CN109612661B - 利用人工激振的结构动力特性快速测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，包括：S1.利用可穿戴传感器和测力板，建立实测人致荷载数据库；S2.对实测人致荷载地反力和人体特征点运动加速度归一化后进行比较，获得人体运动特征点加速度‑地反力关系；S3.利用人的跳跃、摇摆等运动对待测结构进行动力激振，并同步测量人体运动时的特征点加速度和结构在对应方向上的响应时程；S4.利用S2中所求的关系，重构人工激振的激振力时程；S5.根据上述步骤所测得的结构激励和响应，利用模态测试技术，获得结构的自振频率、阻尼比、模态质量等动力特性。本发明可以对多种不同的结构形式进行多种方向的激振并进行快速动力测试，且测试结果可信度较高。

Description

利用人工激振的结构动力特性快速测试方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，可用于结构检测和既有建筑的健康监测及振动控制，尤其是涉及一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法。

背景技术

随着建筑工业的发展，轻质高强材料的广泛应用，越来越多新的建筑结构形式得以实现，这些新的结构通常具有结构跨度大，自重轻，阻尼比和刚度较小等特点，在人的行走、跳跃等活动作用下容易产生较明显的振动。而随着人民生活水平的提高，对工作、居住条件的要求也日益增长，建筑结构的振动舒适度问题也日益难以忽视。

基于安全长期的使用，各类设备安装需要，以及规范等舒适度限制的要求，大量的大跨及中小型结构需要进行振动模态测试。利用环境激励或各类激振装置进行工程结构现场模态测试，获得其自振频率、阻尼比、模态质量等动力参数，对于提升数值建模及分析精度，检测结构损伤等有十分重要的意义。结构动力测试一般利用环境激励或激振装置引起结构的响应，由输入和输出通过系统识别、信号处理等技术获得结构参数及响应幅值。其中，环境激励虽然方便，但参数测试精度总体较低，尤其是对结构阻尼比和高阶模态的测试；而激振器等装置的使用虽然能够提高测试的精度和范围，但激振设备存在安装和调试过程复杂、需要较大的外界能量输入、以及难以获得足够的低频激励等不足，难以广泛便捷地运用于量大面广的中小型结构的测试中。

利用人的活动作为结构激励源的方法由来已久，如利用足跟落地冲击对结构施加荷载的落踵法在工程实践中就有超过30年的运用历史，并被多条规范选取作为结构验收的辅助测试方法。然而，一直以来对人工激振的应用都仅把人体作为会自行移动的“沙袋”，没有充分发挥人类的智能优势，而人体作为综合了能量供应，声光信号接收和处理和动力输出的智能系统，是一种理想的低频“人工振源”，以往的人致荷载导致的结构舒适度及安全性事故也从侧面证明了人工激振的潜力。而欲将人体作为结构模态测试的激振源，需要解决下述两个问题：①人工激振力的精确测量，及动力测试时的激励输入；②结构响应的同步测量，即动力测试的输出信息。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述结构动力测试技术所存在的缺陷而提供的一种精度较高，快速简便、成本低廉的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法。创新性地利用人的规律运动取代激振设备成为结构动力测试的激励源。与利用动力设备进行激励的测试方法相比，本方法具有无需动力设备与相应能源，测试过程简便易重复，适合中小型结构快速测试的优点，与以往利用足跟冲击的“落踵法”相比，本方法能输出持续的激振力，充分激发结构的振动模态，减少了噪声的影响，具有更好的准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，该方法包括：

S1.人工激振数据库建立步骤：分别利用可穿戴智能传感器和高精度测力板分别测量人体跳跃、摇摆、屈伸运动(Bounce)时身体特征点的运动加速度与地面反作用力，建立实测人致荷载数据库；

S2.对实测人致荷载地反力和人体特征点运动加速度归一化后进行比较，获得人体运动特征点加速度-地反力关系，即人体运动的人致荷载模型。人体运动为较为规律的周期性运动，故利用其特征点加速度和地反力测量值各自平移至均值为零后的RMS(均方根)值进行比较，为使结果无量纲化，将特征点加速度与人体质量相乘，比例系数(即人体运动时的质量参与系数)为

其中:M为测试人员的身体质量，F_i和

分别为为测力板记录的侧向地反力及其均值，a_j和

分别为加速度传感器记录的特征点侧向加速度及其均值，m和n为记录的数据点数量。

S3.利用脉动法等方法测得待测结构待测阶的自振频率和阻尼，利用这一频率的跳跃、摇摆、屈伸律动、步行或奔跑等运动对待测结构进行动力激振，并利用两个或更多的可穿戴传感设备同步地测量人体运动时的特征点加速度和结构在对应方向上的响应；

S4.采用步骤S2中所求的质量参与系数R，利用下式重构人工激振时对结构的激振力时程

其中F(t)为地反力,n为刚体体段数，m_i、a_i(t)和R_i分别是第i个体段的质量、特征点加速度以及质量参与系数。实际工程中，为了计算简便，有时可采用单刚体模型，此时上式简化为

F(t)＝MRa(t) (3)

式中M为运动人体质量，R和a(t)则仍是质量参与系数和特征点加速度。

S5.根据步骤S4所测得的结构激励和响应，结合根据人体特征点重构的激振力输入，利用模态测试技术，获得结构待测阶的自振频率、阻尼比、模态质量等动力特性。并可根据测得的以上结构特性计算结构的振型参与质量、刚度、阻尼等参数，用于后续的有限元模型修正，结构抗震、抗风分析，振动控制装置设计，结构健康监测等用途。

所述的步骤S1具体为：利用AMTI OR6-7型三向固定测力板或德国先进的NovelPedar无线足底压力分布测量系统完成多人多种频率下各自及协同作用下跳跃、摇摆、屈伸律动、步行、奔跑等人致激励的地反力测量；利用APDM Opal穿戴式传感器，完成人体特征点加速度的测量。记录对应的加速度和地反力时程，建立人工激振数据库。

所述的步骤S2中计算质量参与系数利用稳定运动阶段的全程RMS，并调整至均值为零以减少误差影响。

所述的步骤S3中人工激振的位置应为结构待测模态响应最大点，如框架结构一阶振动一般为绕弱轴方向的摇摆，应在楼顶的相应方向进行横向激励(如利用人的侧向摇摆)，规则楼板一阶振动的位移最大点一般位于其形心位置，应在此处利用跳跃、屈伸律动等运动施加竖向激励。传感器也应测量结构该阶振型对应方向上的激励加速度和结构响应。

所述的步骤S4中，应根据实际工程需要考虑人工激振时所用的模型，在进行结构参数的粗略测试时，一般可使用单刚体模型以方便传感器布置和后续计算。对于不同的测试人员和不同的运动频率，应确保其运动参数在数据库中可以查询，以保证测试的准确性。

所述的步骤S5中，结构自振频率可以由脉动法计算；阻尼比可利用结构的自由衰减计算；结构的模态质量可以通过假定不同的模态质量，计算结构响应，与实测结构响应对比获得。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以人的运动作为结构动力测试的激振源，测试时无需安装庞大笨重的激振设备，亦无需对原结构进行改造。利用可穿戴的传感器来测量人体和结构的运动加速度，简化了测试流程，方便进行结构的快速动力测试。

(2)利用人的行走、跳跃、摇摆、屈伸律动(bounce)等多种不同的运动形式，可以对桥梁、楼板、框架结构等多种不同的结构形式进行多种方向的激振，方便了量大面广的中小型结构及重要结构部件的测试。

(3)不同于传统的动力激振设备，人工激振有较好的低频性能，对自振频率较低的大跨、柔性结构有较好的激励效果，能进行较高精度的测试。

(4)通过可穿戴传感器的应用，对人的运动激励和结构的响应同步测试，弥补了以往利用人体单次冲击测试方法的不足，能获得更准确的测试结果。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明测试实例中人工激振下结构的响应时程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，该方法包括：

在步骤S1中：利用AMTI OR6-7型三向固定测力板和附着在C7颈椎、额头、胸骨、下背、肚脐等特征点的APDM Opal穿戴式传感器，完成多人多种频率下的摇摆激励实验，记录每次实验下人体各特征点加速度和对应的侧向地反力，建立人致荷载数据库；

在步骤S2中：分别取不同特征点传感器实测人体运动侧向加速度和测力板所测的侧向地反力比较，取各自平移至均值为零后的均方根值，求得单刚体模型下的质量参与系数，获得特征点加速度-人工激振地反力关系；

在步骤S3.1中：利用脉动法测得结构待测阶自振频率；

在步骤S3.2中：根据步骤S3.1中所测结构待测阶自振频率，以及结构在该阶的振动方向，人工以此频率进行结构激励，同时地测量此时人体的特征点加速度和结构的响应，在结构响应达到稳定状态一段时间后，骤然停止人工激振并保持静止，继续测量此时的结构自由衰减，并得到自由衰减曲线；

在步骤S4中：利用步骤S2中获得的特征点加速度-地反力关系，结合S3.2中记录的人工激振特征点加速度，计算对结构的激振力。

在步骤S5中，利用步骤S3.2中所测量的自由衰减曲线，按照下式计算结构的阻尼比：

根据已测得的结构自振频率和阻尼比信息，假定结构的模态质量，利用计算所得的激振力进行时程分析，获得假定模态质量下结构的响应，将其与实测结构响应比较并反复调整假定的模态质量，与实测结果最接近的假定即为需要的结构模态质量。

本实施例以某建筑高度31.8m的矩形截面8层钢框架结构办公楼为例，采用本发明中所述的方法进行动力测试，其一阶为弱轴方向的摆动，自振频率为1.625Hz，阻尼比为2.58％。人工激振按照此频率在其顶层中部进行横向激振，结构响应如附图2所示，经过时程比较，其一阶振型参与质量约为4530吨，与有限元模拟结果4595吨非常接近。

可见，该方法可以较为方便快速准确地完成结构动力测试。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (5)

1.一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，其特征在于，该方法包括：

S1.人工激振数据库建立步骤：利用可穿戴传感设备和高精度测力板分别测量人体跳跃、摇摆、屈伸律动(Bounce)时身体特征点的运动加速度与地面反作用力，建立实测人致荷载数据库；

S2.对实测人致荷载地反力和人体特征点运动加速度归一化后进行比较，获得人体运动特征点加速度-地反力关系，即人体运动的人致荷载模型；

人体运动为较为规律的周期性运动，故利用其特征点加速度和地反力测量值各自平移至均值为零后的RMS值进行比较，为使结果无量纲化，将特征点加速度与人体质量相乘，获得的比例系数即是人体运动时的质量参与系数，为

其中:M为测试人员的身体质量，F_i和

分别为为测力板记录的侧向地反力及其均值，a_j和

分别为可穿戴传感设备中加速度传感器记录的特征点侧向加速度及其均值，m和n为记录的数据点数量；

S3.利用脉动法测得待测结构待测阶的自振频率和阻尼，利用这一频率的跳跃、摇摆运动对待测结构进行动力激振，并利用两个或更多的可穿戴传感设备同步地测量人体运动时的特征点加速度和结构在对应方向上的响应；

S4.利用步骤S2中所求的质量参与系数R，利用下式重构人工激振时对结构的激振力时程

其中F(t)为地反力,n为刚体体段数，m_i、a_i(t)和R_i分别是第i个体段的质量、特征点加速度以及质量参与系数；

S5.根据步骤S4所测得的激振力时程即是结构激励和响应，利用模态测试技术，获得结构的自振频率、阻尼比、模态质量。

2.根据权利要求1所述的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：利用三向固定测力板或无线足底压力分布测量系统完成多人多种频率下跳跃、摇摆的人致激励的地反力测量；利用可穿戴传感设备，完成人体特征点加速度的测量；记录对应的加速度和地反力时程，建立人工激振数据库。

3.根据权利要求1所述的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，其特征在于，所述的步骤S2中计算质量参与系数R，利用稳定运动阶段的全程RMS值，且将其均值调整至零。

4.根据权利要求1所述的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，其特征在于，所述的步骤S4中，应根据实际工程需要考虑人工激振时所用的模型，在进行结构参数的粗略测试时，使用单刚体模型以方便传感器布置和后续计算，对于不同的测试人员和不同的运动频率，应确保其运动参数在数据库中可以查询，以保证测试的准确性；

所述单刚体模型将公式(2)简化为：

F(t)＝MRa(t) (3)

式中，M为运动人体质量，R和a(t)则仍是质量参与系数和特征点加速度。

5.根据权利要求1所述的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，其特征在于，所述的步骤S5中，结构自振频率采用脉动法计算；阻尼比利用结构的自由衰减计算；结构的模态质量通过假定不同的模态质量，计算结构响应，与实测结构响应对比获得。

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