基于智能可穿戴設備的HumanShaker結構動力測試方法

陳雋 韓紫平 JamesBrownjohn

摘要： 已建結構的動力測試是了解其實際動力性能、提升建模和計算分析精度、檢測結構損傷情況的重要手段。提出了Human Shaker（HS）的方法，利用人的行走、跳躍和擺動等運動實現(xiàn)對結構的激振，由智能可穿戴設備得到激振荷載和結構響應，并由此識別結構的模態(tài)參數(shù)。首先建立了由特征點加速度重構人致激振荷載的方法，以及利用可穿戴設備的HS應用步驟，進而以橫向擺動為例通過實驗確定了特征點位置及其對應的質(zhì)量參與修正系數(shù)。最后將HS技術應用于某實際結構的動力測試和模態(tài)參數(shù)識別，結果表明，HS技術可以方便快捷地用于中小型結構的模態(tài)測試。

關鍵詞： 人致激振; 結構模態(tài)測試; 智能可穿戴設備; 側向加速度; 地反力

中圖分類號： TU311.3; TU317+.2 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2019）04-0644-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.011

1 概 述

利用環(huán)境振動或動力設備激勵開展工程結構的現(xiàn)場動力測試，獲得其自振頻率、阻尼比、振型及模態(tài)質(zhì)量等參數(shù)，對于了解結構的實際動力性能、提升數(shù)值建模和計算分析精度、檢測結構損傷情況等，具有重要的現(xiàn)實意義[1-5]。結構動力測試一般利用環(huán)境激勵或激振裝置引起結構的響應，由輸入和輸出信息通過系統(tǒng)識別、信號處理等技術獲得結構參數(shù)及響應幅值[6-7]。其中，環(huán)境激勵法簡單方便[8]，但由于需要引入外激勵是白噪聲過程這一假定，測試精度總體較低，特別是對于結構阻尼以及高階模態(tài)[9]，無法給出結構振型參與質(zhì)量這一對于結構分析與振動控制都非常重要的參數(shù)。采用激振器等裝置進行結構的動力特性測試，精度高且測試范圍廣，然而由于激振設備的安裝調(diào)試過程復雜、低頻激振困難、價格昂貴等因素，測試成本較高，主要用于大型工程結構的動力測試。對于量大面廣的中小型建筑以及一些重要的局部構件（子結構）的測試，缺乏高效便捷的動力測試方法?？傮w上，工程結構的現(xiàn)場動力測試研究存在重大型輕小型、重整體輕局部、重算法輕設備的問題。

利用人體運動作為激勵源的結構試驗/測試方法由來已久[10]，例如采用落踵沖擊進行結構的單點脈沖激勵測試[11]（如圖1所示），該方法已被廣泛使用超過30年[11-14]，并被一些規(guī)范推薦為結構驗收測試方法[15-16]。此外，周緒紅等[17]利用步行、落踵沖擊等方法對不同支撐條件的組合樓板自振頻率進行了測試，與傳統(tǒng)方式的對比結果顯示了人致激勵方法有較高的可信度。Brownjohn等[10]利用人體的擺動、跳躍和步行對英國的四座人行橋進行了現(xiàn)場激振測試，結構模態(tài)質(zhì)量的實測結果與有限元分析值的誤差小于15%，也說明了周期性人致激振用于結構動力測試的可行性。

毫無疑問，人是迄今最智能的動力系統(tǒng)，綜合集成了能量供應系統(tǒng)、最先進的光學、聲學感知和傳感系統(tǒng)，以及具有超強并行計算能力的控制系統(tǒng)，可以輕易實現(xiàn)對結構的低頻（0.25-5.0 Hz）激振，是一種理想的激振“裝置”。利用人的運動對結構進行激振理論上擁有比環(huán)境激勵法更好的識別效果，特別是對于結構阻尼和振型質(zhì)量的識別，可形象地稱為Human Shaker（以下簡稱HS）測試方法。采用HS進行結構動力特性測試，需要解決如下兩個關鍵問題，才能擺脫HS目前主要作為瞬時沖擊“質(zhì)量塊”的簡單使用模式：（1）HS激勵荷載，即輸入信息的精準測量;（2）結構響應，即輸出信息的同步測量。

近年來，隨著硬件技術的持續(xù)創(chuàng)新，各種智能攜帶/可穿戴設備（如智能手機、手表及手環(huán)等）的綜合測試功能日益強大，正在以前所未有的廣度和深度影響和改變著科學研究的方式。智能設備中內(nèi)置的三軸加速度傳感器、陀螺儀傳感器等，可記錄設備的加速度及其方向，已應用于實際工程結構的振動測試[18]，同時也為解決HS面臨的上述技術難題帶來了全新的思路和途徑?；谏鲜稣J識，本文研究利用智能可穿戴設備的HS結構動力特性測試方案與實現(xiàn)步驟，旨在為各類中小型結構及大型結構局部結構構件的快速動力測試提供一種便捷高效的方法。

2 利用智能可穿戴設備的HS方案

人可以通過步行（walking）、跳躍（jumping）、跑動（running）、屈伸（bouncing）、擺動（swaying）等多種運動方式實現(xiàn)對支撐結構縱向、橫向等不同方向（如圖2所示）的動力激勵，引起結構的振動[19]。與傳統(tǒng)激振設備相比，HS具有自帶能源、移動與布置方便、智能、靈活、無需安裝等明顯優(yōu)勢。由于人體自身生理特征、動力參數(shù)以及運動形式的不確定性，采用HS方法的核心困難在于如何直接、準確地獲得人體對結構實際施加的激振荷載。

由此，HS的具體實施方案包含以下核心步驟：（1）對特定結構進行動力測試時，利用智能可穿戴設備獲得人體運動時特征點處的加速度時程;（2）同步記錄結構動力響應;（3）由式（2）重構人致激勵時程;（4）根據(jù)輸入荷載和輸出響應，利用系統(tǒng)識別技術獲得結構的動力特征參數(shù)。依照上述方案，一般測試需求下，一位測試者攜帶兩個可穿戴設備（分別用于測量HS的加速度和結構響應），即可實現(xiàn)一般結構的動力測試工作。

3 HS特征點選取與激勵重構

由于不同人、不同運動狀態(tài)時的特征點位置以及對應的R值不同，利用公式（2）進行激振力重構時應首先選定合適的可穿戴設備，并由試驗確定不同運動的特征點及其對應的R值。這一試驗過程可以稱為HS性能的標定，本質(zhì)上與傳統(tǒng)儀器的性能標定概念類似。本研究以常用且幅值較小的人體橫向搖擺激勵（沿圖2中冠狀面內(nèi)的橫軸向運動，以下稱為擺動）為代表，研究典型HS的實驗標定過程。

3.1 可穿戴設備的選型

研究中分別試用了不同品牌的智能手機[22]以及不同類型的可穿戴慣性測量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）等智能電子設備。通過比較它們之間的加速度測試精度與范圍、設備攜帶/安裝方式、數(shù)據(jù)傳輸方式以及多設備間的同步性能等指標，最終選用APDM公司開發(fā)的Opal慣性傳感器[23-25]，其性能參數(shù)如表1所示。該無線傳感器具有3軸加速度、轉角和磁力方向的記錄功能，同時可利用同步器實現(xiàn)多個傳感器之間的精準時間同步。

3.2 人體擺動側向荷載標定實驗

對于激發(fā)結構的側向振動，擺動激勵非常有效，對其荷載效應的標定實驗在上海某醫(yī)院的人體步態(tài)實驗室展開，共3位不同年齡段的健康成年男性測試者A，B和C參加。每位測試者在三向測力板上做擺動動作（如圖3所示），測力板可準確測量和記錄擺動所引起的三向地反力。在每位測試者的額頭、C7頸椎、胸骨中段、肚臍、下背部和右腳腳面等6處布置了Opal可穿戴傳感器（如圖3所示）。

人體的擺動動作表現(xiàn)為雙腳依次支撐和懸空，頻率較低時存在雙腳同時接觸地面的時段，頻率較高時則表現(xiàn)為始終只有不超過一只腳與地面接觸。為確定不同擺動頻率下人體加速與側向地反力的關系，以及不同實驗人員對測試結果的影響，實驗進行了擺動頻率0.25-2.0 Hz的多組運動工況的實驗，各工況中所測得側向地反力的最大值和均方根值（Root Mean Square， RMS）隨頻率的變化情況如圖4所示。Opal所記錄的各特征點處的加速度峰值和RMS值如圖5和6所示。

由圖4可見，隨著運動頻率的增加，側向激振力呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，其原因在于人體進行高頻變向運動時需要更大的側向地反力。然而隨著人體左右擺動頻率的增加，人體的運動幅度明顯減小，體現(xiàn)在加速度峰值（如圖5所示）和其RMS值（如圖6所示）均沒有明顯的隨頻率增長的趨勢。上述結果表明，確定擺動激勵的R值時需要考慮擺動頻率的影響。

3.3 最佳特征點與R值的確定

圖8顯示，測試者的質(zhì)量參與系數(shù)R隨擺動頻率有較為明顯的變化。不同于單剛體的理想假定，現(xiàn)實中的人體是由骨骼、肌肉、脂肪、內(nèi)臟、皮膚等多組織與器官共同構成的復雜非線性系統(tǒng)，在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下可以完成多自由度的復雜動作。即使是同一測試者單方向的搖擺動作，運動模式也會隨頻率改變出現(xiàn)較為明顯的變化，測試者所調(diào)動的參與擺動的質(zhì)量比（即質(zhì)量參與系數(shù)R）也因而隨之變化。

由圖8可見，隨著運動頻率的加快，R值均呈現(xiàn)增加趨勢。對比圖4-6的側向地反力與特征點加速度測量結果以及對實驗人員運動情況的觀察，隨著“激振頻率”的增加，為了適應快速變向的節(jié)奏，Human Shaker的“輸出功率”整體呈現(xiàn)增加趨勢，人體更多的質(zhì)量參與到了擺動中。隨著頻率接近2 Hz，在人體特征點加速度基本保持恒定的情況下，R值曲線增幅變緩，側向地反力則呈現(xiàn)平緩甚至下降趨勢，這是受到人體自身運動能力限制導致的，為了達到更好的人致激振效果，人體的擺動激振時的頻率應盡量控制在1.0-2.0 Hz左右，此范圍亦是傳統(tǒng)的激振裝置較難達到較好的工作效果的頻率范圍。

對比圖8可見，C7頸椎、胸骨中段和額頭三處特征點對應的R值有較好的規(guī)律性和穩(wěn)定性，主要原因是這些特征點靠近人體中軸線且骨骼外附著的肌肉、脂肪等組織比較少。C7椎由于與人體實際質(zhì)心均位于人體中軸線上，測量結果較為穩(wěn)定，其棘突明顯，是臨床上常用的定位標志，能較好地減小每次測試時傳感器安裝位置的偏差。事實上，采用跳躍或屈伸等運動方式對結構（如樓板）進行激振時，C7椎也常常被選為特征點[19]，為此推薦使用該點作為HS側向擺動加速度的測量。

此外，相同頻率下不同測試者的R值存在一定的差異，即不同的HS具有不同的激勵特性。在缺乏足夠多的實驗人員建立完善數(shù)據(jù)庫的情況下，宜分別對不同的實驗人員的人致激振“參數(shù)”進行事先標定，以確保側向地反力重構結果的準確性。

4 人致激振動力測試應用實例〖*2〗4.1 待測結構特性 ?為驗證HS測試的效果，對某大學校園內(nèi)一棟辦公樓進行了現(xiàn)場測試。該建筑為夾角18°的兩棟鋼框架單體結構用三層連廊連接成的整體。本文所測I號單體共9層，結構主體長67 m、寬16 m、檐口標高32.875 m，地下1層，地上8層，層高3.6 m。兩單體地下部分均為鋼筋混凝土結構，地上部分均為鋼框架結構。樓面體系采用壓型鋼板-鋼筋混凝土組合樓板，板厚135 mm?；A采用預制鋼筋混凝土管樁，兩個單體基礎相互獨立。兩單體的5-7層的端部架設架空連廊，連廊寬4.45 m，凈跨18.9 m[26]。其平面布置及PKPM計算模型見下圖9和10所示。

在本測試中，主要關注結構沿縱向水平振動的一階參與質(zhì)量。軟件計算結果顯示，該結構y方向一階主頻為1.028 Hz，對應的有效質(zhì)量系數(shù)（振型參與質(zhì)量與總質(zhì)量之比）為69.77%。由施工量統(tǒng)計所得結構總質(zhì)量為6585.44 t，故該階振型的參與質(zhì)量為4594.66 t。

4.2 HS激振與測試過程

在HS動力測試過程中，前述標定實驗中的測試者A和B，通過在8樓走廊中部的橫向擺動對該建筑進行激振（如圖11所示），測試流程如下：

（1）采用脈動法由可穿戴裝置或其他加速度傳感器獲得結構的橫向一階振動頻率fL;

（2）已完成標定的HS按照fL對建筑進行擺動激振，直至結構進入穩(wěn)態(tài)振動;

（3）在測試者的特征點（本例中為C7頸椎）及測試結構上固定已同步的可穿戴裝置，同步記錄HS的加速度和結構的加速度反應;

（4）HS停止擺動后繼續(xù)記錄結構的自由衰減響應。

測試中選用了兩個Opal傳感器分別測量測試者C7點的加速度和結構側向加速度響應，同時使用高靈敏度的低頻加速度傳感器（Lance-0132T）對結構響應進行了對比測量。

4.3 實測結構頻率和阻尼

脈動法實測得到的結構橫向基頻為1.625 Hz，將其定為測試者擺動的頻率，利用節(jié)拍器引導。該基頻與理論分析的1.028 Hz有較大差距，但與文獻[28]中的實測結果1.66 Hz較為接近，說明其具有較高的可信度，經(jīng)分析這是由于根據(jù)設計圖紙進行數(shù)值計算時未考慮連廊、樓板、以及后加的阻尼器影響導致的?？梢娫诠こ虒嵺`中，建筑結構建成后的實際自振頻率往往會與設計階段的有限元分析結果有較大差別，這些差別一般不會對結構的安全性造成影響，但卻可能引發(fā)結構振動舒適度問題，或?qū)е陆Y構振動控制裝置失效[29]。本例再次表明，即使對于中低層建筑，開展結構模態(tài)測試對有限元模型的修正和結構振動控制均有實際意義。

在測定結構基頻后，實驗人員A，B在節(jié)拍器的引導下，按照此頻率分別各自獨立及協(xié)同地進行擺動激振，實測結構動力響應時程如圖12所示。

實測響應時程清晰地顯示，只需很小質(zhì)量的HS（約90 kg，為結構總質(zhì)量的0.0014%）就能明顯激發(fā)結構的共振響應，兩位測試者共同激勵時的結構響應峰值則高達3 mm/s2。對于如此小的人與結構質(zhì)量比，通常認為此時人與結構的相互作用可以忽略[30-32]，可認為公式（2）在運動的樓面和實驗室的靜止地面上均可適用且有相同的參數(shù)。

利用上圖中時程后半段的結構自由衰減響應，采用指數(shù)衰減法估算結構的阻尼比[33] δ=lnAiAi+1=πξ1-ξ2

（7）式中 δ為對數(shù)衰減率，Ai和Ai+1為加速度響應衰減段相鄰兩個正波峰的峰值，ξ為結構阻尼比。 ?計算得結構該階模態(tài)的阻尼比為2.58%，與文獻[28]中的測試值3.18%接近。

4.4 結構振型參與質(zhì)量識別與分析

由測試者A的標定結果（如圖8所示）線性插值，可得對應激勵頻率1.625 Hz的R=0.727。同時，Opal記錄到的激振過程中C7點的加速度時程如圖13所示。將以上數(shù)據(jù)代入公式（2）則可重構出HS的激振力時程。

為識別結構本階振型的參與質(zhì)量，可假定結構為單模態(tài)控制的單自由度體系，利用已識別的自振頻率、阻尼比和外荷載，通過不斷地調(diào)整假定的結構質(zhì)量進行時程分析，模擬加速度響應與實測結構響應的RMS值最接近時所對應的質(zhì)量則為所求結構該階模態(tài)的參與質(zhì)量。

模擬過程如下圖14所示。結果表明，結構橫向一階振動對應的振型參與質(zhì)量約為4530 t，與該樓理論分析結果4594.66 t誤差僅為1.41%，證明利用HS進行結構振型參與質(zhì)量估算有較高的準確性。

5 結 論

5.1 小 結 ?本研究提出了將人致荷載從“防”到“用”的Human Shaker（HS）測試新方法，并且以側向擺動荷載為對象，開展了HS的實施步驟、荷載重構和實例應用的研究，得到如下結論：

（1）人體單剛體模型對于擺動的側向地反力重構有較好的效果，但不同實驗人員的質(zhì)量參與系數(shù)略有差別，實際應用HS時建議對固定測試人員進行系數(shù)標定。本研究中標定的R值（對應0.25-2.0 Hz范圍）可供參考;

（2）對于擺動激勵，在人體額頭、C7頸椎、胸骨中點、肚臍、下背部、腳面等特征點中，額頭、C7頸椎和胸骨處測得的加速度的地反力重構效果較好，結合工程實際及豎向激振需求，建議將智能可攜帶設備固定在C7頸椎處進行加速度測量;

（3）對一棟典型辦公樓的HS激振實測和參數(shù)識別結果表明，合適頻率的人致荷載對結構有較好的激振效果，所測得的結構頻率、阻尼比與傳統(tǒng)方法的測試值較為接近，振型參與質(zhì)量測試值與有限元模型近似，且測試過程簡便易重復。

5.2 討 論

研究和應用過程表明，結構的實際動力特性與設計階段的理論分析結果可能存在較大差別，往往需要在完工后進行動力特性的現(xiàn)場測試。與傳統(tǒng)的結構模態(tài)測試方法相比，利用可穿戴傳感器的HS測試方法具有無需繁雜沉重的設備、不影響原有結構布置、測試過程方便快捷、可重復性強、適合低頻或柔性結構的測試等優(yōu)點。

同時，HS方法目前還有如下的一些局限性：運動特征點與可攜帶傳感器安裝方便性之間存在一定的矛盾，理論上最佳特征點應為人體的質(zhì)心;動力測試精度取決于質(zhì)量參與系數(shù)的標定效果，對于重要建筑可采用現(xiàn)場標定的方式;出于特征共振（或倍頻共振）的要求，HS一般只能適用于特定某一階振動的激振情況。

總體來說，利用可穿戴傳感器的HS方法非常適合于中小型結構以及結構重要構件動力的快速現(xiàn)場測試，配合相關移動設備端的分析軟件開發(fā)，則可實現(xiàn)由一般工程技術人員進行結構的快速動力檢測。

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Abstract： Dynamic test of as-built civil structures is a common practice to learn the dynamic properties of real structures， to improve the accuracy of prediction methods and to update the analysis models adopted at the design stage. Large， cumbersome and power-needed mechanical shakers are generally necessary in the test to dynamically excite a structure. This test methodology， however， may not be tenable for low-rise， medium and small size buildings due to various reasons such as budget， limited installation space and power supply issue. In this study， a Human Shaker（HS） method is proposed to excite the structure by human walking， jumping and swinging motions. The excitation load and structural response are obtained from the intelligent wearable equipment and， the modal parameters of the structure are identified accordingly. A method for reconstructing the human-induced excitation load from the acceleration of characteristic points is established. Using HS application steps of wearable equipment and taking lateral swing as an example， the position of feature points and their corresponding mass participation correction coefficients are determined by experiments. HS technology is applied to the dynamic test and modal parameter identification of a practical structure. The result shows that HS technology can be used to the modal test of small and medium-sized structures conveniently and quickly.

Key words： human shaker; structural modal testing; wearable sensors; lateral acceleration; ground reaction force

作者簡介： 陳 雋（1972-），男，博士，教授。電話：（021）65985270;E-mail： cejchen@#edu.cn