建筑结构振动检测中的动态测量法

陆 路，王 鹏，雍洪宝

(1.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2.淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001)

建筑结构振动检测中的动态测量法

陆 路1*，王 鹏2，雍洪宝2

(1.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2.淮安市建筑工程检测中心有限公司，江苏 淮安 223001)

建筑结构振型越高，阻尼作用造成的衰减越快，所以高振型只在振动初始才比较明显，以后则逐渐衰减，并且地震动频率接近建筑结构的低阶振型。因此，建筑抗震设计中仅考虑较低频率的几个振型。建筑结构固有频率和振型是振动检测中最常用的特征。介绍了传统的动态应变测量原理，分析了电阻式传感器在结构检测中存在问题，为了克服传统的方法的不足，介绍了使用激光多普勒测速仪远程微动测量方法、特点，并比较了激光多普勒测速仪和粒子成像测速技术的异同。

建筑结构；抗震检测；远程微力测量；激光多普勒测速仪

0 引言

工程结构一般具有生产周期长、影响因素多、经济投入高和使用寿命长等特点，建成后一般不可逆转。工程结构在建造和使用期内，在自然环境和使用环境的双重作用下，还可能遇到地震、爆炸、撞击等极端荷载作用，给安全生产、生命财产和日常生活带来威胁，就需要进行检测，对其可靠性进行科学客观的鉴定，必要时采取有效的加固和补强，提高其功能，延长其寿命。建筑材料的老化和缺陷检测方法有很多[1]，例如回弹法、超声波检测法、声发射法等。

工程结构可能长期承受动力荷载，如大坝、防波堤、码头结构等长期承受波浪等，或者偶遇地震效应、冲击振动影响，如建筑结构、桥梁工程等，为了及时的修复加固，避免严重灾害的发生，需要测试结构的振动特征，包括自振频率、振型等为修复加固工作提供可靠的数据。但对与结构的振动检测需要获得结构整体动力特征，结构固有频率和振型是抗震检测最常用的特征。本文介绍了传统应变动态测量原理，分析了电阻式传感器的不足，介绍了激光多普勒测速仪远程微动检测的方法，并比较了激光多普勒测速仪和粒子成像测速技术，明悉振动检测中存在问题，以提高结构振动检测的安全性和有效性，促进振动检测与抗震加固技术的应用与发展。

1 应变片的动态响应

结构的静、动力测试的主要任务是测量各观测点的应力。但电测中，直接测定是建筑结构上应变而非应力。把应变片粘贴在结构表面，结构物受荷载作用产生变形和应变，得出结构物在粘应变片处的应变值。用应变片测量应力形成于上世纪40年代初，经历半个多世纪的发展，虽然现在仪器性能和测试方法较早期有了很大改善，测试原理并无根本变化[2]。

当应变变化频率很高时，需要考虑应变片对构件应变的响应。由于应变片的基底和胶层很薄。应变从构件传到敏感栅的时间一般约为0.2us可以认为是立即响应，故只要考虑应变沿应变片栅长方向传播时应变片的动态响应问题。设频率为f的正弦应变波，以速度v在构件中沿应变片栅长方向传播x，

(1)

令：

(2)

应变片栅长为L，相当于弧度角2φ：

(3)

在给定的时刻t，应变沿结构表面的分布为ε(θ)=ε0sinθ，应变片中的应变为εt=ε0sinθt，由应变片测到的应变是栅长2φ范围内的平均应变：

(4)

平均应变εa与应变片中的应变εt的相对误差为

(5)

(6)

使用电阻式传感器进行结构动态检测，有较多限制：①误差的处理；②高空安装的危险性；③需要给定荷载，例如，车辆移动荷载或冲击敲击结构。为了避免以上问题，本文介绍远程微动测量方法。

2 远程微动测量方法

2.1 激光多普勒测速仪基本原理

在结构振动检测领域，由于各种原因引起的振动可以用作确定结构的固有频率。在正常情况下，由于人或者自然的原因产生的非常小的震动称为微动，如，地震波、冲击波、潮汐波、工业振动、交通噪音等。因为不需要专门的震动源，如移动的车辆或者冲击敲击结构，所以对于观测结构特征微动测量是非常安全和有效的方法。使用微动测量的方法能够容易的获得结构的动力特征，如固有频率和振型。基于上述优点，如果能够使用远程测量微动技术将能极大提高测量工作的有效性和安全性。检测一些较高的结构，如高层建筑、桥塔、高架桥、高坝等，安装传感器需要危险高空的作业[3]。另一方面，对于地震后的结构的损伤检测，可能会面临余震造成的二次灾难。如果采用远程测量技术，就不免除了危险的位置或条件下安装和拆除传感器和电线。激光多普勒测速仪(LaserDopplerVelocimeter以下简称LDV，图1)可以准确远程测量结构微动，是一种可以取代的方法。

图1 激光多普勒测速仪(Graghtec:AT0023)

LDV是一种光学测量装置，通过使用入射和反射的激光束之间的频率的差值，以检测运动目标的速度。反射光速和入射光束间的频率变化，见图2。反射光速的频率fr由下式计算：[4]

(7)

式中，λi和fi分别为入射光束的波长和频率，v是移动目标的速度，θ是激光辐射方向与物体运动方向之间的夹角。频率变化fD通过下一个等式描述：

(8)

因为λifi远远大于vcosθ，所以fD表示为：

(9)

通过上式可以得到移动目标的速度表示为

(10)

图2 反射光速和入射光束间的频率变化

2.2 LDV振动的干扰除去

LDV观测到的数据是LDV自身与测量对象间的相对速度。因此，对于一个非常小的振动测量，LDV自身的振动将会有一个显著的影响测量记录。一些在户外进行的结构检测，由于地面运动或者风荷载等因素引起的LDV自身的振动不能被忽略，见图3。

图3 远程微动测量示意图

在地震后建筑结构的损伤检测的情况下LDV自身振动的影响尤其严重，因为由于震后的重建，使检测工作在一个高噪声坏境下进行的。再如，桥梁的加固检测也是在一个高交通噪声下进行的。因此，结构微动的高精确测量必须要去除LDV自身振动的影响。文献[4]提供一个去除LDV自身振动影响的方法，图4。在LDV上安装一个震动传感器记录LDV的运动速度，是LDV在t时刻时测量到的结构上的测点和LDV的相对速度。除去LDV自身运动的影响后得到的结构测点的绝对速度表示为：

V(t)=Vs(t)+VL(t)

(11)

图4 去除LDV自身振动的影响示意图

当激光射方向与物体运动方向之间存在夹角时，结构上测点绝对速度表示为：

V(t)=(VS(t)+VL(t))/cosθ

(12)

通过对进行傅立叶变化即可得到测点频谱，通过频谱可以得到结构的固有频率。例如混凝土建筑结构，沿建筑的高层分别测量转化成频谱，可以得到固有频率对应的幅值，通过对这些测点幅值的归一化处理就可以得到振型。

2.3 LDV与PIV比较

随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，产生了PIV(ParticleImageVelocimetry)粒子成像测速技术。PIV技术的最大贡献是突破了LDV激光多普勒测速仪等空间单点测量技术的局限性，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应变率等，同时它还是一种非接触式的测量方法。

3 模拟实验

为验证方法的可靠性，实验室内浇筑一个高为0.65m的低强度直角梯形混凝土块，通过应变片测量得到的固有频率基本符合于LDV测量得到的固有频率为53Hz。为了测量振型沿高层布置5个测点，通过有限元分析得到振型和测的振型的比较结构见图5，表现出了有较好的一致性。

图5 测量振型和模拟振型对比

4 总结

建筑结构固有频率和振型是抗震检测最常用的特征。振型越高，阻尼作用造成的衰减越快，所以高振型只在振动初始才比较明显，以后逐渐衰减，因此，建筑抗振设计中仅考虑较低的几个振

型。第一振型很容易出现，高频率振型需要输入更多能量，能量输入供应次序优先给低频率振型，建筑结构抗震分析只取前几个振型就能满足要求。

电阻传感器在结构抗震检测中，尤其对高耸结构的检测显示出局限性，包括：①误差的处理难度；②高空安装的危险性；③需要给定荷载。

激光多普勒测速仪精确测量结构微动的方法，克服了其他方法的缺点，有效去除掉LDV自身振动的干扰，可以进一步提高检测精度。通过对绝对速度进行傅立叶变化即可得到测点频谱，通过频谱可以得到结构的固有频率。对固有频率对应的幅值进行归一化处理就可以得到振型。室内试验和有限元模拟取得了较为一致的结果，证明了该方法的有效性。文章还比较了LDV与PIV的不同点及相同点。

[1] 刘传雄, 雍洪宝.无损检测在土木工程中的应用[J]. 淮阴工学院学报, 2014(5):53-62.

[2] 王宏硕, 翁情达.水工建筑物(专题部分)[M]. 北京: 水利电力出版社，1991.

[3]F.Uehan,S.Tanamura.DamageinspectionmethodofRCrigidframeviaductusingnaturalfrequencyandmodeshape[J].BulletinofEarthquakeResistantStructureResearch, 2003(36):195-204.

[4]F.Uehan,K.Meguro.Developmentofnon-contactmicrotremormeasuringmethodforvibrationdiagnosesofrailwaystructure[J].JSCEJournalofEarthquakeEngineering, 2003, 27(272):35-38.

(责任编辑：蒋 华)

Dynamic Measurement Method in Building Structure Vibration Detection

LU Lu1*, WANG Peng2，YONG Hong-bao2

(1.Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology,Huai'an Jiangsu 223001, China；2.Huaian Testing Center for Construction Engineering Co., Ltd, Huai'an Jiangsu 223001, China)

The higher the mode shape of building structure, the faster the vibration decays caused by damping effect. The higher mode vibration is significant only in the initial stage and it gradually declines. The ground motion frequency is close to the low order modes of structure. Therefore, only several modes of lower frequency are considered in building seismic design. Natural frequencies and mode shapes are most commonly used to detect structure vibration characteristics. The dynamic strain measurement of traditional theory was first deduced in this paper, and the existing problems of resistance type sensor in structure detection were figured out. In order to overcome the shortcomings in traditional measuring methods, the characteristics and development direction of using laser Doppler velocimeter remote micro measurement method was introduced, including the basic principle and method to remove the influence of laser Doppler velocimeter vibration, and the similarities and differences between laser Doppler velocimeter and particle image velocimeter were described.

building structure; anti-seismic detection; remote microtremor measuring; laser Doppler velocimeter

2014-09-19

淮安市“533”拔尖人才支持项目

陆路(1982-)，男，辽宁大连人，讲师，博士，主要从事水利工程防灾减灾及风险管理研究；*为通讯作者。

TU317+

A

1009-7961(2015)01-0046-04