10.4 结构动力特性测试

10.4.1 对大跨、超高、对振动有特殊要求的混凝土结构或当动力特性对结构的可靠性评估起重要作用时，宜进行结构动力特性测试。

10.4.2 动力特性测试系统应由激励系统、传感器和动态信号采集分析系统组成。测试仪器的灵敏度和频率响应等性能指标应满足测试要求，并应在使用前对其性能指标进行校准。

10.4.3 动力特性测试项目可包括结构自振频率、振型和阻尼比等动力特性的测试以及结构受振动源激励后的位移、速度、加速度以及动应变等动力响应的测试，测试时应根据需要选择不同的测量参数。

10.4.4 动力特性测试方案应明确测试目的、主要测试内容、测试仪器和设备、测试方法以及测点布置等。测试前应大致了解振动类型、幅值和结构固有的动力特性，并预估对结构起主导作用或危害最大的主要动荷载及其特性。

10.4.5 现场动力特性测试可按下列步骤进行：

1 根据测试方案准备仪器和设备，确定合适的量测范围；

2 根据场地情况、测试要求和结构特点布置测点；

3 在测点布置传感器，传感器的主轴方向应与测点主振动方向一致；

4 连接导线(包括屏蔽线和接地线)，对整个测量系统进行调试；

5 合理设置测试参数；

6 采集数据并保存。

10.4.6 对结构自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数的测试及动力响应测试应同步量测多通道的时域曲线，采样频率应满足采样定理的要求。

10.4.7 为计算结构动力特性参数，动力特性测试数据的分析处理可采用频域分析法或时域分析法。对环境激励下的非平稳随机过程，也可同时在时、频两域进行联合分析。

10.4.8 结构动力特性和动力响应影响的评价，应根据现场的调查状况、结构及人体的容许限值，通过分析论证，提出评价意见。

条文说明

10.4.1 结构振动的影响表现在三个方面：

1 对结构的损害，如工厂振动、施工振动和交通振动等导致结构或构件的开裂、基础变形或下沉等；

2 对人体的影响，振动影响人体的舒适度甚至危害人的健康；

3 对仪器、设备的影响。

受振动影响明显的混凝土结构主要包括大跨结构、超高结构等，由于自振频率较低，振动影响显著。还有部分结构由于使用功能的原因，对振动影响提出更高的要求，需要通过动力特性测试，确定振动影响程度，便于采取相应措施。

10.4.2 结构动力特性测试可根据测试目的选择下列人工激励或天然脉动激励方式和设备：

1 激励方式

原位测试结构的自振频率、基本振型和阻尼比时，激励方式宜采用天然脉动条件下的环境激励方式，测试时应避免外界机械、车辆等引发的振动。

需要测试结构平面内多个振型时，宜选用稳态正弦扫频激振法。

需要测试结构空间振型时，宜选用多振源相位控制同步的稳态正弦扫频激振法。

2 激振设备

当采用稳态正弦扫频激振法时，宜采用旋转惯性机械起振机，也可采用液压伺服激振器。激振器的位置和激振力应合理选择，防止被测试结构的振型畸变，激振器激励位置避开结构低阶振型节点或节线。

3 量测仪器

目前动态信号采集分析系统多采用高度集成的模块化设计，集信号调理器、低通滤波器、放大器、抗混滤波器、A/D转换器等功能于一体。随着无线传输技术的发展，各种组合式测试系统还可采用无线传输的方式。

动力特性测试系统仪器中的某些原件的电气性能和机械性能会因使用程度和时间而有所变化，各类传感器、放大器和采集记录等设备需配套使用，且需要定期进行校准。校准内容主要包括灵敏度、频率响应和线性度，根据需要有时尚需进行自振频率、阻尼系数、横向灵敏度等项目的校准。仪器的校准方法有分部校准和系统校准两种，为保证各级仪器之间的耦合和匹配关系，并取得较高的精度，宜采用系统校准法。

10.4.3 本条列举了一般的动力特性测试项目，具体项目和测量参数应根据结构特点和测试目的确定。对吊车梁等承受移动荷载的结构，有时还需要测定结构的动力系数。

10.4.4 动力特性测试前应编制测试方案并进行必要的计算分析，在明确测试目的和主要项目的前提下，通过分析预估所测试参数的大致范围，以便选择合适的仪器和设备，并选择合理的测点和采样频率、数据采集时间等测试参数。

10.4.5 本条列举了一般动力特性测试的基本步骤，布置传感器时应考虑下列要求：

1 测定结构动力特性时，传感器安装的位置应能反映结构的动力特性；

2 传感器在结构平面内的布置，对于规则结构，以测试平动振动为主，测试时传感器应安放在典型结构层靠近质心位置；对于不规则结构，除测试平动振动外，尚应在典型结构层的平面端部设置传感器，测试结构的扭转振动；

3 传感器沿结构竖向宜均匀布置，且尽量避开存在人为干扰的位置；

4 传感器与结构之间应有良好的接触，不应有架空隔热板等隔离层，并应可靠固定；

5 传感器的灵敏度主轴方向应与测试方向一致；

6 当进行环境激励的动力特性测试时，如传感器数量不足需要作多次测试，每次测试中应至少保留一个共同的参考点。

现场测试保存数据后进行简单处理和分析。如实测结果与预估情况基本一致，则现场测试结束；如实测结果与预估情况相差较大，并导致不满足数据分析的要求，则需要调整仪器设备或测试参数，然后重新进行测试。

10.4.6 采样是将连续振动信号在时间上的离散化，理论上采样频率越高，所得离散信号就越逼近于原信号，但过高的采样频率对固定长度的信号，采集到过大的数据量，给计算机增加不必要的计算工作量和存储空间；若数据量限定，则采样时间过短，会导致一些数据被排斥在外。如采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，造成频率混叠。根据采样定理，不产生频率混叠的最低采样频率应为最高分析频率的2倍，结构动力特性测试的采样频率一般可取结构最高阶频率的3倍～5倍，如最高阶频率估计不准，则可取4倍～10倍。

10.4.7 计算结构动力特性参数的频域分析法，是基于结构频响函数在频域内分析结构的自振频率、阻尼比和振型等模态参数的方法。时域分析法是基于结构脉响函数在时间域内分析结构动力特性参数的方法。为减小各种干扰因素的影响，对频域数据应采用滤波、零均值化等方法进行预处理；对时域数据应进行零点漂移、记录波形和记录长度检验等预处理。

结构的自振频率可采用自功率谱或傅里叶谱方法进行计算；结构的阻尼比可采用半功率点法或自相关函数进行计算，有激励条件时可按时程自由衰减曲线求取；结构的振型宜采用自谱分析、互谱分析或传递函数分析等方法计算。

10.4.8 结构动力特性和动力响应影响分析与评价的目的在于验证理论计算，为工程结构的设计积累技术资料或通过分析结构的振动现象，寻找减小振动的途径，因此进行动力性能测试已经成为结构监测的重要内容。振动对结构损害及人体舒适度影响的有关容许限值，可参照国内外的相关标准。

结构动力特性与结构的性能有直接的关系，因此根据结构自振频率、振型、阻尼比等动力特性的测试结果，可从下列几方面对结构性能进行分析和判断：

1 结构频率的实测值如果大于理论值，说明结构实际刚度比理论估算值偏大或实际质量比理论估算偏小；反之说明结构实际刚度比理论估算偏小或实际质量比理论估算偏大。如结构使用一段时间后自振频率减小，则可能存在开裂或其他不正常现象。

2 结构振型应当与计算吻合，如果存在明显差异，应分析结构的荷载分布、施工质量或计算模型可能存在的误差，并应分析其影响和应对措施。

3 结构的阻尼比实测值如果大于理论值，说明结构耗散外部输入能量的能力强，振动衰减快；反之说明结构耗散外部输入能量的能力差，振动衰减慢；如阻尼比过大，应判断是否因裂缝等不正常因素所致。

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