振動測試技術在結構鑒定中的應用

葛樹奎

【摘要】本文主要對工程結構可靠性檢測鑒定技術中的振動測試技術及其具體的分析討論方法進行了研究。在振動測試技術中應高度重視先進的現代數字信號分析技術的應用和引進工作，從而不斷地對振動檢測技術進行完善和優化，歸納總結出一套科學性高、適用性強的結構安全性檢測技術和鑒定方法，不斷提高結構檢測和鑒定的準確性。

【關鍵詞】結構鑒定 無損檢測 振動測試技術

引 言

近幾十年來，各類各樣的結構損傷形式不斷出現，國內外有關學者也越來越重視結構損傷的檢測工作，鑒于此，國內外土木、結構、機械等各領域的專家和學者提出了各種各樣的結構性能檢測鑒定方法。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，這項檢測技術主要通過測試橋梁等結構的動態特性得到相關的結構參數，然后對得到的結構參數變化進行分析發現其中的信息來對結構的安全等性能進行鑒定?，F對該技術進行詳細的分析介紹。

1、振動測試技術概述

如果結構存在損傷必然會使得與結構性能有關的參數，比如剛度、阻尼等發生一定的改變。如果能夠合理地對這些參數的變化進行判斷，就能為結構損傷檢測提供一個切實可行的量化測量方法。利用振動測試方法對結構進行損傷檢測所依據的就是通過判斷結構振動過程中的有關信息，判斷結構參數的變化。結構的振動模態一般是通過常規的試驗模態分析方法獲得。試驗過程中將各種測點按照一定的要求布設在結構的不同位置上，通過測試可以得到振動模態下結構的各種特性參數，通過比較破壞發生前后參數的變化情況，或者將測得的參數與同類型的完整結構的振動模態參數進行對比，通過兩者之間的不同對結構內部發生損傷的具體位置、損傷類型以及損傷程度進行判定。和其他無損檢測技術相比，振動檢測方法具有很多無法比擬的優點：首先，這種檢測方法經濟有效，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，容易掌握。振動檢測技術在許多領域都得到廣泛應用，如應用到機械設備故障診斷的過程中。從測試設備、傳感器到后期的信號處理軟件，振動測試技術已經經過了幾十年的發展，具有豐富的實踐經驗。但是，振動測試技術應用到土建結構工程中的案例仍不多，因此，應對該方面的研究提起做夠的重視。

振動檢測方法中一項關鍵內容就是激振方法的選取，常用的方法有共振法、自振法以及隨機激勵法三種。隨著現代建筑物結構的長度及高度不斷增大、現有的傳感器性能不斷增強、相應的數據分析能力不斷提高，同時處于對試驗費用以及試驗過程中交通管制的考慮，各國在采用振動檢測技術時偏重于利用隨機激勵法檢測結構性能，也就是利用建筑結構周圍的環境因素，如風等形成的脈動使建筑結構發生振動。采用隨機激勵法的缺點主要有兩個：一是激勵過程輸入的能量過小，無法產生高階模態的振動；二是不能滿足嚴格的隨機激勵法要求的平穩白噪聲輸入的假設，會給估計結果帶來一定的影響。

2、現場振動檢測技術及類型

2.1 振動檢測技術的類型

就試驗過程中所引起的結構振動現象而言，現場振動檢測技術大體上可歸納為四種：

（1）穩態現象：不管試驗過程中出現多么復雜的振動現象，如果結構的振動過程是一個不斷重復出現的過程，那么其振動就是穩態現象?，F場試驗過程中使用的激振器或其它以一定的規律激發振動的裝置都會使結構產生這種振動。試驗過程中得到的是周期性的振動波形，而且大多數情況下是以正弦波的形勢出現。

（2）過渡現象：這種現象指的是某一振動從發生開始到逐步穩定下來這個過程。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過程起始加載階段。

（3）沖擊現象：從根本上將這種現象屬于過渡現象的一種，但該現象的持續時間通常會極短，工程結構測試過程中較為常見，有一定的研究價值。

（4）隨機現象：爆破或者地震產生的振動屬于這種不規則的振動現象，結構物的脈動也是這種振動類型。這種振動所產生的規律性無法直接從波形上觀察出來，必須經過統計計算等方法對其進行分析。

2.2 振動檢測方法的程序

由于不同振動現象具有本身獨有的特點，因此針對不同的振動現象應選擇適當的測量方法和檢測儀器，現場振動檢測主要是與穩態現象和隨機現象關系密切，通常情況下進行一次試驗檢半漢以下幾項工作程序：

（1）確定研究對象：此項工作包括現場振動試驗的目的、采用的荷載形式以及試驗過程中要獲得的物理量信息等方面。

（2）施加合理的試驗荷載：要充分結合所測試的結構類型及所選用的設備確定結構上所施加的外力或"運動"的具體形式，具體要求是盡可能再現結構所受到的實際荷載作用。

（3）物理參數的測量：試驗過程中應用精確的測量儀器對所需要的物理量進行測定，如結構內部應力、振動的位移、速度、加速度等指標。

（4）數據分析：數據分析過程中通?？刹捎媚M式分析儀器對記錄信號進行處理，也可以將記錄得到的信號進行數字化等方式進行處理。

3、激振方法選取注意事項

上文中已經提及在土建結構振動檢測過程中，對結構進行現場動力特性試驗來測定結構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，即隨機振動分析法。

共振法是是一種較為傳統的檢測方法，應用最早并且至今仍較多使用，是一種較為經典的方法，這種方法的檢測機理明確，能偶提供較為全面的檢測數據，數據分析過程較為簡便，具有較高的可靠性，其缺點在于需要較為復雜的激振設備。

自由振動法試驗過程中對設備的要求相對簡單，但這種方法只能得到有限的數據信息。脈動法對起振設備的要求最低，試驗過程中無需張拉或激振以及沖擊設備，但這種方法的后期數據處理極為復雜，但是隨著計算機技術的不斷飛速發展，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的范圍。實際試驗過程中通常根據試驗的具體要求和實際的試驗條件選擇幾種方法中的一種或幾種進行試驗。

脈動法主要是利用建筑物周圍地面環境的微微振動，將其作為動力從而引起結構物發生脈動反應，也就是常說的脈動，以此方法來測定結構物的自振能力，是十分常用的方法，它不需要使用起振設備，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均是采用了這種方法。

4、總結

利用振動的測試數據對結構進行鑒定，尤其是針對砌體結構進行層間剛度以及抗壓強度的深度分析是十分可靠的。與此同時，可以將所測得的強度數據和圖紙上給出的設計強度數值進行比較，從而了解設計指標的規定，進而對建筑結構施工質量進行評價；還能夠有效發現哪個具體的相鄰層有了較大的剛度突變，進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構牢固，這一方法也可以推廣到符合剪切型振動的其它建筑結構中。

參考文獻：

[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》.清華大學出版社，北京，1992.

[3] 孫月明，唐任仲.《機械振動學》.浙江大學出版社，杭州，1991.