岳增峰 刘近龙

(1.山东恒信建设监理有限公司 山东济南 250014;2.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司 山东济南 250109)

0 引言

振动测试在工程中的应用越来越广泛，作用也越来越重要。声波在环境中传播引起传播介质(如空气)质点的振动，通过对建筑物声学环境的检测，评估噪声的影响；对于精密机械制造等高科技项目，可以通过微振动测试，评价周边环境振动对场地的影响[1]；对于基坑及新建的道路工程地基处理，可以通过振动测试，评价道路施工振动对周边建筑物及地下管线的影响；通过对交通振动测试，评估振动对建筑结构及建筑物内人体舒适性影响；在岩土工程勘察方面，可通过微振动测试提供地基动力特性参数。对于房屋、桥梁等土木工程结构，通过测量其在自然环境激励下的振动响应，计算分析各阶振动频率，也可计算出结构物模态，从而对结构物状况进行评估。

1 振动测试类型

振动测试主要是对工程中所产生的振动响应进行监测，分析振动的特征，及其对场地或振动源周边建筑物产生的影响。根据振动信号类型的不同，振动测试大致可以分为微振动测试、环境振动影响评价测试、工程(施工)振动影响评价测试、结构物自振特性测试[1]。

微振动是由潮汐、海浪、气象变化、交通运输、机器设备等引起的波动，通常称为地脉动或常时微动，振幅一般为小于几微米的微弱振动。

环境振动影响评价测试是对精密加工车间、厂房内的装置，是测试周边环境振动的影响，强度通常在纳米或微米级别。该级别的振动能够影响精密仪器设备或仪表的测量精度，也能影响精密仪器的加工精度。实际工程中，应测试其影响大小。若振动影响超过规范或设备规定的允许值，必须对精密仪器仪表、设备等采取隔振或其他有效的保护措施。

工程(施工)振动影响评价测试，主要针对施工时各种机械设备产生的振动，对施工场地周边的建筑、设备等的影响进行测试评价。此类振动容易被感知，振动的强度通长处于毫米级别。常见的工程应用是地基处理如打桩、施工强夯(或柱夯)进行地基处理时，对地下管线或者周边建筑物的影响；爆破施工(如隧道)对周边环境、建筑物的影响。

结构物自振特性测试包括桥梁、房屋、大坝等结构物的振动特性测试，是在自然环境激励下，通过结构物上测点布设，测试结构物的自振特性，并可分析出结构物模态。通过理论值与实测值对比分析，能评估结构物健康状况。

2 振动测试的方法

(1)传感器安装方法

上述几种类型的振动测试，除结构物自振特性测试根据结构物特点及测试目的确定外，现场大都采用三分量测试方式，即测试两个水平向和一个垂直向[1]。

安装方式：传感器安装时，应直接将传感器安装在被测结构物上。考虑到实际工程中受结构物条件所限，传感器安装工件必不可少。如测试拱桥拱肋、斜拉桥索塔等结构物时，安装工件会带来一些寄生振动。为减少这种寄生振动对测试结果影响，应保证安装工件的自振频率是被测结构物振动频率的5～10倍以上。

安装平面要求：安置拾振器时保证其与地面的紧密接触，连接牢固，测试过程中不能有任何松动。因此，要求测试结构安装表面平整，不能有油污、尘土、杂屑等[2]。

安装方向：传感器安装方向应与待测方向一致，否则会造成测量幅值误差。此外，在桥梁、建筑结构物模态测试时，水平方向传感器方向应格外注意，不得随意摆放，且不同批次测点传感器方向应一致，避免模态拟合时存在方向相反情况。

安装方式：当用胶、橡皮泥等材料粘结时，应沿垂直胶粘平面方向用力按压传感器，保证传感器与被测结构物连接紧密，使传感器底部的胶形成较薄的一层，避免粘结层太厚阻隔高频振动成分[2]。

(2)传感器选择

《建筑工程容许振动标准》(GB 50868-2013)规定，振动测试时，应根据测试对象的容许振动值采用的物理量及振动频率范围，选择相应的传感器，并应符合下列规定：

对于机械设备振动测试宜采用加速度传感器；当测试振动信号频率范围较小(一般为土木结构，不大于10 Hz时)，建议选用位移型或者速度型的传感器(如磁电式拾振器)；对于宽频带冲击机器的振动测试，宜选用位移型和速度型传感器同时进行测试。

每一种传感器有其自身适用的场合，在测试时，应根据测试结构及测试内容选取最适宜的传感器。传感器的选择应从其性能、环境、电气及物理特性4个方面去考虑。传感器的性能，应包括频响特性，线性度、谐振频率、横向效应、量程和灵敏度等指标；物理特性包括尺寸、敏感材料、重量等；环境因素包括温度响应、冲击极限等[3]。

(3)测点布置

传感器的安装位置及测量位置。安装位置总原则是：能反映出被测结构的振动特性，满足测试要求。一般说来，振动测量分以下几类：幅值测量、固有频率测量、传递率测量、模态测试和其他类型测量等。

幅值测量：测量时传感器安装位置应位于振动明显的关键位置。当规范规定时，应按规范要求布置。如：测试施工振动对楼体结构影响时，测点布在基础顶面和楼顶位置。

模态测试：对于桥梁结构、房屋结构振动测试，有时要求分析其结构模态。结构模态测试时，传感器位置(即测点位置)分为两种，一种是普通模态测点，另一种是模态测试参考点。模态测试参考点应避开振型测试节点的位置，普通的模态测点在结构物上均匀布置，有的测点肯定位于模态测试的节点，模态拟合后能够反映出振型节点的位置[2]。

(4)测试时机和时长

测试时机的选择，不同的测试工程类型有不用的测试要求。地脉动测试或结构物模态的测试，一般选择在夜间安静的时段进行，目的是排除人类活动干扰的影响。测试时，应记录不少于2次的振动数据，每次的数据采集时间不少于15 min；桥梁模态测试时，每一批次测试时间建议不少于30 min。精密设备和厂房的振动环境测试，应对每个测点进行24 h振动监测，以掌握整个厂房周边的微振动环境特性。

工程(施工)振动影响评价测试应测试在整个施工周期内，被测结构的振动状况。如：强夯施工应测试1～3个夯点的完整夯击过程下的振动；爆破施工振动测试，应测试在爆破开始至结束时的完整过程的振动情况。

结构物自振特性测试时，若采用的自然激励法(无强迫振动)，每测点(批次)应测试不少于30 min的数据，测试应尽量保证周围无施工、机械等振动源。

3 不同振动测试的评价指标

(1)工程(施工)振动影响评价测试

依据《建筑工程容许振动标准》(GB 50868-2013)规定，建筑结构施工振动测试时应在结构基础顶面和顶层布置测点，如表1所示。应测试竖向和两个水平方向，时域信号应取3个传感器峰值的最大值，并计算其对应的振动频率。建筑施工振动对建筑物影响评价频率范围为1Hz～100Hz[3]。

表1 振动传感器测试内容表

评价中所涉及的振动频率是3个传感器所测时域曲线最大峰值处对应的标称频率，其值如图1所示，取为1/T0。

图1 振动速度分量时域信号

(2)环境振动影响评价测试

外界环境的振动是一种平稳随机的过程，本身还有丰富的简谐振动频率无法确保仪器及设备正常工作，对外界环境中存在各种不同频率的振动幅值进行限制，以减弱因共振造成的影响。因此，容许振动值一般用频域表达，频域一般采用1/3倍频程中心频率的幅值表示。因为对于随机振动，用峰值描述难以反映随机振动的特性，采用均方根值有利于数据的检验及比对。因此，采用1/3倍频程带宽的能量，来描述随机振动幅值大小[3]。

(3)结构物自振特性测试

结构动力特性参数，也称为结构自振特性参数或振动模态参数，主要内容包括结构的自振频率(自振周期)、振型和阻尼比等，由结构形式、建筑材料性能等结构所固有的特性所决定。

以桥梁为例，测定桥梁结构动力特性参考的方法，主要有自由振动衰减法、强迫振动衰减法和环境激励振动衰减法等。自由振动衰减法和强迫振动衰减法是两种应用较早的方法，得到的数据结果易于处理分析；环境随机振动是基于概率统计的一种方法，现场测试简单，随着计算机处理的优势，开始进入桥梁结构的振动测试领域。

4 工程实例

(1)济南某道路强夯施工对周边楼房影响测试

济南市某新建道路全长919 m，规划红线宽度40 m，本次试验检测点K0+930。测试在强夯施工时，道路附近楼体的振动响应，评估强夯施工对楼体的影响，进而对现有强夯施工方案是否可行进行评估。依据《建筑工程容许振动标准》(GB 50868-2013)规定，选取楼房基础顶面(-2层)(测点A)及顶层楼顶(测点B)作为振动测试点，每个测点布置3个振动传感器，测试3个振动方向，如图2所示。

(a)测点A (b)测点B图2 测点布置

其中测点A振幅最大值为3#传感器(水平向)所测值，测点B振幅最大值为1#传感器(竖向)所测值。拾取测点A、测点B最大峰值，计算标称频率，结果如表2所示。

表2 振动速度测试结果表

《建筑工程容许振动标准》(GB 50868-2013)规定强夯施工对建筑结构影响,在时域范围内容许振动值见表8.0.2-2。测点A、测点B振动速度所测最大值分别为0.6405 mm/s、0.7238 mm/s，均小于规范限值，强夯施工可以按原方案进行。

(2)淄博某系杆拱桥模态测试

淄博某跨线桥主桥为四榀拱肋的斜靠式下承式系杆拱桥，计算跨径110 m，主拱采用变高度箱梁断面，稳定拱采用钢箱断面，吊杆采用双层PE平行钢丝成品吊杆，共计17对。为评估该桥的自振特性，在桥面布设磁电式拾振器，测试桥梁结构模态，并与理论计算进行对比，评估桥梁结构状况。

结构自振特性包括自由振动时结构的频率及振型等，它反应的结构自身动力特性,是进行动力分析的基础。自振特性的基本分析手段是分离变量法，即把时间变量与结构坐标变量分离后，利用特征方程具有非零解的条件，即系数行列式为零：

Det(K-λM)=0

解此关于λ的n次实系数特征方程，即可得到结构自振频率及相应的振型。利用桥梁专用软件Midas所建立的桥梁整体计算模型，采用Lanczos迭代法进行数值分析计算，得到桥跨结构各阶自振频率和对应的振型图。

在桥面两侧防撞护栏外侧布设振动测点，纵向单侧9个测点(部分吊杆处)，共计18个测点，1#～3#测点选作参考点，测试桥面竖向及水平振动模态，测点布置如图3所示。

图3 模态测试测点分布图

对环境随机激励下的测试信号进行频谱分析，得到桥梁试验跨的实测模态分析结果，如表3所示，以一阶竖向模态为例，对桥梁结构进行分析。实测竖向一阶频率为1.347 Hz大于理论值1.03 Hz，实测自振频率fmi与理论计算频率fdi比值为1.31，大于1.1，桥梁刚度实测值好于理论值，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)5.9.2规定，评定标度为1。后期桥梁检查养护可以本次模态测试值为基准，进行对比分析桥梁劣化状况。

表3 桥梁实测与理论模态分析对比表

5 结语

振动测试在工程实践中的应用较为普遍。根据测试内容的不同，振动测试在数据采集、判定指标、计算分析评估等方面也存在着不同。对济南道路强夯振动时周边楼体振动速度进行测试，两测点振动速度均小于规范限值；对淄博某拱桥模态测试分析，实测竖向一阶频率大于理论值，桥梁刚度实测值好于理论值，建立了桥梁模态档案，对后期检查养护具有重要参考价值。