隨著基礎設施承受的壓力日益增大，針對現有結構進行安全評估及剩餘使用壽命分析的挑戰也隨之增加。為了確保結構安全與適用性，必須採用可靠、技術上可行且經濟實惠的計量監測解決方案。這是獲取有關損壞過程及當前結構特性之有意義資訊的關鍵先決條件。
卡爾斯魯厄理工學院（KIT）鋼筋混凝土與建築材料研究所的鋼筋混凝土部門，正作為 ZIM 合作計畫「開發橋梁上部結構基於模態的損壞分析與監測系統」的一部分，致力於開發一套針對橋梁上部結構的基於模態的監測系統之計量解決方案模型。 與所有結構體一樣，橋樑在受激時會展現振動特性，這些特性可透過模態參數（如固有頻率與固有模態）來描述。
基於模態的監測系統的基本原理在於：損壞過程會伴隨結構剛度的變化，進而導致模態參數產生可測量的變化。透過測量與分析模態參數（固有頻率與固有模態），即可獲得關於橋梁狀況、其承載能力及剩餘使用壽命的深入資訊。
設定
為對基於模態的監測系統進行實驗驗證與測試，卡爾斯魯厄材料研究與測試研究所（Materials Research and Testing Institute）在 Mareike Kohm 的指導下進行了構件測試。一根長 6.5 公尺的簡單鋼筋混凝土梁被用作橋樑的類比模型。該鋼筋混凝土梁在實驗開始時處於完好狀態，並在研究過程中透過行程控制的液壓缸逐步受損；詳見圖 1。
由於鋼筋混凝土梁受到中心彎曲拉應力作用，導致裂縫逐步形成。為便於後續評估，此過程透過人工測量及 GOM Aramis 光學測量系統進行記錄。 為進行模態參數的計量測試與驗證，使用 Semex-Engcon 生產的 MEMS 加速度計，在 25 個測量點記錄了加速度時間歷程。此外，還使用了配備 4 組光學單元及 27 個感測器頭的Polytec Multipoint Vibrometer （MPV-800 系統），針對相同的 25 個測量點以及支撐軸上的 2 個額外測量點進行測量，以檢查並驗證加速度計的計量結果。
MPV 採用非接觸式方式測量振動，其運作原理基於雷射多普勒振動測量技術。MPV 的每個光學單元內含八個感測器頭，可同時擷取測量數據。因此，MPV 特別適用於損壞等不可重複發生的事件。此外，還使用了兩組來自 Luna Technologies（由Polytec 代理）的法布里-珀羅光纖感測器（OS），作為加速度計以對測量數據進行額外驗證。
透過簡單的手動橡膠鎚，在兩處位置對梁體進行激振。隨後採用頻域分解法（Frequency Domain Decomposition Method）確定模態參數。此方法是「運作模態分析」（Operational Modal Analysis）所採用的流程之一，該分析僅基於結構的響應振動來估算模態參數。 因此無需測量激振力。若將此方法應用於實際橋樑結構，意味著可利用交通、風力和微地震等無法直接測量的自然激振源，從而確保在監測期間不會造成交通中斷。
圖 1 和圖 2 顯示了感測器在鋼筋混凝土樑上的佈置位置。
27 個 MPV 感測器探頭與鋼筋混凝土梁頂部對齊（參見圖 3），並安裝於數個已組裝好的博世型材上。四個光學單元的全部 27 個測量探頭均以 1D 模式運作。OS 測量系統則安裝於與 MEMS 感測器高度相同的兩個側向測量點上。 為了將 MEMS 與 MPV 系統進行比較與驗證，每個系統必須同步擷取所有測量點的數據。MPV-800 正是專為此任務而開發，其透過同步測量數據擷取功能，最多可同時擷取 48 個通道的數據。
測試程序
透過 MPV、MEMS 和 OS 這三套測量系統，在預定的觸發閾值下，針對每個位置各記錄了十組測量數據。為捕捉振動在時間域中的衰減過程，採樣時間設定為 15 秒。每個激振點（位置 1 和位置 2）的第一組測量數據，是在液壓缸開始施加載荷之前進行的。 此測量被視為無損參考狀態，以下簡稱為 BE00。在兩個激振位置各完成一整組測量後，即透過位於試驗梁中央的液壓缸對鋼筋混凝土梁進行加載與卸載。使用橡膠錘對試驗梁進行激振時，始終在卸載狀態下進行。共記錄了 16 個應力水準，直至鋼筋混凝土梁發生失效為止。
利用 FDD 方法評估振動計數據與 MEMS 感測器的固有頻率
透過 MPVMultipoint Vibrometer 進行的評估，使我們能夠從一開始（BE00：無損狀態下的測量）便在 MPV 軟體中，清晰地以圖形方式呈現時間域與頻率域的測量數據，包括共振頻率及對應的位移波形。至於另外兩套感測器系統，則無法在現場以圖形方式顯示響應譜與本徵模態，這些數據必須在後處理階段進行評估。 圖 4 顯示了 BE00 的時間測量結果，以及 BE00 的第一至第三個本徵模態（第一本徵頻率 11 Hz、第二本徵頻率 45 Hz、第三本徵頻率 92 Hz）。
總體結論
總體而言，這三種感測器類型之間並未發現顯著差異。因此，作為驗證儀器，MPV-800Multipoint Vibrometer 得以確認 MEMS 感測器（監測系統）的測量結果。MPV 因此提供了一種選擇，既能達到與接觸式感測器相同的測量精度，又具備非接觸式且靈活的測量優勢，從而避免對測量結果本身造成任何影響，以準確捕捉真實的動態行為。
更多詳情請參閱 應用說明「基於模態的橋梁上部結構監測系統」
