**Hur bilrespons och väginteraktion kan användas för att identifiera

Hur Modalparametrar Används för Skadeidentifiering av Broar via Konstruktionsdynamik

I dagens samhälle är broars säkerhet en av de mest avgörande faktorerna för att upprätthålla infrastrukturens stabilitet och funktion. Skador på broar kan vara svåra att upptäcka innan de orsakar allvarliga konsekvenser, vilket gör tidig skadeidentifiering avgörande för förebyggande åtgärder och kostnadseffektiva reparationer. Ett sätt att uppnå detta är genom att utnyttja broarnas dynamiska egenskaper, särskilt deras naturliga frekvenser och modformer. Flera forskningsmetoder har utvecklats för att identifiera skador genom att analysera dessa dynamiska parametrar, många av vilka bygger på användningen av passerande fordon som sensorer.

En metod som He och Ren (2018) föreslog, innebär att man använder variationer i frekvenser som orsakas av ett parkerat fordon. Genom att mäta dessa frekvenser på olika positioner längs bron kan man detektera skador. Detta tillvägagångssätt har verifierats genom både numeriska simuleringar och experimentella studier, som visar på metodens effektivitet att lokalisera och bedöma skadegrad. En vidare utveckling av denna teknik presenterades av Cao et al. (2021), som introducerade en skadelokaliseringsindex baserat på förändringen i frekvensen hos ett system där ett fordon är parkerat på olika platser, både före och efter en skada.

Den senaste utvecklingen inom detta område har involverat användningen av fordon som rör sig med mycket låg hastighet, vilket underlättar mer detaljerad insamling av modformens data. Till exempel, O'Brien och Malekjafarian (2016) utvecklade en algoritm som utnyttjar modformer uppskattade via en modifierad STFDD (Signal Transformation for Damage Detection) från passerande fordon för att identifiera både närvaron av skador och deras plats. Denna metod har visat sig vara särskilt användbar när fordonet rör sig långsamt, vilket möjliggör högre noggrannhet i skadeidentifieringen.

För att förbättra känsligheten och exaktheten vid lokaliserad skadeidentifiering har vissa metoder använt sig av ytterligare parametrar, som det operativa deflektionsformförhållandet (ODSR), vilket beräknas från accelerationen hos två axlar på ett passerande fordon. Denna metod, som föreslogs av Corbally och Malekjafarian (2022), är särskilt användbar för att upptäcka förändringar i den strukturella beteendet hos bron, även när det finns vägbulor eller annan störande påverkan från vägunderlaget.

Trots alla framsteg som har gjorts, kvarstår vissa utmaningar. En stor utmaning är att minska effekterna av vägytaens ojämnheter, vilket kan skapa brus och påverka noggrannheten i skadedetekteringen. För att hantera detta, har forskare som Yang et al. (2020, 2022) använt residualaccelerationer från fordon för att filtrera bort dessa effekter och säkerställa mer tillförlitliga resultat när modformer extraheras.

Slutligen har metoder för att detektera lokala skador, såsom de som identifierar skador på gångjärnsleder i broar, visat på lovande resultat. Zhang et al. (2022) använde exempelvis en teknik som extraherade modformens krökning från accelerationer som samlades från ett passerande fordon, vilket resulterade i en effektiv skadedetektering även i närvaro av vägbanans ojämnheter.

Hur påverkar bilens gungande rörelse detektering av brofrekvenser?

I kapitel 2 användes endast vibrationsdata som registrerades av den centrala sensorn för att detektera brofrekvenser. Därmed har den gungande rörelsen hos testfordonet ignorerats. Eftersom testfordonet är en tredimensionell struktur är det viktigt att undersöka hur det påverkas av den gungande rörelsen, som orsakas av att de två hjulen rör sig över en ojämn yta. Vidare, eftersom vibrationerna från bron först överförs till hjulen och därefter till axeln, anses data från sensorer nära hjulen vara mer tillförlitliga än data från den centrala sensorn. Detta innebär att det är av största vikt att ta hänsyn till bilens rörelser när vibrationsfrekvenserna för bron ska detekteras.

För att bättre förstå bilens dynamik måste de vertikala och gungande frekvenserna hos testfordonet identifieras. Detta kan göras genom att undersöka bilens rörelse över en platt, hård väg. På en sådan väg, som är av god kvalitet och utan påverkan från broens vibrationer, kan bilens egna dynamiska egenskaper tydligt identifieras. Under ett grundläggande test kördes testfordonet med en hastighet på 0,5 m/s på en asfaltväg, och accelerationssvar registrerades av sensorer på vänster och höger hjul.

Resultaten visade att det var möjligt att särskilja två distinkta toppar i spektrumet: en för den vertikala frekvensen och en för den gungande frekvensen av testfordonet. Dessa frekvenser var tydliga trots vissa variationer orsakade av den ojämna ytan som fordonet rörde sig på. För att ytterligare specificera dessa frekvenser kan den vertikala frekvensen identifieras genom att ta medelvärdet av responserna från de två hjulsensorerna. Resultatet från detta steg visade att den vertikala frekvensen var 6,8 Hz, vilket också kan bekräftas av data från den centrala sensorn.

Den dynamiska responsen från testfordonet på en platt väg ger en tydlig förståelse för hur bilens rörelse kan påverka de mätningar som görs på bron. Eftersom bilens frekvenser tenderar att vara relativt höga kan de lätt dölja de frekvenser som kommer från bron, vilket gör det svårt att identifiera dessa frekvenser i det spektrum som genereras av fordonet. Detta problem kan mildras genom att beräkna kontaktresponsen för fordonet, vilket gör det möjligt att eliminera eller filtrera bort de vertikala och gungande frekvenserna och därmed isolera de relevanta brofrekvenserna.

Att förstå de dynamiska egenskaperna hos testfordonet, särskilt de vertikala och gungande frekvenserna, är avgörande för tillämpningen av metoden för fordonsinspektion. För att detta ska vara möjligt måste fordonets rörelser noggrant identifieras och separeras från de effekter som orsakas av bron. Detta kräver en noggrann kalibrering av sensorerna och ett grundligt testförfarande innan det verkliga mätningsarbetet på broen kan påbörjas.

I praktiken innebär detta att, innan användning av fordonsinspektionsmetoden på en bro, bör testfordonets frekvenser noggrant identifieras och, om nödvändigt, filtreras bort för att förhindra att de döljer broens egna vibrationsfrekvenser. Genom att noggrant mäta och förstå bilens egna dynamiska egenskaper kan man säkerställa att brofrekvenserna blir korrekt detekterade och analyserade.

Hur Testfordonets Rörelser Över Broar Hjälper till att Identifiera Brofrekvenser

När ett testfordon rör sig över en bro, kan dess rörelsemönster ge värdefull information om broens strukturella egenskaper. I detta sammanhang är det avgörande att förstå hur rörelserna hos fordonets hjul – både vertikalt och i gungande rörelse – påverkar de mätningar som görs. Genom att analysera accelerationsdata från hjulsensorer och spektrogram som beräknas från dessa, kan man börja förstå hur man filtrerar bort oönskade frekvenser för att identifiera brofrekvenser mer exakt.

För att eliminera denna störning och göra brofrekvenserna mer synliga, kan man använda en metod där kontaktresponsen från de två hjulen beräknas. Detta innebär att man använder en formel för att räkna ut accelerationen i kontaktpunkterna för de två hjulen, vilket medför att de vertikala och gungande frekvenserna för testfordonet filtreras bort. Det resulterande spektrogrammet visar att brofrekvenser, särskilt den tredje frekvensen, blir tydligare när dessa störande fordonssignaler tas bort.

Det är också viktigt att förstå att genom att låta fordonet göra ett tillfälligt stopp på bron under mätningen, kan broens vibrationer förstärkas, vilket ytterligare förbättrar synligheten av dessa frekvenser. Ett stopp, även av kort varaktighet, kan bidra till att de första och andra brofrekvenserna görs tydligare. Detta tillvägagångssätt innebär en trade-off mellan mätprecision och effektivitet, särskilt på långa broar där för många stopp kan minska effektiviteten av mätningen.

I scenariot där testfordonet stannar till temporärt, visar spektrogrammen från hjulens accelerationsdata fyra distinkta toppar. De första två är relaterade till brofrekvenserna, medan de tredje och fjärde är kopplade till testfordonets vertikala och gungande rörelser. När man jämför dessa spektrum med de som tas i en situation utan stopp, kan man tydligt se att alla frekvenser har blivit skarpare. Detta tyder på att de tillfälliga stoppen inte bara hjälper till att eliminera oönskade störningar, utan också förbättrar förmågan att identifiera och analysera broens frekvenser.

För att säkerställa att mätningarna är effektiva måste man ta hänsyn till broens dimensioner och det specifika scenario som studeras. Ett tillfälligt stopp på en kort bro kan ge tillräcklig information om broens frekvenser, men på längre broar kan det krävas flera stopp för att förbättra noggrannheten ytterligare. Samtidigt måste man ta hänsyn till att låga frekvenser under 0,5 Hz bör filtreras bort för att undvika att oönskade bruskomponenter påverkar resultaten.

Sammanfattningsvis är det klart att en noggrant utformad mätmetod som inkluderar både rörelse och tillfälliga stopp kan ge värdefulla insikter i broens dynamik. Genom att förstå och hantera de olika frekvenserna från testfordonet kan forskare och ingenjörer mer effektivt extrahera brofrekvenser och på så sätt förbättra broarnas övergripande strukturella analys.

Hur man tar bort dämpningseffekten vid återhämtning av bromodformer genom att använda testfordon

Modellen som används för detta syfte består av en enkel stödd balk som representerar bron, och två testfordon: ett rörligt och ett stationärt. Dessa fordon är modellerade som enaxliga system och används för att mäta responsen från bron vid olika punkter under fordonens rörelse. Det rörliga fordonet skapar en global modalrespons längs bron, medan det stationära fordonet används för att generera en referensrespons vid en specifik punkt på bron. Genom att använda dessa två källor kan en formel härledas för att ta bort dämpningseffekten när modala former återhämtas.

Bron modelleras som en Bernoulli-Euler-balk, där dämpningen är jämnt fördelad längs balken. Dämpningen i bron orsakar en förändring i de naturliga frekvenserna och modala formerna som man annars skulle ha extraherat från ett rörligt testfordon. För att kompensera för denna dämpningseffekt och återhämta de ursprungliga modala formerna, utvecklas en normaliseringsmetod. Genom att normalisera responsen från det rörliga testfordonet i relation till det stationära testfordonets respons, kan man effektivt ta bort dämpningens inverkan.

Den analytiska formuleringen av dynamiska svaren på den dämpade bron samt de rörliga och stationära fordonen bygger på ett system av ekvationer som beskriver de vertikala rörelserna av bron och fordonen. Dämpningskraften som verkar på bron från fordonen beror på både fordonens hastighet och deras position på bron. För att beskriva dessa interaktioner matematiskt används en kombination av Diracs deltafunktion och standarddifferentialekvationer för balkens rörelse, där både fordonens massa och bron bidrar till det totala systemets respons.

Moderna beräkningsmetoder som Galerkin-metoden används för att extrahera de modala formerna från dessa system och därmed identifiera påverkan av dämpningen. För att göra beräkningarna enklare och mer praktiska, har man reducerat systemet till att hantera enaxliga testfordon där inverkan från VBI (Vehicle-Bridge Interaction) kan betraktas som försumbar vid små massförhållanden mellan testfordonet och bron.

En ytterligare aspekt som inte får förbises är hur variationer i hastigheten på testfordonet, placeringen av det stationära fordonet och den faktiska vägbanans ojämnheter kan påverka de resulterande modala formerna. Faktorer som hastighet, vägbanans beskaffenhet och antalet brospann kan ge upphov till ytterligare förvrängningar av de modala formerna. Därför måste dessa parametrar också beaktas vid återhämtning av de korrekta bromoderna.

Vidare bör man beakta att de härledda formlerna och metoderna för att eliminera dämpningseffekten ger en exaktare återhämtning av modala former än tidigare metoder som inte beaktade dämpningens inverkan. De teorier och formler som utvecklats i detta kapitel har validerats mot FEM (Finite Element Method), vilket stärker deras pålitlighet och användbarhet för praktiska tillämpningar.