工程结构动力特性及动力响应检测技术.doc

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江苏省工程建设标准DGJ

JXXXXX-2010DGJ32/JXX-2010

工程结构动力特性及动力响应检测技术规程

Technicalspecificationfortestingdynamiccharacteristicanddynamicresponseofengineeringstructures

2010-XX-XX发布2010-XX-XX实施

江苏省建设厅审定发布

江苏省工程建设标准

工程结构动力特性及动力响应检测技术规程

DGJ32/JXX-2010

JXXXXX-2010

主编单位:

批准单位:

江苏省建设厅

批准日期:

2010年XX月XX日

前言

近年来，结构的安全评估及抗震性能评价越来越受到人们的重视，结构的动力检测由于其自身的优点逐渐成为工程界和学术界十分关注的一个研究领域。

结构动力检测方法可不受结构规模和隐蔽的限制，高效模块化、数字化的结构动力响应测量技术为结构动力检测方法提供了有效的技术支持。

为规范工程结构动力特性和动力响应检测方法和程序，提高检测结果的可靠性，特编制本规程。

根据江苏省建设厅《关于印发<江苏省2009年度工程建设标准和标准设计图集编制、修订计划>的通知》（苏建科[2009]99号）的要求，规范编制组在前期相关科研的基础上，经广泛调查研究，认真总结实践经验，参考国内外有关先进标准，开展专题研究、试验研究和典型工程应用，并在广泛征求意见的基础上，制定本规程。

本规程的主要技术内容是：

1总则；2术语和符号；3基本规定；4仪器设备；5工程结构动力特性检测；6工程结构动力响应检测；7检测报告的编写。

本规程在使用过程中如发现需要修改或补充之处，请随时将意见反馈至南京工业大学（南京市中山北路200号，邮政编码：

210009），以供今后修订时参考。

本标准主编单位、参编单位和主要起草人：

主编单位:

主要起草人：

目录

1总则 1

2术语和符号 2

2.1术语 2

2.2符号 3

3基本规定 6

3.1检测方案 6

3.2检测步骤 7

3.3检测环境 8

4仪器设备 9

4.1动测系统技术要求 9

4.2设备维护 11

5工程结构动力特性检测 12

5.1一般规定 12

5.2检测方法 13

5.3数据处理 14

5.4评价方法 20

6工程结构动力响应检测 21

6.1一般规定 21

6.2检测方法 22

6.3数据处理 24

6.4评价方法 26

7检测报告的编写 28

附录A检测记录表 29

附录B振动信号特征值 31

本规程用词说明 36

1总则

1.0.1为规范工程结构动力特性和动力响应检测方法和程序，提高检测结果的可靠性，特制订本规程。

1.0.2本规程适用于工程结构动力特性及动力响应的检测，包括结构固有频率、阻尼比和振型的检测，以及评价振动源对工程结构影响的的检测。

1.0.3工程结构动力检测应委托具有相应资格的法定检测机构进行；检测人员应进行专业技术培训并具有相应的检测能力。

1.0.4按本规程进行动力检测时，除应遵守本规程的规定外，尚应符合国家现行的有关标准的规定。

1.0.1本条阐述了规程的编制目的。

制定本规程的目的，是为了规范动力检测这一新兴检测方法在工程质量检测中的程序和方法，提高检测结果的可靠性，从而更好地促进该方法的应用和推广。

1.0.2本条规定了规程的适用范围及意义。

目前较为成熟的动力检测范围有：

工程结构动力特性的检测和工程结构在各种外部激励作用下的动力响应检测。

1.0.3本条规定了动力检测法的执行机构，以及对具体检测人员的要求。

1.0.4阐述了本规程与其他相关规程的关系。

应遵守协调一致、互相补充的原则，即无论是本规程还是其他相关规程，在进行动测法检测时都应遵守，不得违反。

2术语和符号

2.1术语

2.1.1动力特性dynamiccharacteristic

表示结构固有特性的基本物理量，如固有频率、振型和阻尼比等。

2.1.2动力响应dynamicresponse

表示结构受动力输入作用时的输出，如位移响应、速度响应、加速度响应等。

2.1.3频率特性frequencycharacteristic

表示结构振动频率的基本物理量，一般包括幅频特性和相频特性。

2.1.4频率范围frequencyrange

传感器或测振系统正常工作的频带，在这个频带内输入信号频率的变化不会引起它们的灵敏度发生超出指定的百分数的变化。

2.1.5灵敏度sensitivity

表示传感器信号输出幅值与被测信号的输入幅值之比。

2.1.6横向灵敏度transversesensitivity

横向灵敏度指传感器沿主轴方向振动时其横向振动幅值与主轴方向振动幅值之比，用百分比来表示，横向灵敏度越小越好，一般要求应小于3%～5%。

2.1.7相位差phasedifference

不同信号内相同频率对应两谐波分量之间的相位角之差。

2.1.8信噪比signaltonoiseratio

表示放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常用分贝数dB表示。

2.1.9动态范围dynamicrange

可测量的最大振动量与最小振动量之比，常用分贝数dB表示。

2.1.10脉动法pulsatingmethod

利用结构周围环境激励引起的振动进而来识别结构动力特性的一种方法。

本节所列术语一般为其在本规程中出现时，其含义需要加以界定、说明或解释的重要词汇。

尽管在界定和解释术语时考虑了术语的习惯和通用性，但理论上这些术语仅在本规程中有效，列出的目的主要是防止出现错误理解。

当本规程列出的术语在本规程以外使用时，应注意其可能含有与本规程不同的含义。

2.2符号

时间

周期

频率

圆频率

加速度

速度

位移

刚度

质量

阻尼比

均值

均方值

方差

自相关函数

自功率谱函数

互相关函数

互功率谱函数

相干函数

相位角

倒功率谱

频响函数

脉冲函数

信号最高频率分量

采样频率

分贝

快速傅里叶变换

功率谱函数中结构的固有频率

结构共振响应的时间常数

本节所给出的符号可分为三类：

动测系统性能参数符号、动测系统计算参数符号、动测系统统计参数符号，其大部分与有关规程一致。

3基本规定

3.1检测方案

3.1.1方案准备

现场检测前，宜具备下列资料：

1场地的地质勘察资料；

2工程结构的结构形式、层高、构造情况及荷载分布情况等；

3场地及其邻近的干扰振源资料；

4结构设计计算书。

3.1.2方案制定

检测方案宜包括下列内容：

1检测目的；

2检测设备及要求；

3检测内容及具体方法；

4仪器测点布置图。

3.1.1规定了制定检测方案前应该具有的资料；3.1.2规定了检测方案应该包括的内容。

3.2检测步骤

工程结构的动力检测一般按照以下步骤进行：

1根据检测对象及其目的，选择合适的测量参数；

2根据场地情况和检测要求布置测点；

3根据检测要求选择并安装传感器，传感器的安装应与检测目的相一致；

4连接导线（包括屏蔽线和接地线），对整个测量系统进行调试；

5合理设置检测参数，包括对采样频率、数据采集时间、数据采集系统放大倍数等参数进行设置；

6采集数据并保存。

本条规定了动力检测的一般步骤。

一般情况下，在检测开始前需要有一个明确的检测目标，用以确定实验目的以及要测量的量，包括要求的精度和可靠性。

同时，还需要确定影响测量设备和测量技术选择的与仪器不相关因素，包括测量人员的有效性、成本、测量需要的时间、时间安排表以及可行的数据分析、确认和显示技术。

接下来要考虑的有测量的环境条件、振动的频率范围、幅值、动态范围以及理论方向的估计。

需要这些信息作为合适选择测量设备的准则。

测点的布置可参考5.2.1、5.2.2、6.2.1和6.2.2条。

在数据的调试过程中，若记录曲线出现漂移情况，一般从以下几点查找原因：

检查电源是否正常、检查测线接头是否包好、检查振动传感器是否与被测点固定好、检查输入插座是否可靠。

传感器的具体安装方式可参考《机械振动与冲击加速度计的机械安装》GB/T14412-93。

3.3检测环境

3.3.1现场检测时，检测设备、仪器均应有防风、防雨雪、防晒和防摔等保护措施。

3.3.2检测场地应避开外界干扰振源，测点应避开地下管道、电磁场、噪声、射线等。

4仪器设备

4.1动测系统技术要求

4.1.1动测系统一般由激振系统、传感器、动态信号采集分析仪等组成。

4.1.2结构动力检测传感器应采用低频传感器，频率下限应不大于0.5Hz（+1～-3dB），频响曲线应平坦，传感器横向灵敏度应小于0.05。

4.1.3信号放大调理器应符合下列要求：

1放大器应采用带低通滤波功能的多通道放大器，低通滤波大于24dB/oct。

一般宜使用抗混淆滤波放大器。

2放大器频响范围：

低频不大于0.5Hz，高频大于传感器最高频率，输入噪声水平应低于2μV。

3多通道放大器要求各个通道间无串扰，各通道相位一致，频响范围相同。

其振幅一致性偏差应小于3％，相位一致性偏差应小于0.1ms。

4.1.4强迫振动检测的激振设备，应符合下列要求：

1当采用机械式激振设备时，工作频率宜为3～60Hz，宜具备无极调速功能；

2竖向自由振动检测时，激振可采用铁球，其质量宜为结构质量的1/100～1/150。

4.1.5数据采集与记录宜采用多通道数字采集和存储系统，其A/D转换器位数应不小于12位，宜采用16bit以上A/D转换，幅度畸变宜小于1.0dB。

4.1.6信号分析仪应具有多通道，具有基本的数字信号处理功能，包括滤波、截取、时域幅值统计、FFT、自谱、互谱等功能。

4.1.1~4.1.3本条规定了动测设备的基本要求。

目的是为了避免测量时可能产生的误差。

低频传感器如电磁式、伺服式。

4.1.4强迫振动的激振方式有：

1张拉释放法。

该方法通过某种张拉装置使结构产生初始位移，然后迅速解除张拉，使结构产生自由振动，张拉释放法实质上是一种阶跃激励。

2火箭冲击法。

该方法采用火箭点燃后产生的冲击力使结构产生初始速度而自由振动，火箭加力法为脉冲激励。

3撞击法。

该方法利用重锤敲击结构物所产生的冲量使结构产生初速度而引起的自由振动，撞击法为脉冲激励。

4.2设备维护

4.2.1动测系统应每年进行一次系统的标定，应有主管计量部门检验的合格证书。

4.2.2仪器应具有防尘、防潮性能，其工作温度应在-10℃～50℃范围内。

4.2.3动测系统在使用、运输和保管过程中应注意防水、防潮、防曝晒和防剧烈振动等。

4.2.1~4.2.3规定了动测系统在使用、运输和保管过程中的注意事项，是为了避免仪器损坏而给测量带来误差。

5工程结构动力特性检测

5.1一般规定

5.1.1结构动力特性检测包括结构的固有频率、振型、阻尼比等参数。

5.1.2工程结构动力特性检测方法一般采用脉动法或强迫振动法进行检测。

5.1.3检测系统应符合下列要求：

1检测系统通频带应包括被测对象的感兴趣频率，一般应用时，频率范围应选择0.5～100Hz；信噪比应大于80dB；

2检测仪器其它要求应符合本规程4.1之要求。

5.1.4检测内容及检测要求：

1同步测量多通道的实测时域曲线；

2采样频率设定应符合奎耐斯特定律要求，一般宜为被测结构频率的3～5倍。

3采样时间：

对于强迫振动法试验应采集不少于2～3个完整波形，对于脉动检测应不少于30min，宜设为60min。

5.1.5检测记录内容

1测量仪器：

名称、型号、编号、准确度等级、检定日期；

2记录实测数据；

3场地条件，测点布置（附简图和照片）；

4测量过程中的情况说明；

5测量人员、校核人员、测量日期、测量单位。

5.1.4采样定理又称奈奎斯特定理，奈奎斯特频率必须严格大于信号包含的最高频率。

如果信号中包含的最高频率恰好为奈奎斯特频率，那么在这个频率分量上的采样会因为相位模糊而有无穷多种该频率的正弦波对应于离散采样，因此不足以重建为原来的连续时间信号。

5.2检测方法

5.2.1传感器布置：

平动测点在每层结构的质心附近布置传感器，扭转测点应在楼层平面上对称布置。

层数较多时可以隔层布置，且尽量布置在可以避开人为干扰的位置。

5.2.2根据检测目的，选择合适的检测方向。

传感器一般沿结构纵向、横向和竖向三个方向布置。

5.2.3根据所需频率范围设置低通滤波频率和采样频率。

5.2.4数据采集时，应注意对数据平稳性的要求，若有较大的波动，则重新采集数据。

5.3数据处理

5.3.1在动力检测过程中，由于干扰及其它各方面因素的存在，使得检测系统采集到的数据偏离其真实数值。

一般要对数据做以下预处理：

1标定。

采集得到的数据首先需要进行标定变换，使之还原成具有相应物理单位的数字信号数据。

2消除趋势项。

采集到的振动信号数据，由于可能存在放大器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰等因素，大多都含有一定的趋势项。

3滤波处理。

滤波就是通过数学运算从所采集的离散信号中选取感兴趣部分信号的处理方法。

5.3.2采用FFT进行频谱分析；为消除旁瓣干扰，信号应加窗函数处理；对于脉动信号，频域平均次数不宜少于32次，且重叠系数宜大于1/2。

5.3.3工程结构动力参数的识别方法一般可分为频域识别法、时域识别法和时频域识别方法。

实际工程中常用的频域峰值方法的主要步骤包括：

1固有频率的判断：

（1）FFT自功率谱（幅值谱）最大峰值处；

（2）频响函数分析中，自振频率处相干函数较大，一般接近等于1；

（3）对于相同方向的多个测点，各测点在自振频率处具有近似同相位或反相位的特点。

2阻尼比一般按照半功率宽带法和对数衰减法进行确定。

3振型函数应该按照下列规定进行确定：

当各个模态的自振频率分的较开，且结构阻尼比较小时，振型之比可由下式得出：

（5.3.3）

式中：

、分别为自振频率对应的不同自由度的振型函数值，其正负号可由互功率谱在处的相位来确定。

5.3.1由于经数据采集器得到的数据，有的是数字电压值，有的是以采集器分辨率为单位的整形数字量。

对于数字电压量的数据，直接乘以传感器的标定值，即传感器的物理量与输出电压的比值，标定转换即可完成。

对于整形数字量的数据，首先需要乘以采集器的分辨率以转换成电压数据，然后再进行物理单位的标定变换。

趋势项的存在，会使时域中的相关分析或频域中的功率谱分析产生很大的误差，甚至使低频谱完全失去真实性，所以必须将其消除。

滤波的主要作用有滤除信号中的噪声或虚假成分、提高信噪比、平滑数据、抑制干扰、分离频率等。

滤波器按频率范围分类有低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BSF）和梳状滤波器。

按照数学运算方式考虑，数字滤波又分为时域滤波方法和频域滤波方法。

5.3.3为常用结构动力参数的识别方法。

一般而言工程结构动力参数的识别方法具体有以下几种：

1结构模态参数的频域识别法

结构模态参数的频域识别法，是基于结构传递函数或频率响应（简称频响函数）在频域内识别结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数的方法。

频域法可分为单模态识别法、多模态识别法、分区模态识别法和频域总体识别法。

对小阻尼且各阶模态耦合较小的系统，用单模态识别法可达到满意的识别精度。

而对模态耦合较大的系统，必须用多模态识别法。

对于单自由度体系而言，一般采用幅值法、分量法以及导纳圆法，而对于多自由度体系，SISO法和SIMO法被较多的采用。

频域法的最大优点是利用频域平均技术，最大限度地抑制了噪声影响，使模态定阶问题容易解决，但也存在若干不足。

2结构模态参数的时域识别法

结构模态参数的时域识别法是指在时间域内识别结构模态参数的方法。

时域法所采用的原始数据是结构反应的时间历程，主要为结构的自由振动反应，有的也采用结构的脉动反应和强迫振动反应。

结构时域模态参数识别方法的研究与应用比频域方法要晚一些，但近年来随着计算机技术的发展而逐步发展起来的。

时域法可以克服频域法的一些缺陷，特别是对大型复杂结构受到风、浪及大地脉动的作用，它们在工作中承受的荷载很难测量，但响应信号很容易测得，直接利用响应的时域信号进行参数识别无疑是很有意义的。

目前提出的结构模态参数的时域识别法主要有：

SSI法、ITD法、STD法、Prony法、随机减量法和ARMA模型法等。

由于时域法参数识别技术只需要响应的时域信号，从而减少了激励设备，大大节省了测试时间与费用，这些都是频域法所不具有的优点。

但同时由于不使用平均技术，因而分析信号中包含噪声干扰，所识别的模态中除系统模态外，还包含噪声模态。

如何区分和剔除噪声模态，一直是时域法中的重要课题。

3时频域识别方法

实际工程中的很多环境激励是非平稳的随机过程，处理这种非平稳的时变信号需要能同时在时、频两域进行局部分析的方法和技术。

联合时频域方法既有频域法的优点又有时域法的优点，既利用了直观的频率分布信息，又利用了包含丰富结构信息的时程响应数据。

联合时频域方法将结构响应在时-频两域展开，有利于识别非线性响应结构的特征，是一种很有前途的动力学系统辨识方法。

基于小波变换以及基于希尔伯特黄变换（HHT）的模态参数识别方法是两种主要的模态参数时频域方法，后者需要与经验模态分解（EmpiricalModeDecomposition,简称EMD）联合使用来识别模态参数，而EMD技术尚有许多问题需要解决。

基于小波变化或希尔伯特黄变换的联合时频域方法在处理非平稳激励下的模态参数识别方面得到了广发的应用。

基于小波的结构模态参数识别技术将信号变换到时-频域，这有利于识别结构的动态特征参数频率、阻尼和振型。

可参考的结构模态参数识别方法及特点

类型

激励方式

方法

特点

频域方法

人工激励

分量估计法

简单方便，识别精度有限

Levy法

识别精度高，计算量大

最小二乘圆拟合法

基于图解法，精度不高

分区模态综合法

适用于较大型结构

随机激励

峰值拾取法

操作简单、识别速度快，但难以识别密集模态，阻尼比识别精度不高

频域分解法（FDD）

可以识别密集模态，不能识别阻尼

增强频域分解法（EFDD）

对FDD方法的补充，可以识别阻尼比

时域方法

人工激励

单参考点复指数法（SRCE）

不受阻尼大小、模态密集程度和噪声干扰影响

随机激励

随机子空间法（SSI）

适用于平稳激励，对输出噪声有一定的抗干扰能力，计算量大

特征系统实现法（ERA）

计算量小，识别精度高

时频域方法

随机激励

小波分析

适用于非稳定信号

HHT变换

分辨率高，可处理一类非线性问题

5.4评价方法

5.4.1评价振动信号的影响，应根据现场的调查状况、建筑结构及人检测的响应，通过分析论证，提出评价意见。

5.4.2工程结构响应的确定，宜采用现场实测的方法。

5.4.3对工程结构进行现状调查及现场检测时，不得对建筑结构造成损害。

5.4.4评价工程结构动力特性，可按照下列步骤进行：

1调查建筑和振源的状况；

2检测响应；

3信号处理；

4结构计算；

5综合分析和评价。

5.4.4综合分析与评价主要应用于：

验证理论计算；为工程结构的抗震验算及性态评判积累基本技术资料；分析结构的振动现象，如扭转振动、鞭梢效应等；寻找减小振动的途径。

6工程结构动力响应检测

6.1一般规定

6.1.1工程结构动力响应检测前首先应了解振源类型及其特性。

振源类型一般包括交通运输、爆破、打桩、室内机械、室外机械以及人的活动。

6.1.1规定了测试结果应包括的内容。

不同振源类型其结构响应的特征可以参考《机械振动与冲击对建筑物振动影响的测量和评价基本方法及使用导则》GB/T14124—1993。

6.1.2振动响应频率范围一般为1～300Hz，应根据振源类型选择不同频响范围的传感器。

6.1.2高频振动一般为仪器设备所产生的振动。

6.1.3采样频率应符合奎耐斯特定律要求。

6.1.3本条文可参考本规程条文说明5.1.4条。

6.1.4检测记录内容

1测量仪器：

名称、型号、编号、检定日期；

2动力响应时程曲线；

3场地条件，测点布置（附简图和照片）；

4测量过程中的情况说明；

5检测资料的数据处理方法；

6检测成果表；

7测量人员、校核人员、测量日期、测量单位。

6.2检测方法

6.2.1测点的选择应具有代表性，能够使测量结果正确反映所代表区段的振动状况，一般的布点原则是：

1根据振源的范围、传播方向、振动衰减大致规律布置测点，即离振源近时测点间距离小，离振源远时测点间距离大。

2为了分析振动对建筑物的动力响应，应在建筑物地面布置一定测点。

3振动在建筑物内可能会放大，并与建筑物的高度成正比，宜在建筑物内几个测点上同步测量。

4一般通过在基础和室外地面的同步检测建立传递函数。

6.2.1一般至少布置4个测点以上，才可以体现振动衰减的大致规律。

当存在多个振动源时，应考虑它们之间的相互作用，即从距离、相位差等因素考虑振动源之间的影响。

必要时，需要考虑大型设备与结构之间的动力相互作用。

6.2.2传感器的安装

1传感器应平稳地放在平坦、坚实的地面上，避免置于草地、沙地、雪地或地毯等松软的地面上，若无法避免，可在松软的地面上打入一定深度的木桩。

2传感器的灵敏度主轴方向应与测量的方向一致。

6.2.1当振源为动力机器基础时，应将传感器置于沿振动波传播方向测试的基础轴线边缘上；当振源为公路交通车辆时可将传感器置于行车道沿外0.5m处，并沿振动传播方向布置；当振源为铁路交通车辆时可将传感器置于距铁路轨外0.5m处，并沿振动传播方向布置；当振源为锤击预制桩时可将传感器置于距桩边0.3～0.5m处，并沿振动传播方向布置。

6.2.2规定了传感器安装的规定，以减少不必要的误差。

规定传感器的安装方向，主要是为了避免传感器安装位置方向不一致而可能引起的误差。

具体可参考《机械振动与冲击加速度计的机械安装》GB/T14412-93。

6.3数据处理

6.3.1首先需要对采集数据进行信号预处理，处理方法参考本规程5.3.1.