码头结构的运行模态分析与长期结构监测
Case Study:
By Giorgio Sforza, ESSEBI s.r.
模态分析是理解和优化结构固有动力特性的重要手段。在意大利的瓦多利古雷港，海浪对码头结构的影响正在被连续监测。
该系统能够随长时间监控其结构条件，利用一系列集成的 MEMS 加速度计-IOLITEd 3xMEMS-ACC Dewesoft IOLITEd 数据采集设备检测其动态响应，这些设备都安装在结构上并连接起来构成测量链。
位于意大利西北部 Liguria 地区的意大利港口 Savona Vado 或瓦多利古雷，位于地中海最北端热那亚的西部。这个大型工商港口有煤炭和石油的装卸码头，还有一个提供连接萨温那瓦多岛和科西嘉岛和撒丁岛的渡轮服务的码头。
在这里，结构健康监测系统安装在一个800米长的码头瓦多利古雷，以验证结构的行为时，受到重大海浪的影响。
图1. 从 Google Earth 鸟瞰码头。
模态分析与 OMA
模态分析是理解和优化结构固有动力特性的重要手段。在结构中，几乎所有的振动问题都与结构的共振特性有关，固有频率由作用力激发。
对于许多土木工程和机械结构来说，由于其物理尺寸、形状或位置的原因，很难用锤子或振动筛进行激励。此外，土木工程结构是由周围的力量，如海浪，风，或交通负荷。这些自然激励力量不容易控制或正确测量。然而，在某些情况下，在真实工作和边界条件下，最好利用结构的这种自然激励来确定其模态特性。
运行模态分析(Operational Modal Analysis，简称 OMA)是在没有人工激励的情况下，为了准确识别实际运行条件下的模态，仅测量试验结构的响应，通常用于难以或不可能控制结构的人工激励的情况。
Dewesoft 机械工程团队在其总部研发中心安装用于 OMA 测试的加速度计和振动筛
这种方法被称为 OMA ——操作模态分析，其方法也被称为”仅输出”，因为它是结构的唯一响应，可以在没有强迫性质或已知趋势的情况下进行分析。这些数据，处理与适当的模态提取算法，允许适当的模态参数识别。
结构的完整动力特性可以看作是一组单独的振动模态，每个模态都具有特征的固有频率、阻尼和振型。利用系统在频域内的这些动力学特性，通过模态参数对结构进行建模，可以分析并解决特定共振问题。
模态识别决定了结构的模态参数特性。这些参数是具有相关阻尼和模态形式的结构的特定频率。知道模态参数可以预测结构的响应作为外激励的函数。
结构的振动模态实际上提供了构成结构的各要素在特定频率受力时的相对运动信息。如果结构受到一个以上的激励频率的作用，结构振动的方式将导致激励振动模式的组合。
因此，这些参数构成了一种结构的动态”身份证”，可用于验证计算模型，用于校准或诊断目的——为长期结构监测提供基线。
测量
动力参数的检测使得结构状态的持久性可以通过精确的时间瞬间 T0来验证。一般来说，新结构的这一时间 T0可以在测试时取得，而现有结构的这一时间可以作为评估结构安全状况和进行第一次测量的时间瞬间。
2018年12月28日，系统分两天记录了其中一个电线杆的维修工作。这使得有可能评价康复干预措施的效果，并有一个最新的图片的动态特性的结构后，修复干预。这张照片随后被用作控制其随时间保存状态的参考。
测量所选择的动力幅值是结构在码头平台表面某些点上的加速度响应。特别是用字母 a-d 命名的码头平台平面形状的四个顶点。
每个测量点用 IOLITEdi 3xMEMS-ACC 仪器进行测量，这是一种三轴加速度计，其轴为 XY，根据水平面和垂直 z 轴的方向定向。特别是，就平台的平面布局而言，x 轴与码头的发展轴正交，y 轴与码头的发展轴平行。
Dewesoft IOLITEdi 3xMEMS-ACC 集成低噪声三轴 MEMS 加速度计数据采集装置
对于结构的动态角色塑造，分别在2018年12月6日和2019年1月4日，平台的 b 1极修复前后两天进行了加速度测量。对于每一天，信号是从传感器获得的60分钟周期和结构的模态特征确定的基础上加速度响应在这一时间间隔。
测量采样频率为每秒100个样品。适当的抗混叠模拟滤波器被使用和随后的带宽高达约40赫兹。这允许有一个超过足够的频带关于所调查的结构的预期频率。
Dewesoft 在时域记录振动信号，而 DewesoftX 软件使用傅里叶变换将记录的信号转换为频域
图2. 已安装仪表的照片
一个简单的几何模型，一个单线图，相对于在空间中排列的节点的测量点，并通过线连接在一起，使形状的感知更直接。
为了提高模态形式的可视化程度，利用实测物理点 a-d，在简化单线图(线框图)中增加了附加点，模拟支撑杆的基本截面。
图3. 桥墩的线框几何模型
对2018年12月6日和2019年1月4日进行的测量结果的总结，可以对相关模态形式的频率、阻尼和流行方向方面的分析进行快速比较。
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表格 |
f [Hz] 6/12/2018 |
f [Hz] 4/01/2019 |
z [%] 6/12/2018 |
z [%] 4/01/2019 |
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平移 x |
1,171 |
1,224 |
1,15 |
1,10 |
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扭转 |
1,303 |
1,385 |
1,22 |
2,27 |
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罗托平动 y |
1,453 |
1,514 |
1,69 |
1,85 |
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平移 y |
1,717 |
1,845 |
2,24 |
1,78 |
表1. 参考测量结果摘要。
从1月4日测量加速度响应开始，在对 B1极进行维修后确定的频率高于12月6日确定的频率，增加了4% 至7% 。模态形式在两种阐述之间似乎没有变化。因此，本文研究的结构模态参数表明，随着极点的恢复刚度增加。
图4. 翻译模式形式 x
图5. 扭转模板
图6. 从 y 到 Roto 的平移模态
图7. y 型翻译模式
总结
这种方法规定按一定的间隔计算结构的具体频率，因此可以对结构进行连续监测，并与作为参考的初始时间所获得的数据进行比较。
运行模态分析方法由于其成本低、实现时间短等特点，越来越多地应用于土木工程领域，以描述结构的动力学特性。