Hur kan fordonsskanningstekniken användas för att identifiera broarnas modalparametrar?

Broar utgör en av de viktigaste komponenterna i infrastruktursystemet för transport och har en central roll i att säkerställa funktionen av samhällets livslinjer. Dessa strukturer är dock utsatta för en mängd påfrestningar under sin livslängd, såsom åldrande, överbelastning från trafik, och naturkatastrofer som jordbävningar, tyfoner och översvämningar. Detta kan leda till försämringar i broarnas strukturella hälsa, exempelvis genom materialnedbrytning, sprickor i tvärsektionerna, lösning eller brott av anslutningar, sättningar vid stöd och erosionsskador i pelarfundament.

För att kunna bedöma en bro i ett givet tillstånd används vibrationsbaserade övervakningsmetoder, som effektivt kan identifiera förändringar i broens modalegenskaper, särskilt vibrationsfrekvenser. Traditionellt har dessa modalegenskaper identifierats genom direkta metoder, det vill säga genom att installera vibrationssensorer och dataloggrar direkt på bron. Detta har resulterat i en stor mängd forskning, där olika typer av externa källor har använts för att excitera broarna, såsom omgivande vibrationer, lastbilstyngder och trafikflöden.

Dessa direkta metoder medför dock en mängd utmaningar, särskilt i form av enorma datamängder som inte alltid kan användas effektivt. Dessutom är den ekonomiska och tekniska belastningen av att installera och underhålla sensorer på varje enskild bro stor, och sensorerna har en kortare livslängd än själva bron. För att hantera dessa problem har den indirekta metoden, även känd som fordonsskanningstekniken (VSM), föreslagits och verifierats experimentellt. Denna metod använder ett instrumenterat testfordon för att mäta broens modalparametrar utan att behöva installera sensorer på bron.

En stor fördel med fordonsskanningstekniken är dess mobilitet och effektivitet, eftersom den eliminerar behovet av fasta installationer på bron. Testfordonet gör det möjligt att samla data om naturliga frekvenser, modformer, dämpningskoefficienter och till och med skador på bron. Det har visats att denna metod är särskilt användbar för att övervaka broar i realtid utan att riskera onödiga kostnader för långsiktig underhållning av sensorer.

I samband med denna metod är det viktigt att förstå den dynamiska responsen hos testfordonet. För att maximera effektiviteten i fordonsskanningen bör testfordonet vara designat för att ha låg dämpning, vilket gör att det kan fånga upp så mycket som möjligt av de vibrationer som överförs från bron. Trots detta kan dämpning i testfordonet påverka mätningarna och komplicera extraktionen av brofrekvenser. Därför har fordonets dämpning och dess inverkan på testresultaten blivit ett centralt forskningsområde.

En viktig aspekt av fordonsskanningstekniken är användningen av fordonets kontaktrespons med bron. Genom att analysera denna respons kan man effektivt identifiera broens vibrationsfrekvenser, även om fordonets egna vibrationsfrekvenser kan skapa viss förvirring i dataanalysen. För att hantera detta har metoder utvecklats för att beräkna kontaktresponsen baklänges, vilket gör det möjligt att extrahera brofrekvenser utan påverkan från fordonets egna vibrationer.

Ytterligare förfining av kontaktresponsalgoritmer och analysmetoder fortsätter att pågå, vilket förbättrar teknikens noggrannhet och tillförlitlighet. Dessa förbättringar gör det möjligt att tillämpa metoderna på en bredare variation av fordonstyper och broar, vilket ökar mångsidigheten och användbarheten för denna typ av övervakningsteknik.

En annan intressant aspekt av fordonsskanningstekniken är hur pågående trafikflöden kan påverka mätningarna. Flera studier har visat att trafiken faktiskt kan ha en positiv inverkan på förmågan att identifiera brofre- kvenser och modformer, eftersom trafiken kan minska effekterna av vägbanans ojämnheter och ge mer stabila resultat. Detta innebär att den pågående trafiken kan vara en faktor som förbättrar effektiviteten i mätningarna snarare än att den bara skapar störningar.

För att säkerställa att metoderna för att mäta och analysera brofrekvenser är robusta och pålitliga, måste teknologiska framsteg och noggrann forskning fortsätta att förbättra de matematiska och fysiska modellerna som ligger till grund för fordonsskanningstekniken. Det är också avgörande att man utvärderar hur olika typer av vägbanor, fordon och trafikflöden påverkar resultaten. Förutom att identifiera och klassificera modalparametrarna, bör forskningen också fokusera på att utveckla mer avancerade tekniker för att exakt mäta dämpning och andra parametrar som är viktiga för broernas långsiktiga hälsa och säkerhet.

Hur påverkar interaktionen mellan fordon och bro frekvenserna och dynamiken i systemet?

Den dynamiska interaktionen mellan ett fordon och en bro är komplex och påverkas av flera faktorer, som dämpning och fjädring i fordonet samt brostrukturens egenskaper. Formeln för kontaktresponsen i tidigare ekvationer visar på hur olika parametrar, som fordonets upphängning och hjulens egenskaper, samverkar för att påverka både brons och fordonets rörelser. I denna kontext behandlas dessa effekter i detalj genom både analytiska och numeriska metoder för att förstå hur rörelserna förmedlas och dämpas.

För att verifiera de analytiska lösningarna används finita elementmetoder (FEM) för att simulera och jämföra resultaten. Detta är en viktig del av processen för att säkerställa att de teoretiska modellerna är tillförlitliga. En detaljerad beskrivning av VBI-elementet för en två-mass-testbil ger en förståelse för hur fordonets massa, dämpning, fjädring och hjulens egenskaper samverkar med brostrukturens dynamik. FEM-simuleringarna bekräftar att de analytiska lösningarna stämmer väl överens med den numeriska datan för både displacement och acceleration, vilket visar på modellens robusthet och precision.

Det är också viktigt att notera att den metod som används för att beräkna de globala VBI-systemets svar inte är begränsad av de förenklade antagandena som ofta används i andra modeller. I den här metoden beaktas inte bara fordonets och broens egenskaper, utan även den dynamiska påverkan från alla komponenter, inklusive vägytan, som i detta fall beaktas genom användning av vågor i vägytan (pavement roughness, rc). Detta innebär att även små detaljer i vägarnas skick kan få betydande konsekvenser för den totala responsen i systemet.

I analysen används Newmark-𝛽-metoden för att lösa de globala systemekvationerna, vilket ger stabila och precisa resultat för både tids- och frekvensdomäner. För att verifiera de analytiska resultaten tas vägens ojämnheter temporärt bort, vilket gör det möjligt att isolera och undersöka systemets grundläggande dynamik utan externa störningar. De observerade responserna från både fordonets kropp och hjul samt brons strukturella svar är i överensstämmelse med de beräknade värdena för broens naturliga frekvenser, vilket ytterligare styrker modellens korrekthet.

Det är också intressant att notera att hjulens respons är mer känslig för förändringar i broens frekvenser än fordonets kropp. Detta kan ha betydande praktiska implikationer för förståelsen av hur fordon och broar samverkar vid olika hastigheter och vägförhållanden. I de numeriska simulationerna kan man se att hjulens respons tydligt korrelerar med de första tre brofrekvenserna, medan kroppens respons är mindre markerad och endast identifierar den första frekvensen.

För att förstå dessa resultat på djupare nivå är det viktigt att betona hur både fordonets fjädringssystem och brokonstruktionens egenskaper påverkar dynamiken i systemet. Om exempelvis fjädringens dämpning (cv) eller hjulens styvhet (kw) förändras, kommer detta att ha en direkt effekt på både fordonets och broens respons. Även om den här modellen ger en relativt enkel representation av systemet, så måste dessa parametrar noggrant övervägas vid design och analys av fordon- och brointeraktioner för att optimera säkerhet och hållbarhet. Därtill bör man också beakta att vid verkliga vägförhållanden finns det en mängd externa faktorer som kan påverka resultaten, såsom vägslitage, väderförhållanden och andra miljövariabler.

Hur kan fordonsscanningstekniken förbättra identifiering av brofrekvenser?

Metoden att skanna brofrekvenser via rörliga testfordon är ett effektivt alternativ till direktmetoder som ofta kräver omfattande installation av sensorer och utrustning på bron. Den så kallade fordons-scanningsmetoden (VSM) har blivit ett populärt verktyg för att extrahera dynamiska parametrar från broar. Den bygger på att ett rörligt testfordons respons registreras och analyseras för att få fram information om bron, som exempelvis frekvenser, modformer och dämpningskoefficienter.

För att övervinna de störningar som kan uppkomma på grund av fordonets egna frekvenser och vägyte-ojämnheter, föreslås i vissa fall en förstärkning av brovibrationerna med hjälp av en shaker. Denna metod kan hjälpa till att reducera effekten av vägytebrus och samtidigt förbättra det dynamiska svar som används för att extrahera brofrekvenser. En shaker kan till exempel anpassas efter broens specifika behov, som frekvens och placering, och därigenom förbättra insamlingen av data från både låga och höga mode.

En viktig aspekt vid användning av denna metod är förståelsen för hur externa faktorer som vägunderlag och miljöbrus påverkar kvaliteten på den insamlade data. Även om metoden är mycket lovande för identifiering av brofrekvenser, finns det faktorer som kan störa resultaten. Till exempel, på ojämna vägunderlag, kan fordonets egna frekvenser dominera signalen, vilket gör det svårt att separera dessa från de verkliga brofrekvenserna. Därför måste både den teoretiska modellen och de praktiska mätningarna kontinuerligt justeras för att optimera resultatet.

När man arbetar med fordons-scanningsmetoden är det också viktigt att överväga användningen av avancerade signalbearbetningstekniker. En sådan metod är Empirical Mode Decomposition (EMD), som gör det möjligt att dela upp signalen i intrinseka modefunktioner (IMF), vilket gör det lättare att extrahera frekvenser som annars skulle kunna vara svåra att fånga på grund av störningar. EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition) och ESMD (Empirical Signal Mode Decomposition) har också visat sig förbättra identifieringen av brofrekvenser, särskilt genom att hantera problem som modblandning i EMD.

Det är också värt att påpeka att även om metoden fungerar bra för att extrahera frekvenser för de flesta broar, finns det fortfarande utmaningar, särskilt för äldre broar eller sådana med omfattande skador. I sådana fall kan det vara nödvändigt att kombinera fordons-scanningstekniken med andra metoder, som traditionella sensorinstallationer eller optisk mätning, för att få en mer fullständig bild av broens hälsotillstånd.

Genom att kombinera dessa avancerade metoder kan vi inte bara identifiera brofrekvenser mer exakt utan även få en bättre förståelse för bron i sin helhet. Detta är viktigt för att säkerställa att broarna fortsätter att vara säkra och funktionella över tid, särskilt i områden som är utsatta för snabba förändringar i trafikmönster eller miljöpåverkan.

Hur kan förstärkare användas för att förbättra prestandan hos ett testfordon vid brotestning?

I undersökningen av hur förstärkare kan förbättra ett testfordons kapabilitet vid brotestning har vi sett att traditionell användning av TMD (tuned mass damper) för att minska ett fordons egenfrekvens sällan tillämpades. För att undersöka en sådan undertryckningseffekt på fordonets själv-frekvens ställdes förstärkarens frekvens in för att matcha fordonets egenfrekvens, vilket resulterade i en förväntad undertryckningseffekt när förstärkarens massa ökades från mv/500 till mv/50. I praktiken visade det sig att en större förstärkarmassa gav en bättre undertryckningseffekt på fordonets egenfrekvens.

Det är också viktigt att förstå att denna metod inte hindrar trafiken på bron. Trafiken på bron, med sin varierande massa och hastighet, genererade extra vibrationsenergi som kunde förstärka de modala svaren på bron, vilket underlättade identifieringen av brofrekvenser. För att testa systemets effektivitet användes fyra olika typer av fordon med varierande massor och hastigheter, där testfordonet var den primära enheten som genomförde scanningen av bron.

Frekvensresponsen från både fordonet och förstärkaren visade på hur effektivt TMD-systemet kunde dämpa effekterna av fordonets egenfrekvens, vilket i sin tur gav ett tydligare mönster för att identifiera brofrekvenser. Även om de specifika egenskaperna för bro och fordon varierade, var det klart att den använda TMD-lösningen visade goda resultat för att optimera identifieringen av både bro- och fordonsspecifika frekvenser.

Vidare är det av betydelse att förstå att i den verkliga världen är bron oftast mycket större, både i massa och komplexitet, vilket innebär att förhållandet mellan fordonets massa och bronens massa är mycket mindre än de förenklade antaganden som görs i dessa modeller. Testresultaten är inte helt applicerbara för större och mer komplexa broar utan att ta hänsyn till dessa större dimensioner.

Förutom den tekniska sidan av resultaten är det också viktigt att förstå betydelsen av denna teknik i praktiken. För att effektivt kunna övervaka broar och hålla trafikflödet igång samtidigt, måste tekniken vara både diskret och effektiv. Förstärkare som är avstämda för specifika frekvenser gör det möjligt att isolera och förstärka de signaler som är av intresse, utan att trafikoperationerna påverkas negativt. Detta öppnar upp möjligheter för mer exakt och realtidsövervakning av broarnas strukturella hälsa, vilket i sin tur kan bidra till bättre långsiktig underhållsplanering och snabbare upptäckt av potentiella problem.

Hur byggs broarnas modeformer med hjälp av en tvåaxlig testbil?

I tidigare avsnitt har vi presenterat hur kontaktresponsen från både främre och bakre axlarna i en tvåaxlig testbil kan användas för att identifiera broarnas naturliga frekvenser och modeformer. Här fokuserar vi på de sista stegen i processen för att konstruera broens modeformer genom att använda de kontaktrespons som erhållits från testfordonets interaktion med bron. Efter att ha filtrerat bort de drivande frekvenserna, som vanligtvis ligger under 1 Hz och inte är av intresse för de brofrekvenser som analyseras, kan den exakta karaktären av broens modeformer visualiseras och analyseras.

Med hjälp av den Hilbertransformation (HT) som appliceras på de isolerade komponenterna kan vi sedan få fram den ögonblickliga amplituden för varje komponent i broens rörelse. Resultaten av denna process visas i de olika figurerna som används för att illustrera modeformerna. För att verifiera noggrannheten hos de identifierade modeformerna används ett vanligt mått, MAC (Modal Assurance Criterion). Denna metod mäter hur nära de identifierade modeformerna är de teoretiska modeformerna för bron. Hög MAC-värde, nära 1, indikerar en hög grad av precision i identifieringen.

I ett exempel där tre modeformer identifierades, visade MAC-värdena för de tre modulerna 0.9933, 0.9982 och 0.9985, vilket visar på hög noggrannhet i återvinningen av modeformerna i jämförelse med de teoretiska värdena. Det noterades dock att det fanns en liten avvikelse vid 2 meters position på bjälken, vilket berodde på att bakhjulet på fordonet passerade vid denna punkt, vilket kan påverka resultaten marginellt.

För att undersöka hur olika parametrar kan påverka identifieringen av modeformer i bron, genomfördes flera parametriska studier som undersöker effekterna av fordonets dämpning, hastighet, brospannens antal, miljöbrus och ytråhet på de erhållna resultaten.

Det visade sig att dämpningseffekten på de identifierade brofrekvenserna är mycket liten. Detta innebär att effekten av dämpning i testfordonets axlar kan försummas utan att påverka noggrannheten i identifieringen av brofrekvenserna. Detta gör att metoden för att identifiera brofrekvenser baserat på kontaktrespons är robust, även om fordonet är utrustat med olika dämpningsnivåer. Även när dämpningen ökade från 0.5 till 6.0 kN⋅s/m, påverkades de identifierade modeformerna endast marginellt.

En annan faktor som undersöktes var hur fordonets hastighet påverkade resultaten. Det visade sig att även när hastigheten varierade från 2.5 m/s till 10 m/s (9 till 36 km/h), påverkade inte detta i någon större utsträckning de identifierade modeformerna. Detta bekräftar att metoden för att rekonstruera broens modeformer är robust även vid olika fordonshastigheter. För mycket höga hastigheter, som kan inducera större excitation på bron, rekommenderas dock att inte använda hastigheter för höga för att garantera tillräckligt med data.

En av de mest intressanta insikterna från denna studie är hur vissa miljöfaktorer, såsom vägbanans ytråhet, kan påverka resultaten, men detta kräver ytterligare forskning för att fullt förstå och kvantifiera dessa effekter. Det är också värt att notera att även om miljöbrus kan orsaka mindre störningar, är metoden för att identifiera brofrekvenser genom kontaktrespons i princip inte känslig för dessa störningar, vilket gör den användbar i praktiska tillämpningar där sådana bruskällor är oundvikliga.