低频振动测试在结构工程中的应用技术.pdf
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脚“ “ . 决 曰~ 曲 叫‘ ‘ 油 . ， ‘卜 明‘ ~ ~ ~月 ‘ 曰目 . 目 . . 一 . 如 ‘ 自‘ . ‘ 映 叫 ~‘翻由~‘ 州.卜.曰.四肖 ‘曰匕 现代力学测试技术 低频振动测试在结构工程中的应用技术 范佩芳李炳生 ( 同济大学 工 程结构研 究 所上海 2 0 0 0 9 2 ) 03'1S },SCYI {i7KLiJ}OlI91YI1C}TYl.S.IA. .dT(}YJ}0.'IIS}1Y}l} J]f/T,3t}TiY'}#}MNS, Li _ -}}}“1}, 7R17s`}fa}#{}x,f;/.f$, i i (l}piROM}T.,.Z I}Afn}Hif1=7ARU“ IMIJ1!, Mim*1A t} , 薰 a 几 爹 节 乞事呷汾1沙f︸ 二.振动测试系统的选择和标定 ( 一)振动测试系统的选择和组成 根 据 钢 结 构 通 廊 的 振 动测 试日 的 要 录 和参 数 特点 我 们 可 采 用三 个 振 动 测 试 系 统 ， 1 是 磁 电式速度传 感器振动测试系统, 2 是压电 式加速度传感器振 动测试系统， 3 是动态应变振动测 试系 统， 分 别 都可 用 于 进行 通 廊的 动态 参 数f ( H z ) , Y ( 速 度 ) , A ( 位移 ) 等 的 测 试 。
这 三 个 系 统 ， I 和 3 均 为 常 规 的 系 统 ， 本文 重 点介 绍 2 低 频 加 速 度 计 测 试 系 统， 测 试系 统 参 见图 1 我 们 选 用 的 低 频 加 速 度 计 是 一 种 驱动 式内 装 线 路压 电 加 速 度计 ， 实 现厂 供电 和 输 出 合 用 一 根 普 通单芯电缆的高新技术， 其主要技术指标如毛 频率范围:0 . 1 ~ 6 0 H a3 d b 最大测量加速度量 程: 最大横向灵敏度比: 自重:6 8 0 w - I X 1 0 “ 5 ^ - 0 . 1 g : (5 %: 一礴 叭谧伫·李袅清 匹配放大滤波器:0 . I H Z ^ - 6 0 H Z 前置 放大 器: X 5 和X5 0 倍， 二档: (2)(3)(4).(5).做价 5 5 2 . 监生 一_ 一 望受 泛 乓 ， 口 动 ，. 目 .‘ 门 . . ~一一 一 一一一 ~ _一 淑浦翻溺限嗯呱催樱咙才谧橄翻粼细浏洲卿洲细减溯酬娜绷邢涸渊翻国绷娜绷灌谧朝咽叭溯唱M豫污翩顺﹄ 补朴仆然称札抓材那科拼黔卜卜卜补﹄肝取朴琳眺哪哪黔眺甄郡姗翻洲郑训徽麒期甄翻洲裂长圳圳圳畔琳跳赚盯训洲朋朋彻川川卜俐曰卜训伴训淤. 现代力学测试技术 . 低 通 滤 液器: x 2 , x 5 , x 1 0 和X 3 0 , 四 档: .隔离放大器与后级R S - 1 6 1 6 K 数采仪相匹 配 .短路开关: 当传感器在安装过程中大信号冲击时， 作断路用. 系 统 中 ， 传 感 器 采 用 上 述 技 术 措 施 与 R S - 1 6 1 6 K 型 动 测 仪 相 连 接 ， 本 系 统 具 有 一 个 多 时 (8)(9)叫 一体化浮点动 测仪.具有高灵敏度， 足本动态参数的测试要求。
低频传感器 高 动 态 范 围 ，多 机 群 控 结 构 ， 丰富 的 实 用 软 件 系 统 满 滩波器R S I 6 1 6 K控制、显示 图1 动力测试系统图 ( 二)振动测试系统的 标定 根 据 被 测结 构 的 振动 测 试 要 求 选 定 振动 测 试 系 统 后 ， 对 系 统 进 行 标定 是 决 定 振动 测 试的 精 度的 关 键 ， 对于 振 动 测 试的 低 G 高 灵 敏 度 的 特 点 ， 我 们 采 用单 项标 定 结 合 的 方 式 ， 即 对 组成 系 统 中 的 任 一 单 项 仪 器 ， 严 格按 照出 厂 标 定指 标 认 可 ，当 完 成单 项 标 定 后 ， 进行 系 统 标定 . 由 于 国内 目 前尚 无 低于 1 H Z 的 国 家 标 定 标 准 台 ， 所 以 我 们 利 用自 制 的 低 频 振动 合 和悬 吊 式 振 动 台 进 行 分 段 标定 . 最低 频 率可 达 0 . I H Z ， 可 达 到 系统 的 下限 狈 率 ， 上 限 可 达 I O H Z 在 振 动 测 试 前 ， ‘根 据钢 结 构 通廊 结 构 的 频 率 区 段 和 预 估的 振 幅 ， 对 系 统 进 行 频 率 响 应 和 线 性 标 定 ， 以 供 振 动 测 试 分 析 之 用 ·.一 ( 三)振动测试在钢结构通廊结构中的应用 ( 1 ) .应用实例1 某公 司 煤1 3 “ 为 单向 跨 长 为 5 3 m 的 钥结 构 络 架 式 长 通 廊 . 下 端以 固 定 钢 铰支 承于 煤焦 转 运站的钢筋硅框架上，上 端以 滚 动 钢 铰 支承 于 离 地 面 3 3 。
高 的 钢 筋 硅 卸 料 上 . 该 通 廊己 建 3 0 多年， 为 确保该通廊的安全运作， 况的测试， 结果见表I 所示 表1 我 们采 用了 磁 电 式 速 度 传 感器 振 动测 试 系 统 . 经过 不 同 工 媒1 3 0 通廊振动测试结果表 鬓 蒙 |||||||| ( 2 ) . 应用实例2 某厂2 8 0 钢结构通廊横向 振动测试 某 厂 2 8 0 钢 结 构 通 廊 系 为 一 个二 跨简 支 络 架 栈 桥 式 结 构 ， 通 廊内 设 置 连 续 皮 带 传 输 机 一 条 ， 中 间 支 承 为 格 构 试 钢 柱 支 架 ， 全 长 约 6 1 m , 离 地 面 高 约 4 0 m ， 该 通 廊 建 成 3 0 多 年 后 通 廊出现明显的横向摆动，同样为 确保生产安全，进行了振 动测试. 根据2 8 u 通廊结构情况，沿 栈 桥 跨长 方 向 布 置 了 4 个 低 频加 速 度 计， 测 点 参 见 图 2 ， 振 动 M 禁 翼 A M * [E M , 人 体 的 影 响 程 度 ， 横 向 动 力 响 应 当 作 主 M IE 弦 振 动 处 理 ， 求 出 横 向 振 动 加 速 度( a ) = a l 万 和 位 移(( X ) 二 }r l 万 的 均 方 值 ， 具 体 数 值 列 护~ 卜 一一 — ~ 注a通思主须f , -- l . 3 0 2 H z ; 2 . 均方值采用四个工况下. 同 一 测点的平均值求饵 3 . 最大峥值为4 个 工 况中最 大 实测值; 9 . 振动说度位是按公式Y = 2 n f % 计 算求月。
P I - 1 6 1 6 K P T L E ; M G - 4 通过二个 钢结构 通廊的振 动测 试结果， 表明对于大跨度高耸结构的整体故障诊断很有 必要， 采用我们选用的低频高 灵敏度的振动测试系统是合适的， 并且经过对系统的 标定， 对 所测得的 数据是可信的 ， 从二个钢结构通廊的振动 测试，可以 得到如下几个分析意见 ( 一)通廊结构均属于低的频率，大的振幅， 通过对被测结构的设计施工及生产工况的 参 数与振动测 试结 果， 可以分析得出结构是否落在共振区即 . 7 --f o 1 . 2 ， 如发现确实落入共 振区，则一 定要进行改 变结构自 振频率或改变振动激励信号源， 如改变大功率电机的转速 和转速比 ，来达到 避开 共振，从而可以 提高结构的使用寿命， 从两个钢结构通廊的振动测 试中获知， 他们并不处在共振区. ( 二}参照有关国际 和国家标准以及规范 进行动态参数的分析，例如2 8 “ 通廊的赛测加速 u is1o 现代力学测试技术 度均方值，参照I S O T C - 1 0 8 国 际标准化组织对 振动和冲击对人体影响的规定，当界限频 率 低于2 1 1 :时， 加速度均方值为0 . 4 5 m / s 2 ，人体 对振动所引 起的疲劳和不适 度的耐 久时限 为8 小 时 ， 而2 8 0 通 廊1 “ 和 3 “ 测 点 幅= 0 . 0 4 6 m / s 2 , 4 个 测 点 平 均加 速 度 为 。
. 0 4 1 m / s 2 , 属 允 许 范 围 目 前 我国 尚 无 关 于 钢 通 廊 横向 振 动 对 结 构 和 人 体 影 响 的范 围 的 规 范 ， 如 参 照 Y B J 5 5 - 9 0 “ 机器动荷载作用下建筑物承重结构的振 动计算和隔振设计规程” ，当横向水 平振动的 频率在1 ^ - 1 0 0 H z 之间时 ，在操作区 连续工作 8 小时以上， 所允许振动速度限值为 6 . 4 m m / s ' , 在操作区连 续工作不到3 小时 ，所允许的 振动速 度限值为1 9 . 2 m m / s 2 ，而2 8 # 通 廊的4 个测点 横向振动速度均方值的平均值为2 4 . 6 m m / s z ，大于允许振动速度限值，但 是该 通廊不是操 作区， 只要人体不是长期暴露在这种环境下，不 会造成对人体健康有害影响 ( 三)根据2 8 %廊结构设计图 纸，在钢通廊中间支座部位， 通廊与钢支架 采用1 6 个 d 2 4 m m 高强螺栓连接，具有良 好的横向构造连接 ， 钢支 架顶部可视为与钢通廊具有同样的横向构 造 连 接和 位 移 值 即 X / H T 1 / 4 3 3 0 ( 1 / 1 0 0 0 19 结 构 构 件 允 许范 围 之 内 。
再 从 钢 支 架 根 部 的 横向 弯曲 应 力 ， 按常 幅 疲 劳 应 力 校 核 ， 平 均实 测 动 应力 值为 2 . 0 6 N 加 m 2 , 远小 于 容 许 动 应 力 幅值 [ e a ] = 1 7 6 N / m m 2 . 五、加强振动测试技术的试验研究为建设工程科学服务的 设想 随着国内 建设工程的迅猛发 展，层出不穷的高 楼大厦和重大的市政工程建设 ，如大 跨 度桥梁、高架轻轨等建 筑，己 建的重大工程也 逐步进入到中老年期， 尤其工矿企业中的大 跨度通廊结构， 它将担负着十 分重要的作用， 随着岁月的增长将会产生因为受到生 产工艺 中的设备振动，如大功率电机， 冲 床或压 缩机的振动，又如风荷载、 地震及地脉动的反复 激励.将会对结构整体或局布产生振害，久而久 之将会对结构产生危害，从而影响 着生产 不安全的可能 ，为此针对这种建筑结构、 有必要进行定期和不定期的安全度检测和评定 根据上述客 观现实需要，对于 重大 建设工程在设计中已经考虑了抗震设计和计算，但是 往 往受国力 和经济所限，不可能 进行抗震观察，如设置强震观测台站，以 供突然事故或地震 作用下的预 报或记录， 但是如不加强重大建 筑的定期或不定期的抗震检测，将 会出 现意外 的损害， 例如有的大厦或大桥出现 楼坍入 亡的重大 事故， 对此采用我们所选用的 低顺高 灵 敏度的振动测试系统， 将可对任何需要进行结 构抗A检测 所起到良 好的 监测，井 通过检测 所获得参数，例如结构的自振频率、 振型、 相位、阻尼系数、功率谱( 包含自谱和互 谱) 并 结 合 到原 设 计 和 理论 计 算 数值 等 综 合因 素 的 分 析 ， 可 得 出 对某 一 结 构 的 安 全 度 的 评 估 ， 并 可针对性地作出技术 措施 从而达到确 保安全 。
如上所述， 采用低频高 灵敏度振 动测试系 统是目 前国内 外科技人员 用来研究 探索解决 各种高大土建和市政、工矿企业中的大 跨度高耸建筑的结构抗震和安全度十分有效的方法 之一 ， 但是 由 于 各种 因 素 ， 如 投 入资 金、 测 振 技 术 水 平缺 少低 频 标 定台 座等 因 素 限 制 着 这 种方法的发展为此，建议国家有关主管 部门 和科研单位， 共同 努力开展对重大建设 工程 进行抗震设计、监( 检) 测和抗震设防， 对振动 测试的 检测 技术。
