振动测试技术在结构鉴定中的应用

【摘要】本文主要对工程结构可靠性检测鉴定技术中的振动测试技术及其具体的分析讨论方法进行了研究。在振动测试技术中应高度重视先进的现代数字信号分析技术的应用和引进工作，从而不断地对振动检测技术进行完善和优化，归纳总结出一套科学性高、适用性强的结构安全性检测技术和鉴定方法，不断提高结构检测和鉴定的准确性。

【关键词】结构鉴定 无损检测 振动测试技术

引 言

近几十年来，各类各样的结构损伤形式不断出现，国内外有关学者也越来越重视结构损伤的检测工作，鉴于此，国内外土木、结构、机械等各领域的专家和学者提出了各种各样的结构性能检测鉴定方法。其中，人们接受程度最高、最受人们青睐的一类检测鉴定方法是振动测试检测技术，这项检测技术主要通过测试桥梁等结构的动态特性得到相关的结构参数，然后对得到的结构参数变化进行分析发现其中的信息来对结构的安全等性能进行鉴定。现对该技术进行详细的分析介绍。

1、振动测试技术概述

如果结构存在损伤必然会使得与结构性能有关的参数，比如刚度、阻尼等发生一定的改变。如果能够合理地对这些参数的变化进行判断，就能为结构损伤检测提供一个切实可行的量化测量方法。利用振动测试方法对结构进行损伤检测所依据的就是通过判断结构振动过程中的有关信息，判断结构参数的变化。结构的振动模态一般是通过常规的试验模态分析方法获得。试验过程中将各种测点按照一定的要求布设在结构的不同位置上，通过测试可以得到振动模态下结构的各种特性参数，通过比较破坏发生前后参数的变化情况，或者将测得的参数与同类型的完整结构的振动模态参数进行对比，通过两者之间的不同对结构内部发生损伤的具置、损伤类型以及损伤程度进行判定。和其他无损检测技术相比，振动检测方法具有很多无法比拟的优点：首先，这种检测方法经济有效，其次该方式使用过程安全，对人体无伤害；最后，该方法简单易学，容易掌握。振动检测技术在许多领域都得到广泛应用，如应用到机械设备故障诊断的过程中。从测试设备、传感器到后期的信号处理软件，振动测试技术已经经过了几十年的发展，具有丰富的实践经验。但是，振动测试技术应用到土建结构工程中的案例仍不多，因此，应对该方面的研究提起做够的重视。

振动检测方法中一项关键内容就是激振方法的选取，常用的方法有共振法、自振法以及随机激励法三种。随着现代建筑物结构的长度及高度不断增大、现有的传感器性能不断增强、相应的数据分析能力不断提高，同时处于对试验费用以及试验过程中交通管制的考虑，各国在采用振动检测技术时偏重于利用随机激励法检测结构性能，也就是利用建筑结构周围的环境因素，如风等形成的脉动使建筑结构发生振动。采用随机激励法的缺点主要有两个：一是激励过程输入的能量过小，无法产生高阶模态的振动；二是不能满足严格的随机激励法要求的平稳白噪声输入的假设，会给估计结果带来一定的影响。

2、现场振动检测技术及类型

2.1 振动检测技术的类型

就试验过程中所引起的结构振动现象而言，现场振动检测技术大体上可归纳为四种：

（1）稳态现象：不管试验过程中出现多么复杂的振动现象，如果结构的振动过程是一个不断重复出现的过程，那么其振动就是稳态现象。现场试验过程中使用的激振器或其它以一定的规律激发振动的装置都会使结构产生这种振动。试验过程中得到的是周期性的振动波形，而且大多数情况下是以正弦波的形势出现。

（2）过渡现象：这种现象指的是某一振动从发生开始到逐步稳定下来这个过程。例如我们常见的简谐振动动力加载的起始阶段以及自由衰减振动试验过程起始加载阶段。

（3）冲击现象：从根本上将这种现象属于过渡现象的一种，但该现象的持续时间通常会极短，工程结构测试过程中较为常见，有一定的研究价值。

（4）随机现象：爆破或者地震产生的振动属于这种不规则的振动现象，结构物的脉动也是这种振动类型。这种振动所产生的规律性无法直接从波形上观察出来，必须经过统计计算等方法对其进行分析。

2.2 振动检测方法的程序

由于不同振动现象具有本身独有的特点，因此针对不同的振动现象应选择适当的测量方法和检测仪器，现场振动检测主要是与稳态现象和随机现象关系密切，通常情况下进行一次试验检半汉以下几项工作程序：

（1）确定研究对象：此项工作包括现场振动试验的目的、采用的荷载形式以及试验过程中要获得的物理量信息等方面。

（2）施加合理的试验荷载：要充分结合所测试的结构类型及所选用的设备确定结构上所施加的外力或"运动"的具体形式，具体要求是尽可能再现结构所受到的实际荷载作用。

（3）物理参数的测量：试验过程中应用精确的测量仪器对所需要的物理量进行测定，如结构内部应力、振动的位移、速度、加速度等指标。

（4）数据分析：数据分析过程中通常可采用模拟式分析仪器对记录信号进行处理，也可以将记录得到的信号进行数字化等方式进行处理。

3、激振方法选取注意事项

上文中已经提及在土建结构振动检测过程中，对结构进行现场动力特性试验来测定结构的振动特性通常会采用三种方法：一是共振法，二是自由振动法，如初位移法、张释法、初速度法等，三是脉动法，即随机振动分析法。

共振法是是一种较为传统的检测方法，应用最早并且至今仍较多使用，是一种较为经典的方法，这种方法的检测机理明确，能偶提供较为全面的检测数据，数据分析过程较为简便，具有较高的可靠性，其缺点在于需要较为复杂的激振设备。

自由振动法试验过程中对设备的要求相对简单，但这种方法只能得到有限的数据信息。脉动法对起振设备的要求最低，试验过程中无需张拉或激振以及冲击设备，但这种方法的后期数据处理极为复杂，但是随着计算机技术的不断飞速发展，从很大程度上提高了该检测方法的精度、效率以及可提供参数的范围。实际试验过程中通常根据试验的具体要求和实际的试验条件选择几种方法中的一种或几种进行试验。

脉动法主要是利用建筑物周围地面环境的微微振动，将其作为动力从而引起结构物发生脉动反应，也就是常说的脉动，以此方法来测定结构物的自振能力，是十分常用的方法，它不需要使用起振设备，同时操作简单。例如辽宁省普兰店市九七公铁立交桥等工程中的动力试验均是采用了这种方法。

4、总结

利用振动的测试数据对结构进行鉴定，尤其是针对砌体结构进行层间刚度以及抗压强度的深度分析是十分可靠的。与此同时，可以将所测得的强度数据和图纸上给出的设计强度数值进行比较，从而了解设计指标的规定，进而对建筑结构施工质量进行评价；还能够有效发现哪个具体的相邻层有了较大的刚度突变，进而使用一些加固措施，在地震来的时候，保证层间刚度突变处结构牢固，这一方法也可以推广到符合剪切型振动的其它建筑结构中。

参考文献：

[1] 李方泽，刘馥清，王正.《工程振动测试与分析》.高等教育出版社，北京，1992.

[2] 张思.《振动测试与分析技术》.清华大学出版社，北京，1992.

[3] 孙月明，唐任仲.《机械振动学》.浙江大学出版社，杭州，1991.