Hur kan den avancerade metoden för fordonsinspektion användas för att övervaka broars hälsa och identifiera skador?

Fordonsinspektionsmetoden (VSM), som ursprungligen kallades den indirekta metoden för bromätning, är en effektiv metod för att övervaka broars hälsa genom att använda sig av svar från rörliga testfordon. Metoden har fördelen av mobilitet, effektivitet och kostnadseffektivitet, då den endast kräver ett fåtal vibrationssensorer monterade på testfordonet, vilket eliminerar behovet av att installera ett stort antal sensorer på bron. Sedan den först föreslogs av Yang et al. (2004a) har VSM fått intensiv uppmärksamhet från forskare världen över. Under de senaste två decennierna har det skett betydande framsteg på flera områden, inklusive identifiering av broars frekvenser, modformer, dämpningskoefficienter, skador och ytroughness, liksom tillämpningar på järnvägar.

Den konventionella metoden för broövervakning, den direkta metoden, innebär installationen av ett stort antal vibrationssensorer på bron för att samla in vibrationsdata för vidare analys. Emellertid har denna metod kritiserats för de höga installations- och underhållskostnaderna, samt för den stora mängden data som är svår att bearbeta effektivt. Dessutom överstiger ofta livslängden på de elektroniska enheterna som sensorer och datainsamlingssystem på bron bron själv. På grund av dessa problem har den direkta metoden främst tillämpats på strategiskt viktiga broar eller broar med ovanliga strukturella former.

För att hantera dessa begränsningar föreslog Yang et al. (2004a) för första gången att använda ett instrumenterat rörligt fordon för att extrahera brofrekvenser. Detta koncept bekräftades genom ett fälttest som visade att det var möjligt att framgångsrikt extrahera frekvenser från en enkel balkbro utifrån fordonets respons (Lin och Yang, 2005). För att särskilja metoden från den traditionella direkta metoden, kallades denna först den indirekta metoden, då ingen data behövde samlas in från bron. Vissa forskare refererade även till den som en "drive-by"-metod, men för att bättre uttrycka teknikens syfte döptes metoden om till den numera välkända fordonsinspektionsmetoden (VSM) för broar.

I början av forskningen kring VSM låg fokus på att skanna de första frekvenserna för bron genom teoretiska eller experimentella metoder. Senare expanderade tekniken för att omfatta identifiering av andra egenskaper för bron, såsom modformer, dämpningskoefficienter och skador. Till skillnad från den traditionella metoden, som kräver omfattande installation av sensorer och databearbetning, har VSM visat sig vara ett kostnadseffektivt alternativ för kontinuerlig övervakning av bron i realtid.

Förutom de uppenbara fördelarna med mobilitet och kostnadseffektivitet är det viktigt att förstå att VSM, trots sina fördelar, inte alltid kan ersätta den direkta metoden i alla situationer. Denna metod är särskilt användbar för snabb inspektion och identifiering av stora skador eller problem, men för mer detaljerade inspektioner kan fortfarande en omfattande installation av sensorer vara nödvändig. Vidare är det viktigt att uppmärksamma att VSM inte bara handlar om att samla in frekvenser och modformer, utan också om att analysera vibrationsmönster som kan indikera skador på strukturen, vilket gör att tekniken kan användas för skadeidentifiering även i de mest utsatta delarna av en bro.

Hur kan vi effektivt identifiera broars frekvenser, dämpningsförhållanden och modestrukturer med hjälp av fordonsskanning?

Den traditionella metoden för att övervaka broars hälsa innebär installation av ett stort antal sensorer på själva bron för att mäta dess vibrationsrespons och extrahera dess modala egenskaper (Ding et al. 2018). Men denna metod är ofta kostsam och kräver mycket arbete för installation och underhåll. Dessutom har både sensorer och dataregistreringssystem ofta en kortare livslängd än själva bron som de ska övervaka. Därför används den direkta metoden främst för strategiskt viktiga eller arkitektoniskt unika broar.

För att övervinna dessa begränsningar föreslogs den indirekta metoden, känd som fordonskanningsmetoden (VSM), av Yang et al. (2004a). VSM kräver endast en eller några få sensorer som installeras på ett skanningsfordon, vilket eliminerar behovet av att installera sensorer på bron. Jämfört med den direkta metoden erbjuder VSM fördelar i form av rörlighet, effektivitet och kostnadseffektivitet. Sedan det första förslaget har VSM fått stort genomslag och forskningen kring metoden har vuxit globalt, med särskild uppmärksamhet riktad mot identifiering av broars frekvenser (Yang et al. 2004a, 2020f, 2022g; McGetrick et al. 2009), modestrukturer (Yang et al. 2014, 2022f; Malekjafarian och O’Brien 2014), och dämpningsförhållanden (González et al. 2012; Keenahan et al. 2014; Yang et al. 2019b, 2024d; Xu et al. 2024a).

För att effektivt extrahera broars frekvenser och modestrukturer har olika tekniska lösningar använts, såsom EMD (Yang och Chang 2009b), VMD (Yang et al. 2021e), GPSA (Li et al. 2014), och olika metodologier för att analysera fordons-bro-kontaktresponser (Yang et al. 2018a, 2020f, 2022g). På hårdvarusidan har man också använt parkering av fordon (Yang et al. 2020f; Zhang et al. 2023) och förstärkare på testfordon (Yang et al. 2021d; Xu et al. 2023e). För att extrahera broens modestrukturer har metoder som HT (Yang et al. 2014, 2022f) och STFDD (Malekjafarian och O’Brien 2014) använts.

Trots den omfattande forskningen på frekvenser och modestrukturer har däremot broarnas dämpningsförhållanden, en lika viktig parameter, fått mindre uppmärksamhet. För att extrahera broarnas dämpningsförhållanden föreslog González et al. (2012) en sexstegsalgoritm. Keenahan et al. (2014) använde ett lastbil–trailer-system för att identifiera förändringar i brodämpning, medan Yang et al. (2019b) använde lasersensorer och HT-teknik för att bestämma dämpningsförhållanden.

En teoretisk formulering för hur man samtidigt kan skanna de vertikala och torsionella frekvenserna, dämpningsförhållandena och modestrukturerna hos tunnväggiga balkar har föreslagits, genom att utnyttja data genererade från testfordonets fyra hjul. Denna metod använder Gabor-transformen för att skapa tidsfrekvenssvar. För styva tvärsektioner separeras de vertikala och torsionella-flexuella svaren från brons kontaktresponser från de vänstra och högra hjulen utan att ha förhandsinformation om deras respektive former. En ny och viktig aspekt är användningen av den spatiala korrelationen mellan de främre och bakre hjulen för att bestämma brons dämpningsförhållanden och modestrukturer.

Hur kan man samtidigt extrahera modala egenskaper hos tunna balkbroar genom fordonsscanning?

I denna studie introduceras en metod för att extrahera de dynamiska egenskaperna hos tunna balkbroar genom att använda ett fyrhjulsfordon som rör sig över brostrukturen. Genom att utnyttja den rörliga bilens respons kan man extrahera information om broens vertikala och torsionella frekvenser, dämpningsfaktorer och modformer utan att störa de naturliga vibrationerna av bron. För att uppnå detta utvecklades en teori där både vertikala och torsionella vibrationer beaktas, och resultaten valideras med hjälp av finita elementmodeller. Denna metod kan tillämpas på olika typer av broar, inklusive flerbrospann och krökta broar, vilket gör den till en flexibel teknik för broinspektion och övervakning.

Vid analysen av bilens och broens dynamik tas hänsyn till flera faktorer som kan påverka de resulterande modala egenskaperna, såsom dämpning, hastighet, och ojämnheter på vägbanan. Dessa faktorer är viktiga för att korrekt kunna återge broens beteende under olika förhållanden och kan ge insikter om hur broens hållbarhet kan påverkas av trafikflöde och vägförhållanden.

Den teoretiska formuleringen för de dynamiska ekvationerna baseras på klassiska modeller för tunna balkar med en vertikal och torsional resonans, där dämpningen är inbyggd i systemet via både de dämpande enheterna i fordonet och de specifika egenskaperna hos bron. För att simulera dessa interaktioner används detaljerade fysikaliska modeller där varje hjul och varje del av bilens chassi är åtskilda för att exakt kunna beskriva alla krafter och rörelser.

För att undersöka broens modala egenskaper används en metod som baseras på resonansmönster, där varje hjul får sitt eget responsmönster beroende på sin position och interaktion med bron. Genom att analysera skillnaderna mellan dessa responsmönster kan man extrahera de vertikala och torsionella frekvenserna, dämpningsfaktorerna och modformerna av bron. Denna metod, som baseras på multipla responsmätningar från fordonets hjul, gör det möjligt att noggrant återskapa broens dynamiska egenskaper med hög precision.

Viktiga parametrar som påverkar denna metod är bland annat broens dämpningsegenskaper, fordonets upphängning, hastigheten på fordonet, samt vägbanans jämnhet. Dessa faktorer kan ha en stor inverkan på de uppmätta dynamiska responserna och måste beaktas vid användning av denna teknik. Genom att utföra parametriska studier kan man få en bättre förståelse för hur dessa faktorer påverkar resultatet och hur tekniken kan optimeras för olika typer av broar och vägförhållanden.

Denna metod, som utvecklades för att undersöka tunna balkbroars modala egenskaper, har potentialen att revolutionera sättet vi övervakar och inspekterar broar på. Genom att använda bilens dynamiska respons kan vi snabbt och effektivt få detaljerad information om broens tillstånd utan att behöva installera komplexa och dyra sensornätverk på själva brostrukturen. Det är en teknik som kan tillämpas på alla typer av broar och vägförhållanden, vilket gör den mycket användbar för både underhåll och säkerhetsövervakning.

Hur kan identifiering av brofrekvenser förbättra övervakningen av broar och järnvägsinfrastruktur?

Broarnas strukturella hälsa är av yttersta vikt för att säkerställa säkerheten och långsiktiga funktionaliteten hos både vägar och järnvägar. Ett av de mest centrala och komplexa områdena i denna övervakning är identifieringen av brofrekvenser, som är avgörande för att förstå en brostrukturens dynamiska respons på belastning. Under de senaste åren har forskningen kring denna aspekt intensivt undersökt metoder för att effektivt detektera och analysera dessa frekvenser, särskilt i relation till den påverkan som rörliga fordon och varierande vägförhållanden har på broarna.

En ny metod för att identifiera brofrekvenser är genom att använda instrumenterade fordon för att övervaka vibrationer. Här har forskare som McGetrick et al. (2009) och Siringoringo & Fujino (2012) undersökt hur man kan använda tvåaxliga fordonsmodeller för att övervaka brofrekvenser genom att mäta accelerationer i fordonet. Metoder som dessa ger insikter i hur broarnas naturliga frekvenser kan extraheras från fordonets accelerationsspektra. Det har visat sig att den största påverkan på denna process är brodämpning, som kan minska synligheten av brofrekvenser när dämpningen är hög.

Enligt Kim et al. (2017) har forskningen utvecklat tre huvudsakliga metoder för att identifiera brofrekvenser genom ett fordon. Dessa metoder involverar först att extrahera brofrekvenser från Fourier-spektra för fordonet, därefter att upptäcka skador genom förändringar i fordonets spektrala distributionsmönster och slutligen att identifiera vägbanans profiler. Det är tydligt att brofrekvenser inte bara påverkas av brostrukturen utan också av den dynamiska responsen från det fordon som färdas över bron.

Den dynamiska responsen hos fordonet är också direkt relaterad till de specifika rörelserna hos fordonet, som till exempel studsar eller rullar vid ingången och utgången av bron. Detta fenomen är viktigt att beakta för att förbättra noggrannheten i identifiering av brofrekvenser, och ytterligare forskning har fokuserat på att förbättra fordonens modeller för att optimera denna process.

Frekvensidentifieringens betydelse ligger i dess förmåga att tidigt upptäcka förändringar i brostrukturen som kan indikera skador eller förslitning. Det gör det möjligt att genomföra förebyggande underhåll och förhindra katastrofala brokollaps. Yang et al. (2021) och Yang & Wang (2024) har exempelvis utvecklat avancerade metoder för att analysera brofrekvenser i samband med rörliga fordon genom att använda nya typer av dämpade fordon och ytterligare förstärkningar av vibrationsöverföring, vilket gör det möjligt att upptäcka subtila förändringar i broarnas struktur.

Det är dock inte bara själva fordonet som påverkar denna identifiering, utan även vägbanans egenskaper, särskilt dess ojämnheter. För att säkerställa att brofrekvenser inte misstolkas på grund av vägskador eller andra externa faktorer, utvecklas nya teknologier för att isolera dessa effekter. Till exempel kan det vara avgörande att använda en residualresponsanalys, där man tar bort effekten av vägbristningar för att säkerställa att det som detekteras verkligen är en förändring i brostrukturen och inte en följd av yttre förhållanden.

Vid användning av dessa metoder måste också övervägas de olika typerna av broar och vägförhållanden som kan påverka resultatens noggrannhet. Broar med olika strukturella egenskaper och i olika miljöer kan ha väldigt olika dynamiska responsmönster, vilket kräver anpassning av de tekniska modellerna för varje specifikt fall. Det är därför viktigt att forskningen fortsätter att utvecklas för att skapa universella och effektiva system som kan tillämpas på olika typer av broar över hela världen.

För att effektivt implementera dessa metoder krävs också högkvalitativa data från väg- och fordonsundersökningar, vilket kan innebära användning av avancerade sensorer och automatiserade system för att samla in accelerationsdata under verkliga förhållanden. Denna insamling av data gör det möjligt att snabbt analysera broarnas status i realtid och ta lämpliga åtgärder för att förhindra större skador.

För en effektiv och korrekt övervakning av broar och järnvägar är det därför viktigt att integrera de senaste forskningsframstegen inom detta område och implementera dem i praktiska tillämpningar, vilket kommer att säkerställa både broars säkerhet och långsiktiga funktion.

Hur rörlighet och kontaktkrafter mellan fordon och bro påverkar strukturell stabilitet?

Fordonets dynamiska interaktion med broar är ett ämne som är av yttersta vikt för både brokonstruktioner och vägtransportsystem. Dessa interaktioner har stor betydelse för att förstå hur fordonets rörelser – särskilt däckens position och krafter på olika axlar – påverkar broarnas strukturella integritet. För att bättre förstå detta fenomen, används en rad olika symboler och termer som representerar krafter och frekvenser som är knutna till fordonets rörelse över broar.

De viktigaste faktorerna som påverkar dynamiken i denna interaktion inkluderar fordonets excentriciteter i relation till broens mittlinje. Exempelvis representerar eFl, eFr, eRl och eRr excentriciteten för fordonets fram- och bakhjul, både vänster och höger, i förhållande till broens mittlinje. Dessa excentriciteter spelar en avgörande roll för att bestämma den fördelade belastningen på broelementen när ett fordon rör sig över en bro, vilket i sin tur påverkar hur vibrationen sprids genom brostrukturen.

Kräfterna som utvecklas mellan fordonet och brostrukturen beskrivs genom en mängd olika termer, som till exempel Fc, Fcl och Fcr, som representerar kontaktkrafter för olika hjulpositioner på ett fordon. Fcl och Fcr är särskilt relevanta när det gäller fordon som har en enaxlad upphängning med två frihetsgrader, och dessa krafter beskriver hur fordonet påverkar broen vid kontaktpunkterna. Här är det viktigt att förstå hur dessa krafter, beroende på fordonets hastighet och geometri, varierar under rörelse, vilket kan ha stora konsekvenser för brokonstruktionens hållfasthet.

En annan viktig aspekt är de centripetala krafterna, Fr, som genereras när ett fordon rör sig längs en kurva. Dessa krafter, i form av Fcr1 och Fcr2, påverkar specifikt fram- och bakaxlar och kan orsaka ytterligare påfrestningar på broens strukturella komponenter, särskilt vid större hastigheter eller snäva kurvor. Broar som utsätts för dessa krafter måste vara dimensionerade för att hantera inte bara den vertikala belastningen utan också de dynamiska horisontella krafterna som kan orsakas av rörelse genom kurvor.

För att förstå dessa komplexa krafter och hur de samverkar är det också viktigt att analysera de resonansfrekvenser som kan uppstå. Dessa frekvenser påverkas av både fordonets och broens specifika egenskaper, inklusive deras styvhet och massa. Frekvenser som f a, f b,n och f bv,n representerar olika cykliska frekvenser som är kopplade till både fordonet och brostrukturen, och de är avgörande för att förutsäga hur vibrationer kommer att spridas och påverka hela systemet. Om dessa frekvenser sammanfaller, kan resonans inträffa, vilket kan leda till ökade vibrationer och potentiella skador på både bro och fordon.

Dynamiska fordonspåverkan på broar innebär också en detaljerad studie av hur olika komponenter i fordonet, som hjulsystem och upphängning, reagerar på dessa krafter. Termer som kv, ks, kw och de olika styvheterna för olika hjul och upphängningar (t.ex. ks,Fl för framvänsterhjulets upphängning) beskriver hur dessa system reagerar på de belastningar och vibrationer som uppstår under rörelse. Speciellt när fordonets hastighet förändras, förändras också de krafter som verkar på brostrukturen. Detta kan leda till lokal överbelastning eller vibrerande resonanser, vilket är kritiskt att beakta i designen av både broar och fordon.

För att ytterligare förstå dessa interaktioner är det också viktigt att överväga broens strukturella respons, som representeras genom olika modalformer och styvhetsmatriser. Dessa faktorer är avgörande när man studerar hur broar svarar på de krafter som genereras av fordonets rörelse. Här spelar termer som [Kb] och [Mv] viktiga roller i att beskriva hur den dynamiska responsen från både bro och fordon kan modelleras och förutsägas.

I slutändan är det avgörande för både ingenjörer och forskare att förstå alla de dynamiska interaktionerna mellan fordon och bro, så att broar kan designas för att tåla de krafter som fordon skapar under normala trafikförhållanden. Detta kräver inte bara en förståelse för de statiska belastningarna utan också för hur dessa interaktioner förändras dynamiskt vid högre hastigheter, skarpa kurvor eller andra extrema trafikförhållanden.