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(yàn)檢測(cè)中心有限公司 山東濟(jì)南 250109)

0 引言

振動(dòng)測(cè)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(diǎn)的振動(dòng)，通過對(duì)建筑物聲學(xué)環(huán)境的檢測(cè)，評(píng)估噪聲的影響；對(duì)于精密機(jī)械制造等高科技項(xiàng)目，可以通過微振動(dòng)測(cè)試，評(píng)價(jià)周邊環(huán)境振動(dòng)對(duì)場(chǎng)地的影響[1]；對(duì)于基坑及新建的道路工程地基處理，可以通過振動(dòng)測(cè)試，評(píng)價(jià)道路施工振動(dòng)對(duì)周邊建筑物及地下管線的影響；通過對(duì)交通振動(dòng)測(cè)試，評(píng)估振動(dòng)對(duì)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(dòng)測(cè)試提供地基動(dòng)力特性參數(shù)。對(duì)于房屋、橋梁等土木工程結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量其在自然環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算分析各階振動(dòng)頻率，也可計(jì)算出結(jié)構(gòu)物模態(tài)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)物狀況進(jìn)行評(píng)估。

1 振動(dòng)測(cè)試類型

振動(dòng)測(cè)試主要是對(duì)工程中所產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析振動(dòng)的特征，及其對(duì)場(chǎng)地或振動(dòng)源周邊建筑物產(chǎn)生的影響。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)類型的不同，振動(dòng)測(cè)試大致可以分為微振動(dòng)測(cè)試、環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試、工程(施工)振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試、結(jié)構(gòu)物自振特性測(cè)試[1]。

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

環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試是對(duì)精密加工車間、廠房?jī)?nèi)的裝置，是測(cè)試周邊環(huán)境振動(dòng)的影響，強(qiáng)度通常在納米或微米級(jí)別。該級(jí)別的振動(dòng)能夠影響精密儀器設(shè)備或儀表的測(cè)量精度，也能影響精密儀器的加工精度。實(shí)際工程中，應(yīng)測(cè)試其影響大小。若振動(dòng)影響超過規(guī)范或設(shè)備規(guī)定的允許值，必須對(duì)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(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試，主要針對(duì)施工時(shí)各種機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)，對(duì)施工場(chǎng)地周邊的建筑、設(shè)備等的影響進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。此類振動(dòng)容易被感知，振動(dòng)的強(qiáng)度通長(zhǎng)處于毫米級(jí)別。常見的工程應(yīng)用是地基處理如打樁、施工強(qiáng)夯(或柱夯)進(jìn)行地基處理時(shí)，對(duì)地下管線或者周邊建筑物的影響；爆破施工(如隧道)對(duì)周邊環(huán)境、建筑物的影響。

結(jié)構(gòu)物自振特性測(cè)試包括橋梁、房屋、大壩等結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)特性測(cè)試，是在自然環(huán)境激勵(lì)下，通過結(jié)構(gòu)物上測(cè)點(diǎn)布設(shè)，測(cè)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(shí)測(cè)值對(duì)比分析，能評(píng)估結(jié)構(gòu)物健康狀況。

2 振動(dòng)測(cè)試的方法

(1)傳感器安裝方法

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

安裝方式：傳感器安裝時(shí)，應(yīng)直接將傳感器安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)物上。考慮到實(shí)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(cè)試拱橋拱肋、斜拉橋索塔等結(jié)構(gòu)物時(shí)，安裝工件會(huì)帶來一些寄生振動(dòng)。為減少這種寄生振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響，應(yīng)保證安裝工件的自振頻率是被測(cè)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)頻率的5～10倍以上。

安裝平面要求：安置拾振器時(shí)保證其與地面的緊密接觸，連接牢固，測(cè)試過程中不能有任何松動(dòng)。因此，要求測(cè)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(cè)方向一致，否則會(huì)造成測(cè)量幅值誤差。此外，在橋梁、建筑結(jié)構(gòu)物模態(tài)測(cè)試時(shí)，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(cè)點(diǎn)傳感器方向應(yīng)一致，避免模態(tài)擬合時(shí)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(shí)，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(cè)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(dòng)成分[2]。

(2)傳感器選擇

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

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

每一種傳感器有其自身適用的場(chǎng)合，在測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試結(jié)構(gòu)及測(cè)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(gè)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(cè)點(diǎn)布置

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

幅值測(cè)量：測(cè)量時(shí)傳感器安裝位置應(yīng)位于振動(dòng)明顯的關(guān)鍵位置。當(dāng)規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)按規(guī)范要求布置。如：測(cè)試施工振動(dòng)對(duì)樓體結(jié)構(gòu)影響時(shí)，測(cè)點(diǎn)布在基礎(chǔ)頂面和樓頂位置。

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

(4)測(cè)試時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)

測(cè)試時(shí)機(jī)的選擇，不同的測(cè)試工程類型有不用的測(cè)試要求。地脈動(dòng)測(cè)試或結(jié)構(gòu)物模態(tài)的測(cè)試，一般選擇在夜間安靜的時(shí)段進(jìn)行，目的是排除人類活動(dòng)干擾的影響。測(cè)試時(shí)，應(yīng)記錄不少于2次的振動(dòng)數(shù)據(jù)，每次的數(shù)據(jù)采集時(shí)間不少于15 min；橋梁模態(tài)測(cè)試時(shí)，每一批次測(cè)試時(shí)間建議不少于30 min。精密設(shè)備和廠房的振動(dòng)環(huán)境測(cè)試，應(yīng)對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行24 h振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以掌握整個(gè)廠房周邊的微振動(dòng)環(huán)境特性。

工程(施工)振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試應(yīng)測(cè)試在整個(gè)施工周期內(nèi)，被測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況。如：強(qiáng)夯施工應(yīng)測(cè)試1～3個(gè)夯點(diǎn)的完整夯擊過程下的振動(dòng)；爆破施工振動(dòng)測(cè)試，應(yīng)測(cè)試在爆破開始至結(jié)束時(shí)的完整過程的振動(dòng)情況。

結(jié)構(gòu)物自振特性測(cè)試時(shí)，若采用的自然激勵(lì)法(無(wú)強(qiáng)迫振動(dòng))，每測(cè)點(diǎn)(批次)應(yīng)測(cè)試不少于30 min的數(shù)據(jù)，測(cè)試應(yīng)盡量保證周圍無(wú)施工、機(jī)械等振動(dòng)源。

3 不同振動(dòng)測(cè)試的評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)工程(施工)振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試

依據(jù)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)施工振動(dòng)測(cè)試時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頂面和頂層布置測(cè)點(diǎn)，如表1所示。應(yīng)測(cè)試豎向和兩個(gè)水平方向，時(shí)域信號(hào)應(yīng)取3個(gè)傳感器峰值的最大值，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。建筑施工振動(dòng)對(duì)建筑物影響評(píng)價(jià)頻率范圍為1Hz～100Hz[3]。

表1 振動(dòng)傳感器測(cè)試內(nèi)容表

評(píng)價(jià)中所涉及的振動(dòng)頻率是3個(gè)傳感器所測(cè)時(shí)域曲線最大峰值處對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱頻率，其值如圖1所示，取為1/T0。

圖1 振動(dòng)速度分量時(shí)域信號(hào)

(2)環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)價(jià)測(cè)試

外界環(huán)境的振動(dòng)是一種平穩(wěn)隨機(jī)的過程，本身還有豐富的簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率無(wú)法確保儀器及設(shè)備正常工作，對(duì)外界環(huán)境中存在各種不同頻率的振動(dòng)幅值進(jìn)行限制，以減弱因共振造成的影響。因此，容許振動(dòng)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?yàn)閷?duì)于隨機(jī)振動(dòng)，用峰值描述難以反映隨機(jī)振動(dòng)的特性，采用均方根值有利于數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)及比對(duì)。因此，采用1/3倍頻程帶寬的能量，來描述隨機(jī)振動(dòng)幅值大小[3]。

(3)結(jié)構(gòu)物自振特性測(cè)試

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)，也稱為結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)或振動(dòng)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(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參考的方法，主要有自由振動(dòng)衰減法、強(qiáng)迫振動(dòng)衰減法和環(huán)境激勵(lì)振動(dòng)衰減法等。自由振動(dòng)衰減法和強(qiáng)迫振動(dòng)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(jī)振動(dòng)是基于概率統(tǒng)計(jì)的一種方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試簡(jiǎn)單，隨著計(jì)算機(jī)處理的優(yōu)勢(shì)，開始進(jìn)入橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域。

4 工程實(shí)例

(1)濟(jì)南某道路強(qiáng)夯施工對(duì)周邊樓房影響測(cè)試

濟(jì)南市某新建道路全長(zhǎng)919 m，規(guī)劃紅線寬度40 m，本次試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)K0+930。測(cè)試在強(qiáng)夯施工時(shí)，道路附近樓體的振動(dòng)響應(yīng)，評(píng)估強(qiáng)夯施工對(duì)樓體的影響，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有強(qiáng)夯施工方案是否可行進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定，選取樓房基礎(chǔ)頂面(-2層)(測(cè)點(diǎn)A)及頂層樓頂(測(cè)點(diǎn)B)作為振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)振動(dòng)傳感器，測(cè)試3個(gè)振動(dòng)方向，如圖2所示。

(a)測(cè)點(diǎn)A (b)測(cè)點(diǎn)B圖2 測(cè)點(diǎn)布置

其中測(cè)點(diǎn)A振幅最大值為3#傳感器(水平向)所測(cè)值，測(cè)點(diǎn)B振幅最大值為1#傳感器(豎向)所測(cè)值。拾取測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)B最大峰值，計(jì)算標(biāo)稱頻率，結(jié)果如表2所示。

表2 振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果表

《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868-2013)規(guī)定強(qiáng)夯施工對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響,在時(shí)域范圍內(nèi)容許振動(dòng)值見表8.0.2-2。測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)B振動(dòng)速度所測(cè)最大值分別為0.6405 mm/s、0.7238 mm/s，均小于規(guī)范限值，強(qiáng)夯施工可以按原方案進(jìn)行。

(2)淄博某系桿拱橋模態(tài)測(cè)試

淄博某跨線橋主橋?yàn)樗拈袄叩男笨渴较鲁惺较禇U拱橋，計(jì)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(jì)17對(duì)。為評(píng)估該橋的自振特性，在橋面布設(shè)磁電式拾振器，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)，并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)狀況。

結(jié)構(gòu)自振特性包括自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的頻率及振型等，它反應(yīng)的結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性,是進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)算模型，采用Lanczos迭代法進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得到橋跨結(jié)構(gòu)各階自振頻率和對(duì)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(dòng)測(cè)點(diǎn)，縱向單側(cè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)(部分吊桿處)，共計(jì)18個(gè)測(cè)點(diǎn)，1#～3#測(cè)點(diǎn)選作參考點(diǎn)，測(cè)試橋面豎向及水平振動(dòng)模態(tài)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布圖

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

表3 橋梁實(shí)測(cè)與理論模態(tài)分析對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)測(cè)試在工程實(shí)踐中的應(yīng)用較為普遍。根據(jù)測(cè)試內(nèi)容的不同，振動(dòng)測(cè)試在數(shù)據(jù)采集、判定指標(biāo)、計(jì)算分析評(píng)估等方面也存在著不同。對(duì)濟(jì)南道路強(qiáng)夯振動(dòng)時(shí)周邊樓體振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)試，兩測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于規(guī)范限值；對(duì)淄博某拱橋模態(tài)測(cè)試分析，實(shí)測(cè)豎向一階頻率大于理論值，橋梁剛度實(shí)測(cè)值好于理論值，建立了橋梁模態(tài)檔案，對(duì)后期檢查養(yǎng)護(hù)具有重要參考價(jià)值。