振動測試技術(shù)在結(jié)構(gòu)鑒定中的應(yīng)用

葛樹奎

【摘要】本文主要對工程結(jié)構(gòu)可靠性檢測鑒定技術(shù)中的振動測試技術(shù)及其具體的分析討論方法進(jìn)行了研究。在振動測試技術(shù)中應(yīng)高度重視先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字信號分析技術(shù)的應(yīng)用和引進(jìn)工作，從而不斷地對振動檢測技術(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)的動態(tài)特性得到相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后對得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其中的信息來對結(jié)構(gòu)的安全等性能進(jìn)行鑒定。現(xiàn)對該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹。

1、振動測試技術(shù)概述

如果結(jié)構(gòu)存在損傷必然會使得與結(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)損傷檢測提供一個切實(shí)可行的量化測量方法。利用振動測試方法對結(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)的振動模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比，通過兩者之間的不同對結(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，對人體無傷害；最后，該方法簡單易學(xué)，容易掌握。振動檢測技術(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處理軟件，振動測試技術(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)對該方面的研究提起做夠的重視。

振動檢測方法中一項(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，同時處于對試驗(yàn)費(fèi)用以及試驗(yàn)過程中交通管制的考慮，各國在采用振動檢測技術(shù)時偏重于利用隨機(jī)激勵法檢測結(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)等形成的脈動使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。采用隨機(jī)激勵法的缺點(diǎn)主要有兩個：一是激勵過程輸入的能量過小，無法產(chǎn)生高階模態(tài)的振動；二是不能滿足嚴(yán)格的隨機(jī)激勵法要求的平穩(wěn)白噪聲輸入的假設(shè)，會給估計(jì)結(jié)果帶來一定的影響。

2、現(xiàn)場振動檢測技術(shù)及類型

2.1 振動檢測技術(shù)的類型

就試驗(yàn)過程中所引起的結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象而言，現(xiàn)場振動檢測技術(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)雜的振動現(xiàn)象，如果結(jié)構(gòu)的振動過程是一個不斷重復(fù)出現(xiàn)的過程，那么其振動就是穩(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)振動的裝置都會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這種振動。試驗(yàn)過程中得到的是周期性的振動波形，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)象指的是某一振動從發(fā)生開始到逐步穩(wěn)定下來這個過程。例如我們常見的簡諧振動動力加載的起始階段以及自由衰減振動試驗(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)時間通常會極短，工程結(jié)構(gòu)測試過程中較為常見，有一定的研究價值。

（4）隨機(jī)現(xiàn)象：爆破或者地震產(chǎn)生的振動屬于這種不規(guī)則的振動現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)物的脈動也是這種振動類型。這種振動所產(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)算等方法對其進(jìn)行分析。

2.2 振動檢測方法的程序

由于不同振動現(xiàn)象具有本身獨(dú)有的特點(diǎn)，因此針對不同的振動現(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）確定研究對象：此項(xiàng)工作包括現(xiàn)場振動試驗(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"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記錄信號進(jìn)行處理，也可以將記錄得到的信號進(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)振動檢測過程中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場動力特性試驗(yàn)來測定結(jié)構(gòu)的振動特性通常會采用三種方法：一是共振法，二是自由振動法，如初位移法、張釋法、初速度法等，三是脈動法，即隨機(jī)振動分析法。

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。

自由振動法試驗(yàn)過程中對設(shè)備的要求相對簡單，但這種方法只能得到有限的數(shù)據(jù)信息。脈動法對起振設(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)。

脈動法主要是利用建筑物周圍地面環(huán)境的微微振動，將其作為動力從而引起結(jié)構(gòu)物發(fā)生脈動反應(yīng)，也就是常說的脈動，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力試驗(yàn)均是采用了這種方法。

4、總結(jié)

利用振動的測試數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，尤其是針對砌體結(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，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)而對建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量進(jìn)行評價；還能夠有效發(fā)現(xiàn)哪個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的其它建筑結(jié)構(gòu)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李方澤，劉馥清，王正.《工程振動測試與分析》.高等教育出版社，北京，1992.

[2] 張思.《振動測試與分析技術(shù)》.清華大學(xué)出版社，北京，1992.

[3] 孫月明，唐任仲.《機(jī)械振動學(xué)》.浙江大學(xué)出版社，杭州，1991.