工程结构动力特性及动力响应检测技术规程

1工程结构动力特性及动力响应检测技术规程本规程适用于工程结构动力特性及受振动源激励下动力响应的检测，动力特性包括结构固有频率、阻尼比和振型等结构参数的检测，动力响应包括位移、速度、加速度等参数的检测。按本规程进行动力检测时，除应遵守本规程的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB50144《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50190《工业建筑振动控制设计标准》GB50292《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50868《建筑工程容许振动标准》GB51008《高耸与复杂钢结构检测与鉴定标准》GB6722《爆破安全规程》GB/T50152《混凝土结构试验方法标准》GB/T50165《古建筑木结构维护与加固技术标准》GB/T50344《建筑结构检测技术标准》GB/T50355《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》GB/T50452《古建筑防工业振动技术规范》GB/T50621《钢结构现场检测技术标准》GB/T50784《混凝土结构现场检测技术标准》GB/T10070《城市区域环境振动标准》GB/T10071《城市区域环境振动测量方法》GB/T13441.1《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》GB/T13441.2《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第2部分：建筑物内的振动（1Hz~80Hz）》GB/T14124《机械振动与冲击建筑物的振动振动测量及其对建筑物影响的评价指南》GB/T14412《机械振动与冲击加速度计的机械安装》GB/T23714《机械振动与冲击结构状态监测的性能参数》GB/T23717.1《机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第1部分：测量与评价》GB/T23717.2《机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级》JGJ/T101《建筑抗震试验规程》JGJ/T170《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》JGJ/T441《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JTG/TJ21-01《公路桥梁荷载试验规程》2CJJ/T191《浮置板轨道技术规范》CJJ/T233《城市桥梁检测与评定技术规范》TB/T3152《铁路环境振动测量》HJ/T403《建设项目竣工环境保护验收技术规范城市轨道交通》3术语和定义、符号3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1.1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。3.1.2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。3.1.3动力检测dynamicinspecting检测工程结构动力特性及受振动源激励下动力响应的现场试验。3.1.4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。3.1.5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。3.1.6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。3.1.7横向灵敏度transversesensitivity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，一般应小于5%。3.1.8相位差phasedifference不同两信号的相位谱中，同一谐波频率下的相位角之差。3.1.9信噪比S/Nsignaltonoiseratio表示放大器在规定输入电压下的输出信号电压，与输入电压切断时输出所残留信号电压之比，常用分贝数dB表示。3.1.10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。3.1.11环境激励法ambientexcitationmethod利用结构周围随机激励引起的振动来识别结构动力特性的一种方法。3.1.12初速度法initialvelocitymethod对检测对象施加初速度使之振动而测定其动力性能的方法。3.1.13初位移法initialdisplacementmethod对检测对象施加初位移然后突然释放使之振动而测定其动力性能的方法。3.2主要符号下列符号适用于本文件。f——频率o——圆频率或角频率a——加速度v——速度y位移k刚度m——质量ξ阻尼比fm信号最高频率分量fs采样频率fn功率谱函数中结构的固有频率VLZZ振级VLZeqZ振级等效值VLZmaxZ振级最大值VLZminZ振级最小值VLZn累积百分Z振级4基本规定4.1在下列情况下，应进行动力检测：4a)结构振动响应较大，或可能产生共振现象；b)上部承重结构整体或局部有明显振动且引起使用者对结构安全担心时，或已对人体舒适度、设备仪器正常工作以及结构正常使用产生不利影响时；c)结构整体或局部承受超过设计要求的外加动荷载或作用。4.2在下列情况下，可仅进行动力特性检测：a)需确定实际动力性能的大型公共建筑以及复杂、重要和新型结构；b)需进行抗震加固的重点设防类、特殊设防类建筑；c)需进行抗震、抗风、工作环境或其他激励下的动力响应计算的结构；d)遭受偶然作用(如强震、爆炸、火灾、撞击等)，且需要进行安全评估的结构；e)需进行结构安全健康监测的结构；f)需通过动力参数进行结构损伤识别的结构；g)其他需要进行动力特性检测的结构。4.3检测前，宜现场调查和搜集下列资料，并编制检测方案：a)搜集被检测结构场地的地质勘察资料、竣工图或设计施工图等竣工资料；b)调查被检测结构缺陷、损伤、维修和加固等实际状况；c)调查被检测结构环境、用途及荷载等实际状况，重点调查场地及其邻近的干扰振源资料。4.4检测方案，宜包括下列内容：a)检测目的或委托方的检测要求；b)检测依据；c)检测设备及要求；d)检测内容及具体方法；e)仪器测点布置图；f)检测工作进度计划；g)所需的配合工作；h)检测中的安全措施和环保措施。4.5工程结构的动力检测宜按照下列步骤进行：a)根据检测对象及其目的，选择合适的测量参数；b)根据场地情况和检测要求布置测点；c)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，并符合《机械振动与冲击加速度计的机械安装》GB/T14412的要求，测点的布置应符合本规程第5章和第6章的相关要求；d)连接导线（包括屏蔽线和接地线），对整个测量系统进行调试；e)合理设置检测参数，包括对采样频率、数据采集时间、传感器灵敏度、数据采集系统量程等参数进行设置；f)根据检测目的和检测方法选择合适的激励方法并施加激励；g)采集数据并保存。4.6检测场地应避开外界干扰振源，测点应注意地下管道、电磁场、噪声、射线等因素的影响。在无法避开时，应采用光纤、光学振动测量等测试设备和检测方法。4.7对工程结构进行现状调查及检测时，不得对结构造成损害。4.8工程结构动力检测应委托具有相应能力的机构进行；在进行检测时，应制定安全保护措施，并满足相应设备操作安全规程和相关国家安全规程。4.9检测记录应包括下列内容：a)检测仪器的名称、型号、编号；5b)场地条件，测点布置（附简图和照片）；c)实测时程曲线、采样频率及工程单位等测试参数；d)检测过程中的情况说明；e)检测人员、审核人员、检测日期、检测单位。检测记录可参照本规程附录A使用。4.10实测电子数据应保存完整并有防止信息丢失或被篡改的可靠措施，采用光盘、硬盘、云盘等形式按相关规定存档。5仪器设备5.1动力检测系统技术要求5.1.1动力检测系统宜由激振装置、传感器、信号放大调理器及动态信号采集分析仪和软件等组合。5.1.2激振装置的选择应考虑其质量、安装方式等因素对测试结果的影响，宜选用体积小、重量轻的激振装置。5.1.3传感器应采用低频振动传感器，传感器横向灵敏度应小于0.05，下限频率应不大于0.5Hz，对测试超高层建筑、特大型桥梁等大尺度工程结构时，下限频率宜不大于0.05Hz。5.1.4信号放大调理器应符合下列要求：a)放大器应采用带低通滤波，抗混叠滤波功能的多通道放大器，信噪比应大于90dB，且低通滤波应大于24dB/oct。b)放大器频响范围：下限频率应不大于0.5Hz，对测试超高层建筑、特大型桥梁等大尺度工程结构时，下限频率宜不大于0.05Hz；上限频率应大于被测信号的频率上限的2倍。c)噪声水平折算至输入端应低于50μVrms@±5V。d)放大器动态范围应不低于100dB，宜用内置程控放大器的信号调理设备。e)多通道放大器各个通道间应无串扰，通道间串扰优于-90dB；各通道幅值和相位一致性；在频响范围内，其振幅一致性偏差应小于0.5dB，相位一致性偏差应小于0.2o。5.1.5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16位，宜采用24bit或以上的A/D转换器。5.1.6信号分析系统应具有多通道，且应具有滤波、时域分析和频域分析等功能。5.1.7采用无线传感器时，内置采集模块应符合本规程5.1.4要求，内置传感器件应符合本规程5.1.3要求，信号无障碍传输距离应大于50m，内置电池供电时间不小于30min。5.1.8无线通讯方式的选择，应根据动态数据流量和传输速率要求选择合适的传输方式和通讯协议。5.2设备维护5.2.1动力检测的测量设备应经过计量溯源并经确认满足检测工作需要。5.2.2动力检测系统在使用、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。5.2.3检测时，检测设备、仪器均应有防风、防雨雪、防晒和防振等保护措施。5.2.4仪器应具有防尘、防潮性能，其工作温度应在-20℃~50℃范围内。5.2.5对于长期监测的传感器和采集设备，应具有存储功能，根据需要配置触发、无线传输等功能。5.2.6对于无线测试传感器及设备，应根据无线设备的供电要求，宜有低电量提醒功能，并定期进行电池更换或充电。6工程结构动力特性检测66.1一般规定6.1.1工程结构动力特性检测宜采用环境激励法、初位移法及初速度法等方法进行检测。6.1.2工程结构动力特性检测系统通频带应覆盖工程结构拟测振型对应的频率。一般应用时，频率范围宜选择0.5～100Hz。6.1.3工程结构动力特性检测应遵循：a)多通道测试时，各个通道应同步采集数据；b)采样频率设定应符合奈奎斯特定律要求，宜设为拟测最高振型对应频率的3～5倍。c)采用环境激励法测试振型和频率时，采样时间不应少于10min；测量阻尼时，采样时间不应少于30min。6.2检测方法6.2.1传感器的布置应遵循以下原则：a)平动测点应在每层结构的质心附近布置传感器，扭转测点应对称布置。在刚度突变处及附近应布置传感器，层数较多时宜隔层布置，且尽量布置在可以避开人为干扰的位置；b)传感器布置的数量与拟测振型相关，试验前宜根据理论计算的振型合理设置测点数量；c)检测水平向构件的垂直向振动时，宜将测点布置在构件跨中位置，需要得到构件的多阶振型时，宜等间距布置多个测点；d)桥梁结构的测试截面，一般可根据桥梁规模按跨径8等分或16等分简化布置，桥塔或高墩，宜按高度分3～4个节段分段布置；e)当需要作多次测试时，可采用移动测点法测试，每次测试中应至少保留一个共同的参考点；f)检测方向、传感器相位、各楼层或测试截面上测点平面位置均应一致。6.2.2根据检测目的，选择合适的传感器布置方向。建筑结构动力特性试验宜包括水平向及扭转工况，对其内部水平构件可选择竖向；烟囱、塔桅等高耸结构可仅测试水平向工况；桥梁结构应包括竖平面内弯曲、横向弯曲及扭转工况，且应根据试验目的和需要确定测试纵桥向竖平面内弯曲试验。6.2.3数据采集过程中发现有较大的干扰时，应增加采样时间或排除干扰后重新采集数据。6.2.4高层建筑、烟囱、塔桅、大型桥梁等结构检测宜采用无线采集系统或串联型分布式采集系统，避免长线缆的扰动影响。6.3数据处理6.3.1工程结构动力特性检测数据应进行以下预处理：a)信号标定；b)消除趋势项；c)滤波处理。6.3.2采用FFT进行频谱分析时，信号应加窗函数处理。采用环境激励法测量时，对于测量时间小于1h的信号，采用FFT进行频谱分析时，信号重叠率宜大于50%。6.3.3工程结构动力特性参数的识别应根据检测方法选择采用频域识别法、时域识别法或时频域识别法。6.3.4采用频域峰值法确定结构固有频率应符合下列规定：a)自功率谱或幅值谱峰值处对应的频率；b)互功率谱（或传递函数）时，相干函数值局部最大处对应的频率，对于1阶固有频率处的相干函数值应接近于1；c)互功率谱（或传递函数）时，输入输出信号相位近似同相位或反相位处对应的频率。6.3.5阻尼比宜按照半功率带宽法确定。76.3.6振型函数应该按照下列规定确定：当各个模态的固有频率分布离散，且结构阻尼比相对较小时，振型之比可由下式得出：φkiφ（6.3.6）=Gaapkφkiφ（6.3.6）=Gaapp）i式中：φki、φpi—分别为固有频率i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i处的相位来确定。功率谱密度函数、频响函数、相干函数以及其它相关振动信号特征值的计算可参考本规程附录B。6.3.7时域识别法采用的原始数据应为结构的自由振动响应，宜选用单参考点复指数法、随机子空间法或特征系统实现法进行分析。6.3.8复杂结构的动力特性参数，可采用时频域识别方法进行模态分析。7工程结构动力响应检测7.1一般规定7.1.1当需要考虑振动对工程结构安全和正常使用的影响时，应进行调查工作，并应符合下列规定：a)应查明振源的类型、频率范围及相关振动的情况；b)应查明振源与被检测工程结构的地理位置、相对距离及场地地质情况。7.1.2工程结构动力响应检测前应根据待测振动的振源特性、频率范围、幅值、动态范围、持续时间等因素制定合理的检测方案，便于测试获得足够的振动数据；桥梁结构动力响应测试应包括无障碍行车试验、有障碍行车试验、制动试验。7.1.3桥梁结构动力响应测试应包括动挠度、动应变、振动加速度、速度及冲击系数，其余结构动力响应检测，宜根据不同的振源类型按表1选择测量参数。表1各振源类型对应的测量参数振源类型测量参数交通运输速度爆破速度打桩速度室内机械速度或加速度室外机械速度或加速度人的活动速度或加速度7.1.4动力响应检测前，应估计被测量参数的最大值，然后调整采集系统的量程。预估测量最大值宜为量程的二分之一到三分之二之间，以保证采集的信号不失真。7.1.5工程结构动力响应检测应根据振源类型选择不同频响范围、量程和灵敏度的传感器。7.1.6动力响应检测采样频率应符合奈奎斯特采样定律要求，宜为拟测最高频率的8～10倍。7.2检测方法7.2.1测点的选择应具有代表性，能够使检测结果正确反映所代表区段的振动状况，测点布置应符合下列要求：a)应根据振源影响范围、传播方向、振动衰减规律布置测点。离振源近时测点间距离小，离振源远时测点间距离可逐渐增大；8b)检测因交通运输、打桩、爆破所引起的结构振动，其检测点位置应设在顶层楼面标高、基础上或设置在底层平面主要承重外墙或柱的底部；c)检测因振动对历史建筑结构的影响时，其检测点位置宜设在承重结构最高处；d)环境振动检测点应置于各类区域建筑物室外0.5m以内振动敏感处。必要时，测点置于建筑物室内地面中央；检测城市轨道交通列车引起建筑物振动时，室内测点应不少于3个；e)检测住宅建筑室内振动对居住者的干扰，对面积不大于20m2的房间，应至少选取1个测点，测点应选在人员主要活动区域地面振动敏感位置，当振动敏感位置无法确定时，测点应在室内地面中央；对面积大于20m2的房间，应至少选取3个测点，测点应选在人员主要活动区域地面振动敏感位置，当振动敏感位置无法确定时，测点应在室内地面均匀分布；f)检验浮置板减振效果的测点应设在轨旁，地下线路测点应设在隧道壁，测量铅垂向振动的传感器安装高度应在轨面1.25m±0.25m的范围内；地面线路测点应布置在距离浮置板轨道中心线1.50m的路基上；高架线路测点布置应在紧临浮置板轨道一侧的桥面，距离轨道中心线1.50m±0.25m；g)在测试桥梁结构行车响应时，应选择桥梁结构振动响应幅值最大部位为测试截面。简单结构宜选择跨中1个测试截面，复杂结构应增加测试截面。用于冲击效应分析的动挠度测点每个截面应至少1个。采用动应变评价冲击效应时，每个截面在结构最大活载效应部位的测点数不宜少于2个。7.2.2传感器的安装应符合下列要求：a)传感器应宜采用胶接或者机械连接等方式安装于平坦、坚实的被测表面，不应安装于草地、沙地、雪地或地毯等松软的地面上，且不应有松动现象；b)传感器的灵敏度主轴方向应与测量的方向一致。7.3数据处理7.3.1采集数据应按本规程第5.3.1条进行信号预处理。7.3.2动力响应检测数据应根据振动的时间特征分别采用以下处理方法：a)连续振动：每个测点应取整个时域波形的振幅有效值或者最大值作为评价量；对于周期性出现的冲击振动，宜以5～10次测试时域信号最大峰值的算术平均值作为评价量；b)瞬态振动：应取每次冲击过程中的最大值作为评价量。对于重复出现的冲击振动，宜以10次测试最大值的算术平均值作为评价量。7.3.3环境振动应按照《城市区域环境振动测量方法》GB/T10071计算振动加速度级VAL。7.3.4采集的数据宜进行频谱分析，并对比结构动力特性结果与振源频谱特性判断是否产生共振。7.4检测结果7.4.1评价振动的影响，应按照下列步骤进行：a)工程结构动力响应测试；b)数据处理；c)根据测试目的选择相应评价标准；d)综合分析和评价。7.4.2工程结构动力响应的检测结果应按表2进行评价。9表2动力响应的检测结果评价检测目的评价因子评价方法评价依据评价工程结构在工业与环境振动作用下的振动控制以及振动的影响振源类型振源频率结构类型测点位置建筑结构基础和顶层楼面的振动速度时域信号应取竖向、水平向两个主轴方向，评价指标应取三者峰值的最大值及其对应的振动频率《建筑工程容许振动标准》GB50868评定振动对上部承重结构的影响振源频率结构类型振动速度为质点振动相互垂直的三个分量的最大值，频率为主振频率《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292评定城市区域环境振动振源类型振源频率建筑物区域分类振源为稳态振动时，每个测点测量一次，取5s内的平均示数作为评价量；振源为冲击振动时，取每次冲击过程中的最大示数为评价量，对于重复出现的冲击振动，以10次读数的算术平均值为评价量；振源为无规则振动时，每个测点等间隔地读取瞬时读数，采样间隔不大于5s，连续测量时间不少于1000s，以测量数据的VLz10为评价量；振源为铁路振动时，读取每次列车通过过程的最大示数，每个测点连续测量20次列车，以20次读值的算术平均值为评价量《城市区域环境振动标准》GB/T10070评价住宅建筑室内振动对居住者的干扰振源类型振源频率振动时段室内用途应根据振动类别采用不同的评价量测量与评价Z振级：冲击振动、城市轨道交通振动以及铁路交通振动测量评价应采用Z振级最大值；其他类型振动测量评价量应采用Z振级等效值。《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》GB/T50355评价工程爆破引起的结构动力响应振源频率结构类型采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度（质点振动相互垂直的三个分量的最大值）和主振频率（根据现场实测波形确定，或按照《爆破安全规程》GB6722取值）《爆破安全规程》GB6722评价工业振动对古建筑结构的影响保护级别结构类型弹性波的传播速度当结构对称时，可按任一主轴水平方向测试；当结构不对称时，应按各个主轴方向分别测试。《古建筑防工业振动技术规范》GB/T50452评价浮置板轨道减振效果线路类型线路条件钢轨和扣件类型选取线路条件（包括地质条件、线路曲线半径、钢轨类型、轨道不平顺、轨面状态、隧道断面、隧道埋深、路基或桥梁结构等）、钢轨和扣件类型应与浮置板轨道相同或相似的普通地段为参照系，应借助参照系相同测点的测量结果，通过比较得出浮置板轨道的减振效果《浮置板轨道技术规范》CJJ/T评价城市轨道交通引起建筑物的振动振源频率建筑物区域分类测量的铅垂向振动加速度按照规定的1/3倍频程中心频率的计权因子进行数据处理，按计权因子修正后得到各中心频率的振动加速度级，而采用的评价量应为1/3倍频程中心频率上的最大振动加速度级《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》JGJ/T检测目的评价因子评价方法评价依据评价建筑楼盖结构振动舒适度振源类型振源频率结构类型使用类别根据实测数据与标准限值对比，评估峰值加速度是否满足振动舒适度要求；连续振动的采样时间不宜少于1000s，测量铁路或城市轨道交通振动时，不宜少于20趟列车，冲击振动采集不应少于10次《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》JGJ/T441评价桥梁结构技术状况和承载能力行车速度激励方式比较实测冲击系数与设计所用的冲击系数，实测值大于设计值时分析原因《公路桥梁荷载J21-018检测报告8.0.1检测报告应包括以下内容，并应符合《建设工程质量检测技术管理规程》DB32/T4303的规定。a)工程概况、项目委托、地理位置和地形条件、测点布置、振动源、检测工况等信息；b)检测目的和要求；c)检测仪器与检测方法；d)检测日期、天气、异常现象、环境情况和明显缺陷等情况；e)检测依据；f)检测结果；g)检测结论与建议；h)附图与附表；i)其他信息。8.0.2检测报告应重点突出、文理通顺、表达清楚、结论正确、信息完整。（资料性）动力检测原始记录A.1结构动力特性记录可参照表A.1执行。表A.1结构动力特性检测原始记录表工程项目工程地址委托单位委托日期合同编号检测仪器检测依据检测日期采集仪通道号导线编号传感器编号检测位置检测方向测点位置示意图建筑层数地下：地上：测点布置楼层结构类型□木结构□砖木□砌体□底框□砼框架□剪力墙□框架-剪力墙□框架-核心筒□排架□钢框架□门式刚架□其它：检测环境条件数据存储方式检测单位检测：审核：A.2结构动力特性记录可参照表A.2~A.4执行。A.2表A.2环境振动（无规则振动）检测原始记录表工程项目 委托单位 合同编号检测依据工程地址 委托日期 检测仪器检测日期编号采样时间VLz-min（dB）VLz-max（dB）VLz10（dB）123456789测点位置示意图地面状况主要振源检测单位检测：审核：表A.3环境振动（铁路振动）检测原始记录表工程项目 委托单位 合同编号检测依据工程地址 委托日期 检测仪器检测日期数据记录VLz，dB序号客/货/机车上/下行VLz序号客/货/机车上/下行VLz12345678920测点位置示意图地面状况检测单位检测：