振動(dòng)測試技術(shù)在結(jié)構(gòu)鑒定中的應(yīng)用

葛樹奎

【摘要】本文主要對(duì)工程結(jié)構(gòu)可靠性檢測鑒定技術(shù)中的振動(dòng)測試技術(shù)及其具體的分析討論方法進(jìn)行了研究。在振動(dòng)測試技術(shù)中應(yīng)高度重視先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)的應(yīng)用和引進(jìn)工作，從而不斷地對(duì)振動(dòng)檢測技術(shù)進(jìn)行完善和優(yōu)化，歸納總結(jié)出一套科學(xué)性高、適用性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)安全性檢測技術(shù)和鑒定方法，不斷提高結(jié)構(gòu)檢測和鑒定的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)鑒定 無損檢測 振動(dòng)測試技術(shù)

引 言

近幾十年來，各類各樣的結(jié)構(gòu)損傷形式不斷出現(xiàn)，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者也越來越重視結(jié)構(gòu)損傷的檢測工作，鑒于此，國內(nèi)外土木、結(jié)構(gòu)、機(jī)械等各領(lǐng)域的專家和學(xué)者提出了各種各樣的結(jié)構(gòu)性能檢測鑒定方法。其中，人們接受程度最高、最受人們青睞的一類檢測鑒定方法是振動(dòng)測試檢測技術(shù)，這項(xiàng)檢測技術(shù)主要通過測試橋梁等結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性得到相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后對(duì)得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其中的信息來對(duì)結(jié)構(gòu)的安全等性能進(jìn)行鑒定。現(xiàn)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹。

1、振動(dòng)測試技術(shù)概述

如果結(jié)構(gòu)存在損傷必然會(huì)使得與結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的參數(shù)，比如剛度、阻尼等發(fā)生一定的改變。如果能夠合理地對(duì)這些參數(shù)的變化進(jìn)行判斷，就能為結(jié)構(gòu)損傷檢測提供一個(gè)切實(shí)可行的量化測量方法。利用振動(dòng)測試方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測所依據(jù)的就是通過判斷結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中的有關(guān)信息，判斷結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)一般是通過常規(guī)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲得。試驗(yàn)過程中將各種測點(diǎn)按照一定的要求布設(shè)在結(jié)構(gòu)的不同位置上，通過測試可以得到振動(dòng)模態(tài)下結(jié)構(gòu)的各種特性參數(shù)，通過比較破壞發(fā)生前后參數(shù)的變化情況，或者將測得的參數(shù)與同類型的完整結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，通過兩者之間的不同對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損傷的具體位置、損傷類型以及損傷程度進(jìn)行判定。和其他無損檢測技術(shù)相比，振動(dòng)檢測方法具有很多無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：首先，這種檢測方法經(jīng)濟(jì)有效，其次該方式使用過程安全，對(duì)人體無傷害；最后，該方法簡單易學(xué)，容易掌握。振動(dòng)檢測技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備故障診斷的過程中。從測試設(shè)備、傳感器到后期的信號(hào)處理軟件，振動(dòng)測試技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是，振動(dòng)測試技術(shù)應(yīng)用到土建結(jié)構(gòu)工程中的案例仍不多，因此，應(yīng)對(duì)該方面的研究提起做夠的重視。

振動(dòng)檢測方法中一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容就是激振方法的選取，常用的方法有共振法、自振法以及隨機(jī)激勵(lì)法三種。隨著現(xiàn)代建筑物結(jié)構(gòu)的長度及高度不斷增大、現(xiàn)有的傳感器性能不斷增強(qiáng)、相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析能力不斷提高，同時(shí)處于對(duì)試驗(yàn)費(fèi)用以及試驗(yàn)過程中交通管制的考慮，各國在采用振動(dòng)檢測技術(shù)時(shí)偏重于利用隨機(jī)激勵(lì)法檢測結(jié)構(gòu)性能，也就是利用建筑結(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境因素，如風(fēng)等形成的脈動(dòng)使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。采用隨機(jī)激勵(lì)法的缺點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是激勵(lì)過程輸入的能量過小，無法產(chǎn)生高階模態(tài)的振動(dòng)；二是不能滿足嚴(yán)格的隨機(jī)激勵(lì)法要求的平穩(wěn)白噪聲輸入的假設(shè)，會(huì)給估計(jì)結(jié)果帶來一定的影響。

2、現(xiàn)場振動(dòng)檢測技術(shù)及類型

2.1 振動(dòng)檢測技術(shù)的類型

就試驗(yàn)過程中所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象而言，現(xiàn)場振動(dòng)檢測技術(shù)大體上可歸納為四種：

（1）穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：不管試驗(yàn)過程中出現(xiàn)多么復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，如果結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過程是一個(gè)不斷重復(fù)出現(xiàn)的過程，那么其振動(dòng)就是穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。現(xiàn)場試驗(yàn)過程中使用的激振器或其它以一定的規(guī)律激發(fā)振動(dòng)的裝置都會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這種振動(dòng)。試驗(yàn)過程中得到的是周期性的振動(dòng)波形，而且大多數(shù)情況下是以正弦波的形勢出現(xiàn)。

（2）過渡現(xiàn)象：這種現(xiàn)象指的是某一振動(dòng)從發(fā)生開始到逐步穩(wěn)定下來這個(gè)過程。例如我們常見的簡諧振動(dòng)動(dòng)力加載的起始階段以及自由衰減振動(dòng)試驗(yàn)過程起始加載階段。

（3）沖擊現(xiàn)象：從根本上將這種現(xiàn)象屬于過渡現(xiàn)象的一種，但該現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間通常會(huì)極短，工程結(jié)構(gòu)測試過程中較為常見，有一定的研究價(jià)值。

（4）隨機(jī)現(xiàn)象：爆破或者地震產(chǎn)生的振動(dòng)屬于這種不規(guī)則的振動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)也是這種振動(dòng)類型。這種振動(dòng)所產(chǎn)生的規(guī)律性無法直接從波形上觀察出來，必須經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算等方法對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 振動(dòng)檢測方法的程序

由于不同振動(dòng)現(xiàn)象具有本身獨(dú)有的特點(diǎn)，因此針對(duì)不同的振動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法和檢測儀器，現(xiàn)場振動(dòng)檢測主要是與穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象和隨機(jī)現(xiàn)象關(guān)系密切，通常情況下進(jìn)行一次試驗(yàn)檢半漢以下幾項(xiàng)工作程序：

（1）確定研究對(duì)象：此項(xiàng)工作包括現(xiàn)場振動(dòng)試驗(yàn)的目的、采用的荷載形式以及試驗(yàn)過程中要獲得的物理量信息等方面。

（2）施加合理的試驗(yàn)荷載：要充分結(jié)合所測試的結(jié)構(gòu)類型及所選用的設(shè)備確定結(jié)構(gòu)上所施加的外力或"運(yùn)動(dòng)"的具體形式，具體要求是盡可能再現(xiàn)結(jié)構(gòu)所受到的實(shí)際荷載作用。

（3）物理參數(shù)的測量：試驗(yàn)過程中應(yīng)用精確的測量儀器對(duì)所需要的物理量進(jìn)行測定，如結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、振動(dòng)的位移、速度、加速度等指標(biāo)。

（4）數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析過程中通常可采用模擬式分析儀器對(duì)記錄信號(hào)進(jìn)行處理，也可以將記錄得到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化等方式進(jìn)行處理。

3、激振方法選取注意事項(xiàng)

上文中已經(jīng)提及在土建結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)力特性試驗(yàn)來測定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性通常會(huì)采用三種方法：一是共振法，二是自由振動(dòng)法，如初位移法、張釋法、初速度法等，三是脈動(dòng)法，即隨機(jī)振動(dòng)分析法。

共振法是是一種較為傳統(tǒng)的檢測方法，應(yīng)用最早并且至今仍較多使用，是一種較為經(jīng)典的方法，這種方法的檢測機(jī)理明確，能偶提供較為全面的檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析過程較為簡便，具有較高的可靠性，其缺點(diǎn)在于需要較為復(fù)雜的激振設(shè)備。

自由振動(dòng)法試驗(yàn)過程中對(duì)設(shè)備的要求相對(duì)簡單，但這種方法只能得到有限的數(shù)據(jù)信息。脈動(dòng)法對(duì)起振設(shè)備的要求最低，試驗(yàn)過程中無需張拉或激振以及沖擊設(shè)備，但這種方法的后期數(shù)據(jù)處理極為復(fù)雜，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，從很大程度上提高了該檢測方法的精度、效率以及可提供參數(shù)的范圍。實(shí)際試驗(yàn)過程中通常根據(jù)試驗(yàn)的具體要求和實(shí)際的試驗(yàn)條件選擇幾種方法中的一種或幾種進(jìn)行試驗(yàn)。

脈動(dòng)法主要是利用建筑物周圍地面環(huán)境的微微振動(dòng)，將其作為動(dòng)力從而引起結(jié)構(gòu)物發(fā)生脈動(dòng)反應(yīng)，也就是常說的脈動(dòng)，以此方法來測定結(jié)構(gòu)物的自振能力，是十分常用的方法，它不需要使用起振設(shè)備，同時(shí)操作簡單。例如遼寧省普蘭店市九七公鐵立交橋等工程中的動(dòng)力試驗(yàn)均是采用了這種方法。

4、總結(jié)

利用振動(dòng)的測試數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，尤其是針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行層間剛度以及抗壓強(qiáng)度的深度分析是十分可靠的。與此同時(shí)，可以將所測得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)和圖紙上給出的設(shè)計(jì)強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行比較，從而了解設(shè)計(jì)指標(biāo)的規(guī)定，進(jìn)而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；還能夠有效發(fā)現(xiàn)哪個(gè)具體的相鄰層有了較大的剛度突變，進(jìn)而使用一些加固措施，在地震來的時(shí)候，保證層間剛度突變處結(jié)構(gòu)牢固，這一方法也可以推廣到符合剪切型振動(dòng)的其它建筑結(jié)構(gòu)中。

參考文獻(xiàn)：

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