振動測試技術(shù)研究與工程應(yīng)用

岳增峰 劉近龍

(1.山東恒信建設(shè)監(jiān)理有限公司 山東濟(jì)南 250014;2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗檢測中心有限公司 山東濟(jì)南 250109)

0 引言

振動測試在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，作用也越來越重要。聲波在環(huán)境中傳播引起傳播介質(zhì)(如空氣)質(zhì)點的振動，通過對建筑物聲學(xué)環(huán)境的檢測，評估噪聲的影響；對于精密機械制造等高科技項目，可以通過微振動測試，評價周邊環(huán)境振動對場地的影響[1]；對于基坑及新建的道路工程地基處理，可以通過振動測試，評價道路施工振動對周邊建筑物及地下管線的影響；通過對交通振動測試，評估振動對建筑結(jié)構(gòu)及建筑物內(nèi)人體舒適性影響；在巖土工程勘察方面，可通過微振動測試提供地基動力特性參數(shù)。對于房屋、橋梁等土木工程結(jié)構(gòu)，通過測量其在自然環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)，計算分析各階振動頻率，也可計算出結(jié)構(gòu)物模態(tài)，從而對結(jié)構(gòu)物狀況進(jìn)行評估。

1 振動測試類型

振動測試主要是對工程中所產(chǎn)生的振動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，分析振動的特征，及其對場地或振動源周邊建筑物產(chǎn)生的影響。根據(jù)振動信號類型的不同，振動測試大致可以分為微振動測試、環(huán)境振動影響評價測試、工程(施工)振動影響評價測試、結(jié)構(gòu)物自振特性測試[1]。

微振動是由潮汐、海浪、氣象變化、交通運輸、機器設(shè)備等引起的波動，通常稱為地脈動或常時微動，振幅一般為小于幾微米的微弱振動。

環(huán)境振動影響評價測試是對精密加工車間、廠房內(nèi)的裝置，是測試周邊環(huán)境振動的影響，強度通常在納米或微米級別。該級別的振動能夠影響精密儀器設(shè)備或儀表的測量精度，也能影響精密儀器的加工精度。實際工程中，應(yīng)測試其影響大小。若振動影響超過規(guī)范或設(shè)備規(guī)定的允許值，必須對精密儀器儀表、設(shè)備等采取隔振或其他有效的保護(hù)措施。

工程(施工)振動影響評價測試，主要針對施工時各種機械設(shè)備產(chǎn)生的振動，對施工場地周邊的建筑、設(shè)備等的影響進(jìn)行測試評價。此類振動容易被感知，振動的強度通長處于毫米級別。常見的工程應(yīng)用是地基處理如打樁、施工強夯(或柱夯)進(jìn)行地基處理時，對地下管線或者周邊建筑物的影響；爆破施工(如隧道)對周邊環(huán)境、建筑物的影響。

結(jié)構(gòu)物自振特性測試包括橋梁、房屋、大壩等結(jié)構(gòu)物的振動特性測試，是在自然環(huán)境激勵下，通過結(jié)構(gòu)物上測點布設(shè)，測試結(jié)構(gòu)物的自振特性，并可分析出結(jié)構(gòu)物模態(tài)。通過理論值與實測值對比分析，能評估結(jié)構(gòu)物健康狀況。

2 振動測試的方法

(1)傳感器安裝方法

上述幾種類型的振動測試，除結(jié)構(gòu)物自振特性測試根據(jù)結(jié)構(gòu)物特點及測試目的確定外，現(xiàn)場大都采用三分量測試方式，即測試兩個水平向和一個垂直向[1]。

安裝方式：傳感器安裝時，應(yīng)直接將傳感器安裝在被測結(jié)構(gòu)物上?？紤]到實際工程中受結(jié)構(gòu)物條件所限，傳感器安裝工件必不可少。如測試拱橋拱肋、斜拉橋索塔等結(jié)構(gòu)物時，安裝工件會帶來一些寄生振動。為減少這種寄生振動對測試結(jié)果影響，應(yīng)保證安裝工件的自振頻率是被測結(jié)構(gòu)物振動頻率的5～10倍以上。

安裝平面要求：安置拾振器時保證其與地面的緊密接觸，連接牢固，測試過程中不能有任何松動。因此，要求測試結(jié)構(gòu)安裝表面平整，不能有油污、塵土、雜屑等[2]。

安裝方向：傳感器安裝方向應(yīng)與待測方向一致，否則會造成測量幅值誤差。此外，在橋梁、建筑結(jié)構(gòu)物模態(tài)測試時，水平方向傳感器方向應(yīng)格外注意，不得隨意擺放，且不同批次測點傳感器方向應(yīng)一致，避免模態(tài)擬合時存在方向相反情況。

安裝方式：當(dāng)用膠、橡皮泥等材料粘結(jié)時，應(yīng)沿垂直膠粘平面方向用力按壓傳感器，保證傳感器與被測結(jié)構(gòu)物連接緊密，使傳感器底部的膠形成較薄的一層，避免粘結(jié)層太厚阻隔高頻振動成分[2]。

(2)傳感器選擇

《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定，振動測試時，應(yīng)根據(jù)測試對象的容許振動值采用的物理量及振動頻率范圍，選擇相應(yīng)的傳感器，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

對于機械設(shè)備振動測試宜采用加速度傳感器；當(dāng)測試振動信號頻率范圍較小(一般為土木結(jié)構(gòu)，不大于10 Hz時)，建議選用位移型或者速度型的傳感器(如磁電式拾振器)；對于寬頻帶沖擊機器的振動測試，宜選用位移型和速度型傳感器同時進(jìn)行測試。

每一種傳感器有其自身適用的場合，在測試時，應(yīng)根據(jù)測試結(jié)構(gòu)及測試內(nèi)容選取最適宜的傳感器。傳感器的選擇應(yīng)從其性能、環(huán)境、電氣及物理特性4個方面去考慮。傳感器的性能，應(yīng)包括頻響特性，線性度、諧振頻率、橫向效應(yīng)、量程和靈敏度等指標(biāo)；物理特性包括尺寸、敏感材料、重量等；環(huán)境因素包括溫度響應(yīng)、沖擊極限等[3]。

(3)測點布置

傳感器的安裝位置及測量位置。安裝位置總原則是：能反映出被測結(jié)構(gòu)的振動特性，滿足測試要求。一般說來，振動測量分以下幾類：幅值測量、固有頻率測量、傳遞率測量、模態(tài)測試和其他類型測量等。

幅值測量：測量時傳感器安裝位置應(yīng)位于振動明顯的關(guān)鍵位置。當(dāng)規(guī)范規(guī)定時，應(yīng)按規(guī)范要求布置。如：測試施工振動對樓體結(jié)構(gòu)影響時，測點布在基礎(chǔ)頂面和樓頂位置。

模態(tài)測試：對于橋梁結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)振動測試，有時要求分析其結(jié)構(gòu)模態(tài)。結(jié)構(gòu)模態(tài)測試時，傳感器位置(即測點位置)分為兩種，一種是普通模態(tài)測點，另一種是模態(tài)測試參考點。模態(tài)測試參考點應(yīng)避開振型測試節(jié)點的位置，普通的模態(tài)測點在結(jié)構(gòu)物上均勻布置，有的測點肯定位于模態(tài)測試的節(jié)點，模態(tài)擬合后能夠反映出振型節(jié)點的位置[2]。

(4)測試時機和時長

測試時機的選擇，不同的測試工程類型有不用的測試要求。地脈動測試或結(jié)構(gòu)物模態(tài)的測試，一般選擇在夜間安靜的時段進(jìn)行，目的是排除人類活動干擾的影響。測試時，應(yīng)記錄不少于2次的振動數(shù)據(jù)，每次的數(shù)據(jù)采集時間不少于15 min；橋梁模態(tài)測試時，每一批次測試時間建議不少于30 min。精密設(shè)備和廠房的振動環(huán)境測試，應(yīng)對每個測點進(jìn)行24 h振動監(jiān)測，以掌握整個廠房周邊的微振動環(huán)境特性。

工程(施工)振動影響評價測試應(yīng)測試在整個施工周期內(nèi)，被測結(jié)構(gòu)的振動狀況。如：強夯施工應(yīng)測試1～3個夯點的完整夯擊過程下的振動；爆破施工振動測試，應(yīng)測試在爆破開始至結(jié)束時的完整過程的振動情況。

結(jié)構(gòu)物自振特性測試時，若采用的自然激勵法(無強迫振動)，每測點(批次)應(yīng)測試不少于30 min的數(shù)據(jù)，測試應(yīng)盡量保證周圍無施工、機械等振動源。

3 不同振動測試的評價指標(biāo)

(1)工程(施工)振動影響評價測試

依據(jù)《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)施工振動測試時應(yīng)在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頂面和頂層布置測點，如表1所示。應(yīng)測試豎向和兩個水平方向，時域信號應(yīng)取3個傳感器峰值的最大值，并計算其對應(yīng)的振動頻率。建筑施工振動對建筑物影響評價頻率范圍為1Hz～100Hz[3]。

表1 振動傳感器測試內(nèi)容表

評價中所涉及的振動頻率是3個傳感器所測時域曲線最大峰值處對應(yīng)的標(biāo)稱頻率，其值如圖1所示，取為1/T0。

圖1 振動速度分量時域信號

(2)環(huán)境振動影響評價測試

外界環(huán)境的振動是一種平穩(wěn)隨機的過程，本身還有豐富的簡諧振動頻率無法確保儀器及設(shè)備正常工作，對外界環(huán)境中存在各種不同頻率的振動幅值進(jìn)行限制，以減弱因共振造成的影響。因此，容許振動值一般用頻域表達(dá)，頻域一般采用1/3倍頻程中心頻率的幅值表示。因為對于隨機振動，用峰值描述難以反映隨機振動的特性，采用均方根值有利于數(shù)據(jù)的檢驗及比對。因此，采用1/3倍頻程帶寬的能量，來描述隨機振動幅值大小[3]。

(3)結(jié)構(gòu)物自振特性測試

結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)，也稱為結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的自振頻率(自振周期)、振型和阻尼比等，由結(jié)構(gòu)形式、建筑材料性能等結(jié)構(gòu)所固有的特性所決定。

以橋梁為例，測定橋梁結(jié)構(gòu)動力特性參考的方法，主要有自由振動衰減法、強迫振動衰減法和環(huán)境激勵振動衰減法等。自由振動衰減法和強迫振動衰減法是兩種應(yīng)用較早的方法，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果易于處理分析；環(huán)境隨機振動是基于概率統(tǒng)計的一種方法，現(xiàn)場測試簡單，隨著計算機處理的優(yōu)勢，開始進(jìn)入橋梁結(jié)構(gòu)的振動測試領(lǐng)域。

4 工程實例

(1)濟(jì)南某道路強夯施工對周邊樓房影響測試

濟(jì)南市某新建道路全長919 m，規(guī)劃紅線寬度40 m，本次試驗檢測點K0+930。測試在強夯施工時，道路附近樓體的振動響應(yīng)，評估強夯施工對樓體的影響，進(jìn)而對現(xiàn)有強夯施工方案是否可行進(jìn)行評估。依據(jù)《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定，選取樓房基礎(chǔ)頂面(-2層)(測點A)及頂層樓頂(測點B)作為振動測試點，每個測點布置3個振動傳感器，測試3個振動方向，如圖2所示。

(a)測點A (b)測點B圖2 測點布置

其中測點A振幅最大值為3#傳感器(水平向)所測值，測點B振幅最大值為1#傳感器(豎向)所測值。拾取測點A、測點B最大峰值，計算標(biāo)稱頻率，結(jié)果如表2所示。

表2 振動速度測試結(jié)果表

《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定強夯施工對建筑結(jié)構(gòu)影響,在時域范圍內(nèi)容許振動值見表8.0.2-2。測點A、測點B振動速度所測最大值分別為0.6405 mm/s、0.7238 mm/s，均小于規(guī)范限值，強夯施工可以按原方案進(jìn)行。

(2)淄博某系桿拱橋模態(tài)測試

淄博某跨線橋主橋為四榀拱肋的斜靠式下承式系桿拱橋，計算跨徑110 m，主拱采用變高度箱梁斷面，穩(wěn)定拱采用鋼箱斷面，吊桿采用雙層PE平行鋼絲成品吊桿，共計17對。為評估該橋的自振特性，在橋面布設(shè)磁電式拾振器，測試橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)，并與理論計算進(jìn)行對比，評估橋梁結(jié)構(gòu)狀況。

結(jié)構(gòu)自振特性包括自由振動時結(jié)構(gòu)的頻率及振型等，它反應(yīng)的結(jié)構(gòu)自身動力特性,是進(jìn)行動力分析的基礎(chǔ)。自振特性的基本分析手段是分離變量法，即把時間變量與結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變量分離后，利用特征方程具有非零解的條件，即系數(shù)行列式為零：

Det(K-λM)=0

解此關(guān)于λ的n次實系數(shù)特征方程，即可得到結(jié)構(gòu)自振頻率及相應(yīng)的振型。利用橋梁專用軟件Midas所建立的橋梁整體計算模型，采用Lanczos迭代法進(jìn)行數(shù)值分析計算，得到橋跨結(jié)構(gòu)各階自振頻率和對應(yīng)的振型圖。

在橋面兩側(cè)防撞護(hù)欄外側(cè)布設(shè)振動測點，縱向單側(cè)9個測點(部分吊桿處)，共計18個測點，1#～3#測點選作參考點，測試橋面豎向及水平振動模態(tài)，測點布置如圖3所示。

圖3 模態(tài)測試測點分布圖

對環(huán)境隨機激勵下的測試信號進(jìn)行頻譜分析，得到橋梁試驗跨的實測模態(tài)分析結(jié)果，如表3所示，以一階豎向模態(tài)為例，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實測豎向一階頻率為1.347 Hz大于理論值1.03 Hz，實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi比值為1.31，大于1.1，橋梁剛度實測值好于理論值，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)5.9.2規(guī)定，評定標(biāo)度為1。后期橋梁檢查養(yǎng)護(hù)可以本次模態(tài)測試值為基準(zhǔn)，進(jìn)行對比分析橋梁劣化狀況。

表3 橋梁實測與理論模態(tài)分析對比表

5 結(jié)語

振動測試在工程實踐中的應(yīng)用較為普遍。根據(jù)測試內(nèi)容的不同，振動測試在數(shù)據(jù)采集、判定指標(biāo)、計算分析評估等方面也存在著不同。對濟(jì)南道路強夯振動時周邊樓體振動速度進(jìn)行測試，兩測點振動速度均小于規(guī)范限值；對淄博某拱橋模態(tài)測試分析，實測豎向一階頻率大于理論值，橋梁剛度實測值好于理論值，建立了橋梁模態(tài)檔案，對后期檢查養(yǎng)護(hù)具有重要參考價值。