjligt att mer noggrant beräkna denna kontaktrespons, vilket förbättrar identifieringen av brofrekvenser avsevärt.

För att korrekt identifiera frekvenser för broar med mycket små skillnader mellan deras modala frekvenser, har metoder som multi-sensor system och avancerade beräkningsmodeller utvecklats. Dessa metoder gör det möjligt att noggrant separera närliggande frekvenser och få en exaktare bild av broens dynamiska egenskaper.

Det är också viktigt att förstå att den tekniska utvecklingen av dessa metoder inte bara är viktig för att säkerställa broarnas strukturella integritet, utan även för att kunna genomföra riktade åtgärder vid behov. Genom att tidigt identifiera förändringar i frekvenserna för broarna, kan man förutse potentiella skador eller försämringar som kan uppstå på grund av långvarig användning eller yttre påverkan som jordbävningar, trafiköverbelastning eller åldrande av material.

Hur kan testfordonets rörelser användas för att detektera brofrekvenser?

I tidigare kapitel analyserades noggrant kontaktresponsen från testfordonets vänstra och högra hjul under en test på en plan väg. Det visades att de vertikala och gungande frekvenserna hos testfordonet kan elimineras från kontaktresponsen, vilket resulterade i en mycket tydligare spektrum. I det här avsnittet kommer vi att använda den gungande rörelsen hos testfordonet för att extrahera frekvenserna från en bro, vilket beskrivs i kapitel 3.3.

En av de största utmaningarna när man utför dessa mätningar på en bro är att garantera tillräcklig vibrationstransmission från bron. Eftersom bron som testas är relativt kort, har testfordonets hastighet en stor inverkan på de vibrationer som samlas in. För hög hastighet kan orsaka större vibrationer på bron, men detta påverkar även förskjutningen av brofrekvenserna, vilket gör att data kan bli förvrängda. För att balansera dessa effekter är det därför inte lämpligt att köra testfordonet för snabbt, särskilt på korta broar med två spann.

För att ytterligare förstärka bronresponsen, och därigenom möjliggöra bättre datainsamling, anordnades även en grupp studenter som hoppade på bron under fordonets passage. En tidigare studie (Yang et al. 2020e) visade att grovheten på vägen har en större inverkan på mätningarna än miljöbrus. Eftersom miljöbrus inte anses vara en central problematik i denna studie, valdes att inte bearbeta det i detalj. Men om miljöbrus skulle utgöra ett problem, kan detta avhjälpas genom användning av testfordonets dämpningstekniker och signalbehandlingsmetoder som ESMD.

I det första scenariot kördes testfordonet över bron utan att stanna, med en hastighet på cirka 0,32 m/s. Vibrationerna som registrerades av sensorerna vid fordonets vänstra och högra hjul bearbetades för att ge kontaktrespons och extrahera brofrekvenser. En viktig observation här var att frekvenser under 0,5 Hz filtrerades bort för att eliminera effekten av miljöbrus.

De accelerationssvar som registrerades av sensorerna på vänsterhjulet och deras motsvarande spektrum är illustrerade i Fig. 3.11(a) och 3.11(b). På samma sätt presenteras accelerationssvaren och spektrumet för högerhjulet i Fig. 3.12(a) och 3.12(b). Genom att jämföra dessa resultat med de direkta mätningarna och resultaten från tidigare tester på plan väg, kan vi se att de första två topparna i spektrumet motsvarar brofrekvenserna, medan de tredje och fjärde topparna representerar testfordonets vertikala och gungande frekvenser.

Det är dock tydligt att de registrerade svaren för hjulen i dessa figurer inte är tillräckligt skarpa för att entydigt identifiera alla brofrekvenser. De vertikala och gungande frekvenserna från testfordonet täcker ett ganska stort spektrum, vilket gör det svårt att separera brofrekvenserna tydligt. Det är också viktigt att notera att den tredje brofrekvensen göms inom spektrumet för de vertikala frekvenserna hos testfordonet. Detta kan senare utnyttjas för vidare analys.

För att förbättra datakvaliteten och eliminera de vertikala och gungande frekvenserna från testfordonet, genomsnittsberäknades vibrationerna från båda hjulsensorerna. Detta gav oss en vertikal accelerationsrespons och ett spektrum, vilket presenteras i Fig. 3.13(a) och 3.13(b). De tre topparna som framkommer i spektrumet kan nu tydligt kopplas till brofrekvenserna, där den tredje toppen är den vertikala frekvensen för testfordonet, medan de gungande frekvenserna har uteslutits.

För att säkerställa att processen för att detektera brofrekvenser fungerar effektivt krävs noggrant kontrollerade testförhållanden, inklusive noggrant vald hastighet och noga övervakade externa faktorer som grovhet på vägen och miljöbrus. När dessa faktorer tas i beaktande kan testfordonets rörelser vara ett mycket effektivt verktyg för att extrahera frekvenser från en bro och på så sätt ge viktig information om broarnas strukturella hälsa och stabilitet.

Hur Förstärkningssystem Kan Förbättra Färdiga Färdighetsmätningar för Broar

Färdighetsmätningar för broar är en grundläggande del av strukturell övervakning, och metoder som utnyttjar fordon som rör sig över broar för att fånga dessa mätningar har fått stort intresse. Dock finns det flera problem i dessa metoder som gör att de inte alltid ger de exakta eller tillförlitliga resultaten som önskas. Ett av de största problemen är att fordonets egenfrekvens ofta är så framträdande att brofrekvenserna blir svåra att särskilja från spektrumet. Det finns också störningar från ojämnheter på vägbanan som kan fördunkla resultaten, vilket gör det svårt att identifiera brofrekvenser.

För att hantera dessa problem, har tekniker som partikelfilter och algoritmer för fordons-bro-kontaktrespons utvecklats för att eliminera effekterna av fordonsfrekvenser och vägskavning. Men även med dessa tekniker kvarstår det ett behov av att utveckla mer effektiva testfordon och sensorteknik för att samla in signaler med hög precision. Testfordon har ofta designats för att efterlikna enkla system, såsom ett enaxligt släp, för att underlätta förståelsen av interaktionen mellan fordon och broar.

Det är också viktigt att uppmärksamma det faktum att grovheten på vägen kan inducera höga frekvenser av störningar som kan maskera brofrekvenserna i det inspelade spektrumet. För att mildra dessa effekter har flera metoder föreslagits, såsom att använda residualer genererade av två anslutna fordon och metoder för att uppskatta korsspektrala densitetsfunktioner. För att ytterligare förbättra noggrannheten har det också föreslagits att man utrustar testfordon med förstärkare.

En ny metod som kan lindra dessa problem innebär att man använder dubbla förstärkare på testfordonet. En förstärkare stämmas in på testfordonets egenfrekvens och fungerar som en TMD (tuned mass damper) för att minska effekten av fordonsfrekvensen. Den andra förstärkaren stämmas in på den brofrekvens som är av intresse, vilket förstärker dess signal i spektrumet och hjälper till att mildra de höga frekvenser av vägskavning som kan störa analysen. Genom att installera dessa dubbla förstärkare, kan båda problemen – både fordonsfrekvensens påverkan och vägskavningens störningar – adresseras samtidigt.

När man införlivar sådana förstärkare är det viktigt att tänka på flera faktorer, såsom förstärkarens massa och frekvens, och hur dessa parametrar påverkar det dynamiska samspelet mellan testfordonet, förstärkarna och bron. En noggrann justering av dessa parametrar gör det möjligt att få mer precisa mätningar av brofrekvenser, även när fordonet kör i hög hastighet eller när vägbanan har en ojämn yta.

Den analytiska formuleringen som utvecklats för att beskriva detta system, där både testfordonet och förstärkarna interagerar med bron, erbjuder en elegant lösning på dessa problem. Den föreslagna metoden ger stängda lösningar för det dynamiska svaret hos både testfordonet och bron, vilket möjliggör en detaljerad förståelse av mekanismerna bakom dessa interaktioner. En sådan metod ger både en förbättrad förståelse av systemets dynamik och ett sätt att optimera testfordonets och förstärkarnas prestanda för att säkerställa mer pålitliga och exakt identifierade brofrekvenser.

En viktig aspekt som inte får förbises är att, även om denna metod med dubbla förstärkare kan förbättra signalerna som samlas in, är det fortfarande avgörande att noggrant välja och justera de dynamiska egenskaperna för både fordon och förstärkare. Om dessa inte är korrekt anpassade kan de själva bli en källa till störningar. Dessutom krävs det att alla komponenter i systemet är väl synkroniserade för att optimera resultaten och säkerställa att inga oönskade resonanser eller avbrott sker i systemet.

Hur kan en frekvensanpassad förstärkare förbättra identifieringen av brofrekvenser vid fordonsmätningar?

När en förstärkare integreras i ett fordonssystem och dess egenfrekvens justeras nära en viss brofrekvens, sker en riktad förstärkning av denna frekvens i accelerationssvaret. Genom att stämma förstärkaren till 1.1 gånger den andra brofrekvensen (fb,2) genom en styvhetsjustering till exempelvis ka = 41.49 kN/m, uppvisar systemet med förstärkare en markant högre spektral respons kring denna brofrekvens jämfört med fordonet utan förstärkare. Samtidigt förblir fordonets eget respons nästan oförändrat, vilket antyder att förstärkaren arbetar selektivt utan att påverka fordonets övergripande dynamik.

FEM-simuleringar visar att när förstärkaren stäms till den tredje brofrekvensen (fb,3), uppstår återigen en märkbar amplitudförstärkning i förstärkarens spektrum medan fordonets respons bibehålls praktiskt taget konstant. Detta understryker förstärkarens roll som ett selektivt filter som fokuserar på att extrahera enskilda brofrekvenser. Principen baseras på den frekvensspecifika energiöverföringen mellan fordonets rörelser och den passivt anpassade förstärkaren. Sådan frekvensanpassning är möjlig tack vare användningen av en adaptiv förstärkare, där frekvensen justeras mekaniskt via längdförändring på en cantilever fäst på fordonets kaross eller axel. Detta gör systemet praktiskt användbart i realtid och i varierande fältförhållanden.

Vid montering av två förstärkare – en för den andra brofrekvensen (fa1 = 1.1 fb,2) och en för den tredje (fa2 = 1.1 fb,3) – blir skillnaden i effektivitet tydlig. Förstärkaren stämd till fb,2 visar signifikant förstärkning, medan den som riktats mot fb,3 ger en märkbart svagare effekt. Det visar att systemets känslighet minskar för högre ordningens frekvenser, vilket indikerar en praktisk begränsning i förstärkarens selektiva förmåga. Denna nedgång i effektivitet kan kopplas till den minskade energiöverföringen vid högre modformer samt till ökad komplexitet i spektrala interaktioner vid dessa frekvenser.

En ytterligare komplexitet introduceras av vägbanans ojämnhet, som kan förstärka fordonets egenfrekvenser och därmed maskera de sökta brofrekvenserna i spektrumanalysen. I dessa fall kan en särskilt stämd förstärkare även fungera som en TMD (tuned mass damper), vilket är en etablerad strategi inom byggnadsdynamik. Genom att justera förstärkarens frekvens till att sammanfalla med fordonets naturliga frekvens (fa = fv), undertrycks fordonets egna dominanta spektralkomponenter. Detta optimerar kontrasten och därigenom synligheten av brofrekvenser även under påverkan av vägbanans stokastiska variationer.

Utöver förstärkarens kapacitet att selektivt förstärka brofrekvenser och dämpa fordonets egenfrekvens, är det väsentligt att förstå systemets beroende av noggrann frekvensstämning, vägytans statistiska karaktär och det modala överlappet mellan fordon och bro. Effektiviteten minskar vid högre ordningens frekvenser, vilket kräver en balanserad teknisk avvägning mellan förstärkarens styvhet, massa och installationspunkt. Det är också avgörande att särskilja om förstärkaren fungerar som ett extraktionsverktyg eller som ett brusreducerande element, eftersom dessa funktioner kräver olika stämstrategier. Ett lyckat system kräver därför både noggrann modellering och fältvalidering för att uppnå robust och exakt frekvensidentifiering.