Hur man uppskattar och identifierar brofrekvenser i VBI-system

I det komplexa samspelet mellan ett fordon och en bro, där olika dynamiska responser kan påverkas av både fordonets och broens variationer, har forskare utvecklat en rad metoder för att uppskatta och identifiera brofrekvenser. Dessa metoder är centrala för att förstå broars strukturella beteende under verkliga förhållanden, särskilt när det gäller hur tunga fordon påverkar broarnas frekvenser.

Zhang och Tan (2021) utvecklade en semi-analytisk metod för att hantera det dynamiska svaret hos ett VBI-system (Vehicle-Bridge Interaction). I deras forskning beaktades effekten av fordonets tröghet samt de resulterande variationerna i de momentana frekvenserna för både fordonet och bron. Genom att använda en frekvensmoduleringsteknik kunde de generera dynamiska svar som omfattade tidsvarierande momentana frekvenser. De genererade svaren visade god överensstämmelse med numeriska simuleringar och tidigare publicerade laboratoriemätningar.

Enligt Zhang et al. (2021) har metoder för att identifiera momentana frekvenser genom modifierade S-transformationsmetoder visat sig effektiva. Yang et al. (2022) använde en filtrerad iterativ referensstyrd S-transform för att identifiera de tidsvarierande egenskaperna hos ett VBI-system. Denna metod visade sig vara framgångsrik i att extrahera systemets momentana frekvenser från spektrogrammen, samtidigt som den minskade störningar jämfört med andra metoder baserade på fordonets responser.

En annan metod som tillämpades av Jin et al. (2022) var MOESP-algoritmen (Multivariable Output Error State Space). Genom att använda denna metod för att uppskatta brofrekvenser från det dynamiska svaret hos ett fordon som korsade bron två gånger, kunde forskarna framgångsrikt identifiera strukturella frekvenser även under förhållanden med höga fordonshastigheter och ojämn vägbeläggning. För att eliminera effekterna av tidsvariation använde de en SVD-baserad pseudo-invers algoritm före implementeringen av MOESP-metoden.

Tan et al. (2023) tillämpade den andra ordningens synkrosqueezingtransform för att undersöka de tidsvarierande frekvensegenskaperna hos VBI-systemet. Deras resultat från både numeriska simuleringar och laboratorieexperiment bekräftade att både fordonets och broens frekvenser är tidsvarierande. För att beskriva frekvensvariation i VBI-system har Yang et al. (2023) härlett en analytisk lösning baserat på ett rörligt massbärande system.

Vidare har He et al. (2023b) presenterat en formel för att uppskatta skalfaktorer genom att använda de fordoninducerade förändringarna i broens frekvenser. Denna metod möjliggör effektiv uppskattning av skalfaktorer utan behovet av att konstruera en finita elementmodell. Yang et al. (2024) utvecklade semi-analytiska lösningar för ett system som involverar en rörlig massa på en fyrkantig platta, där de numeriska resultaten visade att frekvensvariation för en plattbro kan nå upp till 30 % för de första tre moduserna.

För att förbättra identifieringen av brofrekvenser har forskare också använt optimeringsmetoder som GPSA (Generalized Pattern Search Algorithm), som visat sig effektiv i att extrahera både den första brofrekvensen och styvhet baserat på responsen från ett passerande fordon. Kong et al. (2016) och Tan et al. (2017) har vidareutvecklat dessa tekniker för att minska effekterna av vägroughness och för att identifiera frekvensändringar orsakade av strukturella skador.

Sammanfattningsvis har de senaste framstegen inom identifiering av brofrekvenser genom VBI-system givit lovande resultat för både numeriska och experimentella studier. Dessa metoder är avgörande för att förstå hur broar reagerar på trafikbelastning och hur strukturella egenskaper kan förändras över tid. En viktig insikt är att flera av de tekniker som utvecklats kan användas för att övervinna de störningar som orsakas av ojämn vägbeläggning och olika körhastigheter, vilket ger mer pålitliga och exakta uppskattningar av brofrekvenser.

Hur påverkar olika faktorer vibrationerna i broar vid vägtest?

Effekten av olika dämpningskoefficienter på vibrationerna i broar och fordon är ett ämne som har stor praktisk betydelse vid inspektion och övervakning av broars hälsa. En noggrant genomförd analys av dessa faktorer kan ge viktig information om hur fordonens rörelser påverkar brokonstruktioner, och i sin tur kan denna information användas för att förbättra metoderna för undersökning och testning av broar. För att få en djupare förståelse för dessa effekter, är det viktigt att ta hänsyn till både teoretiska modeller och praktiska tillämpningar.

Vid en analys av dämpningens påverkan på accelerationerna hos hjul, fordon och kontaktytor, har det visat sig att även om dämpningen leder till en viss minskning av amplituderna för brofrekvenser, är denna effekt marginell och kan i praktiken ofta ignoreras. Detta innebär att modeller som inte tar hänsyn till dämpning, såsom de i ekvationerna (4.25) och (4.29), fortfarande kan användas för att beräkna hjul- och kontaktsvar med tillfredsställande noggrannhet i praktiska tillämpningar.

En annan faktor som har stor inverkan på resultaten är hastigheten på det testande fordonet. Högre hastigheter tenderar att öka amplituderna för samtliga frekvenser i fordonets svar. Denna hastighetsberoende effekt kan förväntas särskilt vid högre hastigheter som leder till en uppdelning av varje brofrekvens i två grenar, vilket är en följd av förändringen i vågformens förflyttning längs brospannet (enligt ekvationerna (4.12a), (4.12b) och (4.12c)). Detta fenomen kan skapa en mer komplex analys av vibrationerna, där vissa frekvenser blir svårare att urskilja, vilket kan försvåra identifieringen av broproblem.

Vid mätningar i fält är det inte enbart fordonets hastighet som är av betydelse. Det är också tillgången till bron och hur lätt det är att komma åt den för att genomföra tester som påverkar den totala mättiden. För att undvika effekter som uppstår vid för höga hastigheter är det bättre att hålla en lägre hastighet, vilket gör att mätningarna kan genomföras med tillräcklig tidsupplösning utan att påverkas av hastighetsrelaterade störningar.

En ytterligare aspekt som kan påverka resultaten vid dessa tester är den omgivande miljön, särskilt miljöbrus. I detta sammanhang visade det sig att brus med en nivå på 5% kan ha en betydande inverkan på fordonets acceleration och därmed på hela mätprocessen. Vid analysen av den förorenade accelerationen blev det tydligt att miljöbrus tenderar att dölja vissa av brofrekvenserna i de högre frekvenserna, särskilt den tredje brofrekvensen, medan de första två frekvenserna påverkades i mycket mindre grad. Denna insikt är viktig för att kunna förbättra metodiken för att säkerställa att resultat från fälttester är tillförlitliga och inte påverkas av externa faktorer som kan förvränga den faktiska informationen om brons tillstånd.

Pavement roughness, eller ojämnheter i vägbanan, är en annan viktig faktor som kan påverka noggrannheten i vibrationstestning av broar. Också denna faktor är direkt relaterad till hur fordonets frekvenser kan förändras, där ojämnheter i vägbanan tenderar att förstärka fordonets frekvenser och därmed minska känsligheten för brofrekvenser. Detta kan göra det svårare att korrekt identifiera broens svar, särskilt om den vägbana som används inte är representativ för den faktiska broförhållandena. Här är det nödvändigt att simulera vägbanans ojämnheter på ett realistiskt sätt för att inte förlora relevant information under testning.