DGJ32∕TJ110-2010 工程结构动力特性及动力响应检测技术规程.pdf

江苏省工程建设标准江苏省工程建设标准 DGJ J11748-2010 DGJ32/TJ110-2010 工程结构动力特性及动力响应工程结构动力特性及动力响应 检测技术检测技术规程规程 Technical specification for inspecting dynamic characteristic and dynamic response of engineering structures 2010-11-03 发布发布 2011-01-01 实施实施 江苏省江苏省住房和城乡住房和城乡建设厅建设厅 审定审定 发布发布 江苏省工程建设标准 工程结构动力特性及动力响应工程结构动力特性及动力响应检测技术检测技术规程规程 DGJ32/TJ110-2010 J11748-2010 主编单位: 南京工业大学 南京工大建设工程技术有限公司 批准单位: 江苏省住房和城乡建设厅 批准日期: 2010 年 11 月 03 日 前前 言言 根据江苏省建设厅关于印发的通知 （苏建科200999 号）的要求，为规范 工程结构动力特性和动力响应检测方法和程序，提高检测结果的可靠性， 特编制本规程。 本规程的编制遵循科学性、实用性和可操作性原则，经深入调查研究， 认真总结实践经验，参考国内外相关标准，开展试验验证和典型工程应用， 并在广泛征求意见的基础上完成。本规程的主要内容是：1 总则；2 术语 和符号；3 基本规定；4 仪器设备；5 工程结构动力特性检测；6 工程结构 动力响应检测；7 检测报告的编写。 本规程由江苏省住房和城乡建设厅负责管理， 南京工业大学负责解释。 在使用过程中如发现需要修改或补充之处，请将意见及时反馈至南京工业 大学土木工程学院（南京市中山北路 200 号，邮政编码：210009） ，以供今 后修订时参考。 本规程主编单位、参编单位、主要起草人和主要审查人： 主 编 单 位：南京工业大学 南京工大建设工程技术有限公司 参 编 单 位： 江苏东华测试技术股份有限公司 常州三阳建设工程检测有限公司 主要起草人： 陆伟东 吕德鹏 韩晓健 路宏伟 陈立 杨放 缪汉良 赵斌 范红兵 李枝军 李宁 徐燕桥 主要审查人： 曹双寅 金孝权 陆金方 俞伟根 夏长春 目目 录录 1 总 则 . 1 2 术语和符号 . 1 2.1 术语 . 1 2.2 符号 . 2 3 基本规定 . 3 4 仪器设备 . 4 4.1 动测系统技术要求 . 4 4.2 设备维护 . 4 5 工程结构动力特性检测 . 5 5.1 一般规定 . 5 5.2 检测方法 . 5 5.3 数据处理 . 5 6 工程结构动力响应检测 . 7 6.1 一般规定 . 7 6.2 检测方法 . 7 6.3 数据处理 . 7 6.4 检测结果 . 8 7 检测报告的编写 . 9 附录 A 动力检测原始记录表 . 9 附录 B 振动信号特征值 . 10 本规程用词说明 . 12 条文说明 . 13 1 2 1 总总 则则 1.0.1 为规范工程结构动力特性和动力响应检测方法和程序，保证检测方 法的科学性，提高检测结果的可靠性，特制定本规程。 1.0.2 本规程适用于工程结构动力特性及动力响应的检测，包括结构固有 频率、阻尼比和振型结构动力参数的检测，以及工程结构受振动源激励的 动力响应参数检测。 1.0.3 工程结构动力检测应委托具有相应资格的机构进行；检测人员应进 行专业技术培训并具有相应的检测能力。 1.0.4 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 家现行的有关标准的规定。 2 术语术语和和符号符号 2.1 术语术语 2.1.1 动力特性 dynamic characteristic 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。 2.1.2 动力响应 dynamic response 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。 2.1.3 频率特性 frequency characteristic 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。 2.1.4 频率范围 frequency range 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。 2.1.5 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。 2.1.6 横向灵敏度 transverse sensitivity 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，一般要求应小于 3%5%。 2.1.7 相位差 phase difference 3 4 不同信号内相同频率对应两谐波分量之间的相位角之差。 2.1.8 信噪比 signal to noise ratio 表示放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比， 常用分贝数 dB 表示。 2.1.9 动态范围 dynamic range 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。 2.1.10 环境激励法 ambient excitation method 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。 2.2 符号符号 t 时间 T 周期 f 频率 圆频率 a 加速度 v 速度 y 位移 k 刚度 m 质量 阻尼比 x R 自相关函数 fGx 自功率谱函数 yx R , 互相关函数 fGxy 互功率谱函数 xy 相干函数 相位角 H 频响函数 th 脉冲函数 m f 信号最高频率分量 s f 采样频率 n f 功率谱函数中结构的固有频率 5 6 3 基本规定基本规定 3.1 检测方案编制前，宜搜集下列资料： 1 场地的地质勘察资料； 2 工程结构的竣工资料； 3 场地及其邻近的干扰振源资料。 3.2 检测方案的制定，宜包括下列内容： 1 检测目的； 2 检测设备及要求； 3 检测内容及具体方法； 4 仪器测点布置图。 3.3 工程结构的动力检测一般按照以下步骤进行： 1 根据检测对象及其目的，选择合适的测量参数； 2 根据场地情况和检测要求布置测点； 3 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 致并遵循标准 机械振动与冲击加速度计的机械安装 GB/T 14412 的要求， 测点的布置应符合第 5 章和第 6 章的相关要求； 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； 6 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； 7 采集数据并保存。 3.4 现场检测时，检测设备、仪器均应有防风、防雨雪、防晒和防振等保 护措施。 3.5 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。 3.6 仪器应具有防尘、防潮性能，其工作温度应在-1050范围内。 3.7 对工程结构进行现状调查及现场动力检测时，不得对建筑结构造成损 害。 3.8 进行动力检测时，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。 3.9 检测记录内容 1 检测仪器：名称、型号、编号； 2 实测时程曲线； 3 场地条件，测点布置（附简图和照片） ； 4 检测过程中的情况说明； 5 检测人员、校核人员、检测日期、检测单位。 3.10 实测电子数据应保存完整，采用光盘等形式按相关规定存档。 7 8 4 仪器仪器设备设备 4.1 动测系统技术要求动测系统技术要求 4.1.1 动测系统一般由激振系统、传感器、信号放大调理器及动态信号采集 分析仪等组成。 4.1.2 强迫振动检测的激振设备，应符合下列要求： 当采用机械式激振设备时，宜具备无级调频功能；激振设备应尽量选 择体积小，重量轻的设备。 4.1.3 结构动力检测传感器应采用低频传感器，频率下限应不大于 0.5Hz （-3+1dB） ， 频响曲线应平坦 （-3+3dB） ， 传感器横向灵敏度应小于 5%。 4.1.4 信号放大调理器应符合下列要求： 1 放大器应采用带低通滤波功能的多通道放大器，低通滤波大于 24dB/oct。一般宜使用抗混淆滤波放大器。 2 放大器频响范围：低频不大于 0.5Hz，高频大于传感器上限频率，噪 声水平折算至输入端应低于 2V。 3 多通道放大器要求各个通道间无串扰，各通道相位一致，频响范围 相同。其振幅一致性偏差应小于 0.5dB1kHz，相位一致性偏差应小于 0.2o1kHz。 4.1.5 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 12 位，宜采用 16bit 以上 A/D 转换器，幅度畸变宜小于 1.0dB。 4.1.6 信号分析仪应具有多通道， 具有基本的数字信号处理功能， 包括滤波、 截取、时域幅值统计、FFT、自谱、互谱等功能。 4.2 设备维护设备维护 4.2.1 动测系统应每年进行一次系统的标定，并应经检定/校准（或验证） 合格。 4.2.2 动测系统在使用、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。 9 10 5 工程结构动力特性工程结构动力特性检测检测 5.1 一一般规定般规定 5.1.1 结构动力特性检测包括结构的固有频率、振型、阻尼比等参数。 5.1.2 工程结构动力特性检测方法一般采用环境激励法或强迫振动法进行 检测。 5.1.3 检测系统应符合下列要求： 1 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 0.5100Hz，信噪比应大于 80dB； 2 检测仪器其它要求应符合本规程 4.1 之要求。 5.1.4 工程结构动力特性检测应遵循： 1 多通道的同步实测时域曲线； 2 采样频率设定应符合奈奎斯特定律要求，一般宜为被测结构关心频 率上限的 35 倍。 3 采样时间：对于强迫振动法试验应采集不少于 45 个完整波形，对 于环境激励法检测应不少于 30min，宜设为 60min。 5.2 检测方法检测方法 5.2.1 传感器的布置应遵循以下原则： 1 平动测点在每层结构的质心附近布置传感器，扭转测点应在楼层平 面上对称布置，层数较多时可以隔层布置，且尽量布置在可以避开人为干 扰的位置； 2 测点布置应尽量避开振型节点，并可以充分显示结构的模态振型； 3 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； 4 当因测试仪器数量不足或其它因素而需要作多次测试时，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。 5.2.2 根据检测目的，选择合适的检测方向。传感器一般沿结构纵向、横向 和竖向三个方向布置。 5.2.3 根据所需频率范围设置低通滤波频率和采样频率。 5.2.4 数据采集时，应注意对数据平稳性的要求，若有较大的波动，则重新 采集数据或增加采样时间。 5.3 数据处理数据处理 5.3.1 在动力检测过程中，由于干扰及其它各方面因素的存在，使得检测系 统采集到的数据偏离其真实数值，除了应对记录波形和记录长度进行检验 之外，还应对数据做以下预处理： 1 信号标定、变换； 2 消除趋势项； 11 12 3 滤波处理。 5.3.2 采用 FFT 进行频谱分析；为消除旁瓣干扰，信号应加窗函数处理；对 于环境激励信号，频域平均次数不宜少于 32 次，且重叠率宜大于 50%。 5.3.3 工程结构动力参数的识别可以采用频域识别法、时域识别法和时频域 识别方法。实际工程中常用的频域峰值方法的主要步骤包括： 1 固有频率的判断： （1）FFT 自功率谱（幅值谱）最大峰值处； （2） 频响函数分析中， 自振频率处相干函数值较大， 一般接近等于 1； （3）对于相同方向的多个测点，各测点在自振频率处具有近似同相位 或反相位的特点。 2 阻尼比可按照半功率带宽法进行确定。 3 振型函数应该按照下列规定进行确定： 当各个模态的自振频率分的较开，且结构阻尼比相对较小时，振型之 比可由下式得出： () () aapki ki aappipi G G （5.3.3） 式中： ki 、 pi 分别为自振频率 i w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 w处的相位来确定。 5.3.4 时域识别法，其采用的原始数据是结构响应的时间历程，主要为结构 的自由振动响应。 5.3.5 对于复杂结构，可采用时频域识别方法，包括：小波分析法和基于希 尔伯特黄变换（HHT）的模态参数识别方法。 5.3.6 宜采用 2 种或 2 种以上方法对结构动力参数进行识别， 并对其结果进 行对比验证。 13 14 6 工程结构动力响应工程结构动力响应检测检测 6.1 一般规一般规定定 6.1.1 本章适用的振源类型包括交通运输、爆破、打桩、室内机械、室外机 械以及人的活动。工程结构动力响应检测前应先了解振源类型及其特性。 6.1.2 在动力响应检测过程中，宜根据不同的振源类型测量不同的参数，具 体见下表： 表 6.2.2 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 冲击 速度 直接的 加速度 6.1.3 动力响应检测前，应估计被测量参数的最大值，然后调整分析仪器的 量程，最大值宜落在量程的二分之一到三分之二之间，以获得最大信噪比。 6.1.4 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的传感器。 6.1.5 采样频率应符合奈奎斯特定律要求。 6.2 检测检测方法方法 6.2.1 测点的选择应具有代表性， 能够使测量结果正确反映所代表区段的振 动状况，布点原则应遵循： 1 为了分析振动对建筑物的动力响应， 应在建筑物地面布置一定测点。 2 根据振源的范围、传播方向、振动衰减大致规律布置测点，即离振 源近时测点间距离小，离振源远时测点间距离大。 3 测试宜在建筑物内不同高度的几个测点上同步测量。 4 可以通过在基础和室外地面的同步检测以建立传递函数。 6.2.2 传感器的安装应遵循： 1 传感器应平稳地放在平坦、坚实的地面上，避免置于草地、沙地、 雪地或地毯等松软的地面上，若无法避免，可在松软的地面上打入一定深 度的木桩。 2 传感器的灵敏度主轴方向应与测量的方向一致。 6.3 数据处理数据处理 6.3.1 对采集数据按照本规程第 5.3.1 条进行信号预处理。 6.3.2 动力响应检测数据处理方法应根据振动的时间特征分别采用以下方 法： 15 16 1 连续振动： 每个测点测量 1 次， 取其整个波形内的均方根值(有效值) 或者振幅作为评价量。 2 瞬态振动：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作为评价量。 3 对采集数据进行频谱分析，确定是否与结构产生共振效应。 6.3.3 环境振动通过振动加速度级 VAL 进行评定。振动加速度级 VAL 是加 速度与基准加速度之比的以 10 为底的对数乘以 20， 记为 VAL。 单位为分贝 （dB） 。即： VAL20lg(a/a0)（dB） 式中：a 为振动加速度有效值，ms2； a0为基准加速度，a0=10-6 ms2。 6.4 检测结果检测结果 6.4.1 评价振动的影响，应按照下列步骤进行： 1 调查建筑和振源的状况； 2 检测响应； 3 数据处理； 4 确定标准； 5 综合分析和评价。 6.4.2 结构动力响应的检测结果可用于振动影响的评价，评价方法应符合 相应的标准、规范： 1. 城市区域环境振动的评定方法及限值要求应遵循标准城市区域环 境振动标准GB 10070； 2. 各种工程爆破引起的工程结构动力响应的评价应遵循标准爆破安 全规程GB6722； 3. 工程结构遭受各种振源引起的振动对工程结构影响的评价方法可 参考机械振动与冲击对建筑物振动影响的测量和评价基本方法及使用导 则GB/T14124； 4. 评价住宅建筑 （含商住楼） 内部振动源对居住者的干扰， 应遵循 住 宅建筑室内振动限值及其测量方法标准GB/T 50355； 5. 评价工业振动对古建筑结构的影响，应遵循古建筑防工业振动技 术规范GB/T 50452 给出的评定方法及限值要求。 17 18 7 检测报告检测报告的编写的编写 7.0.1 检测报告应至少包括以下内容，并应符合江苏省工程建设标准建设 工程质量检测规程DGJ32/J21 的规定。 1 工程概况：检测依据、目的和要求；地理位置和地形条件；开竣 工日期、实际完成工作量等； 2 技术措施：探测仪器与检测方法； 3 现场检测情况：日期、天气、异常现象、环境情况和明显缺陷情 况； 4 检测结果； 5 检测结论与建议； 6 附图与附表； 7 说明检测结果所必须的其他信息。 7.0.2 检测报告应突出重点、文理通顺、表达清楚、结论正确、信息完整。 附录附录 A 动力动力检测检测原始原始记录记录表表 工程项目 检测依据 振 源 检测仪器 检测地点 检测方向 测点个数 检测环境 采集仪通道号 测点编号 传感器编号 检测位置 备 注 测点位置 示意图 检测人员 校核人员 检测日期 19 20 附录附录 B 振动信号特征值振动信号特征值 1 均值 在时间历程 T 内的振动信号 x t所有值的算术平均值。即 dttx T T T x 0 1 lim 离散量表达形式为 N i ix x N 1 1 2 均方值 在时间历程 T 内，振动信号 x t平方值的算术平均值，即 dttx T T T x 0 22 1 lim 离散量表达形式为 N i ix x N 1 22 1 3 方差 表示振动信号偏离均值的平方的平均值，即 dttx T T x T x 2 0 2 1 lim 离散量表达形式为 2 1 2 1 N i xix x N 4 自相关函数 振动信号的自相关函数是描述一个时刻t的数据值与另一个时刻t 的数据值之间的依赖关系，即 dttxtx T R T T x 0 1 lim 5 功率谱密度函数 功率谱是用以表示振动信号在某频段的能量成分，振动信号在时间历 程 T 内的平均功率为 dttx T P T 0 2 1 振动信号在单位带宽f内的平均功率称为自功率谱密度函数 fGx，即 dtfftx Tf fG T T x 0 2 , 1 lim 1 21 22 6 互相关函数 互相关函数 xy R是表示两个振动信号 tx， ty相关性的统计量。其 定义为 dttytx T R T T yx 0 , 1 lim 7 互功率谱密度函数 两组振动信号的互功率谱密度函数定义为相对应的互相关函数的傅里 叶变换： dtfftyfftx Tf fG T T xy , 1 lim 1 0 或者 d eRG j xyxy 2 1 dfeGR j xyxy 互相关函数不是偶函数，一般是复数形式，即 fjQfEfG xyxyxy 式中：实部 fExy称为共谱密度函数； 虚部 fQxy称为重谱密度函 数。 8 相干函数 相干函数也是一个在频域中描述两个振动信号相关特性的函数。其定 义为 yyxx xy xy GG G 2 2 9 频响函数 设无阻尼振动系统受简谐激励 tj Fetf ，其中F为激励幅值列阵， n 阶，则系统稳态位移响应 tj Xex ，其中x为稳态位移响应幅值列阵， n 阶。 根据式 FXMK 2 可得 1 2 MKH 称为无阻尼系统的的频响函数矩阵，n n 阶，是实对称矩阵。 无阻尼振动系统频响函数的模态展式为 23 24 n i ii T ii mk H 1 2 10 脉冲响应函数 频响函数矩阵模态展式的傅氏逆变换即脉冲响应函数矩阵，为 n n 阶 实对称矩阵，即 0sin 1 tt m th oi n i oii T ii 其中第 e 行第 f 列元素表示仅在第 f 个物理坐标作用单位脉冲力， 在第 e 个物理坐标产生的脉冲响应 0s in 1 tt m th oi n i oii T fiei ef 本本规程用词说明规程用词说明 一、为便于在执行本规程条文时区别对待，对要求严格程度不同的用 词说明如下： 1) 表示很严格，非这样做不可的用词： 正面词采用“必须” ； 反面词采用“严禁” 。 2) 表示严格，在正常情况下均应这样做的用词： 正面词采用“应” ； 反面词采用“不应”或“不得” 。 3) 表示稍有选择，在条件许可时首先这样做的用词： 正面词用“宜”或“可” ； 反面词采用“不宜” 。 二、条文中指定按其他有关标准、规范执行时，写法为“应符合的规 定” 。非必须按所指定的标准、规范或其他规定执行时，写法为“可参照” 。 25 26 江苏省工程建设标准 工程结构动力特性及动力响应工程结构动力特性及动力响应检测技术检测技术规程规程 DGJ32/JXX-2010 条文说明条文说明 目目 录录 1 总 则 . 29 2 术语和符号 . 30 2.1 术语 . 30 2.2 符号 . 14 3 基本规定 . 31 4 仪器设备 . 32 4.1 动测系统技术要求 . 32 4.2 设备维护 . 32 5 工程结构动力特性检测 . 33 5.1 一般规定 . 33 5.2 检测方法 . 34 5.3 数据处理 . 34 6 工程结构动力响应检测 . 18 6.1 一般规定 . 18 6.2 检测方法 . 18 6.3 数据处理 . 39 6.4 检测结果 . 40 7 检测报告的编写 . 41 27 28 1 总总 则则 1.0.1 本条阐述了规程的编制目的。制定本规程的目的，是为了规范动力 检测这一新型检测技术在工程质量检测中的程序和方法，提高检测结果的 可靠性，从而更好地促进该技术的应用和推广。 1.0.2 本条规定了规程的适用范围及意义。目前较为成熟的动力检测范围 有：工程结构动力特性的检测和工程结构在各种外部激励作用下的动力响 应检测。 1.0.3 本条规定了动力检测的执行机构，以及对具体检测人员的要求。 1.0.4 阐述了本规程与其他相关规程的关系。应遵守协调一致、互相补充 的原则，即无论是本规程还是其他相关规程，在进行动测法检测时都应遵 守，不得违反。 2 术语术语和和符号符号 2.1 术语术语 本节所列术语一般为其在本规程中出现时，其含义需要加以界定、说 明或解释的重要词汇。尽管在界定和解释术语时考虑了术语的习惯和通用 性，但理论上这些术语仅在本规程中有效，列出的目的主要是防止出现错 误理解。当本规程列出的术语在本规程以外使用时，应注意其可能含有与 本规程不同的含义。其中 2.1.10 条中的环境激励一般指海浪、风、交通等 激励，该方法也可称为脉动法。 2.2 符号符号 本节所给出的符号可分为三类：动测系统性能参数符号、动测系统计 算参数符号、动测系统统计参数符号，其大部分与有关规程一致。 29 30 3 基本规定基本规定 3.1 规定了制定检测方案前应该搜集的资料和。 3.2 规定了制定检测方案应该包括的内容。 3.3 条规定了动力检测的一般步骤。一般情况下，在检测开始前需要有一个 明确的检测目标，用以确定试验目的以及要测量的量，包括要求的精度和 可靠性。同时，还需要确定影响测量设备和测量技术选择的与仪器不相关 因素，包括测量人员的有效性、成本、测量需要的时间、时间安排表以及 可行的数据分析、确认和显示技术。接下来要考虑的有测量的环境条件、 振动的频率范围、幅值、动态范围以及理论方向的估计。需要这些信息作 为合适选择测量设备的准则。 测点的布置可参考 5.2.1、5.2.2、6.2.1 和 6.2.2 条。在数据的调试过程 中，若记录曲线出现漂移情况，一般从以下几点查找原因：检查电源是否 正常、检查测线接头是否包好、检查振动传感器是否与被测点固定好、检 查输入插座是否可靠。传感器的具体安装方式可参考机械振动与冲击加 速度计的机械安装GB/T 14412。 4 仪器仪器设备设备 4.1 动测系统技术要求动测系统技术要求 4.1.2 强迫振动的激振方式有： 1 张拉释放法。该方法通过某种张拉装置使结构产生初始位移，然后 迅速解除张拉，使结构产生自由振动。 2 机械强迫振动法。该方法