福建工程建设地方标准DB.docx
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福建工程建设地方标准DB
福建省工程建设地方标准DB
工程建设地方标准编号：
DBJ/T
住房和城乡建设部备案号：
J
建筑结构动力特性及动力响应
检测技术规程
Technicalspecificationforinspectingdynamiccharacteristicsanddynamicresponseofbuildingstructures
（征求意见稿）
2016-**-**发布 2017-**-** 实施
福建省住房和城乡建设厅 发布
福建省工程建设地方标准
建筑结构动力特性及动力响应
检测技术规程
Technicalspecificationforinspectingdynamiccharacteristicsanddynamicresponseofbuildingstructures
工程建设地方标准编号：
DBJ/T
住房和城乡建设部备案号：
J
主编单位：
福建省建筑科学研究院
批准部门：
福建省住房和城乡建设厅
实施日期：
2016年*月*日
2016年 福州
前言
本规程是根据福建省住房和城乡建设厅《关于印发2012年科学技术项目计划的通知》（闽建科[2012]23号）的要求，规程编制组进行了广泛调查研究，认真总结实践经验，参考国内外有关先进标准，并在广泛征求意见的基础上，编制了本规程。
本规程共7章和5个附录，主要技术内容是：
1总则；2术语和符号；3基本规定；4检测仪器设备；5建筑结构动力特性检测；6建筑结构动力响应检测；7检测报告的编写；附录等。
本规程由福建省住房和城乡建设厅负责管理，福建省建筑科学研究院负责具体技术内容的解释。
在执行过程中如有意见或建议，请随时反馈至福建省住房和城乡建设厅建筑节能与科技处（地址：
福州市北大路242号，邮编：
350001），或福建省建筑科学研究院（地址：
福州市杨桥中路162号，邮编：
350025）。
本规程主编单位：
福建省建筑科学研究院
本规程参编单位：
本规程主要起草人：
本规程主要审查人：
目次
Contents
1 总 则
1.0.1为规范建筑结构动力特性和动力响应的测试方法和程序，保证检测方法的科学性、提高测试结果的可靠性，做到技术先进、数据可靠，制订本规程。
1.0.2本规程适用于各类建筑结构（混凝土结构、钢结构、砖石结构、木结构、组合结构等）的动力特性如结构固有频率、阻尼比和振型等的检测，以及不同振源（如交通振动、台风、爆炸和冲击、建筑施工振动等）对建筑结构振动影响的检测及评估。
1.0.3建筑结构振动测试应委托具有相应检测资质的检测机构进行；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按本规程进行建筑结构振动检测时，除应遵守本规程的规定外，尚应符合国家与福建省的现行有关标准的规定。
2 术语和符号（请斟酌补充）
2.1 术语
2.1.1动力特性 dynamiccharacteristic
表示结构固有特性的基本物理量，如固有频率、阻尼比和振型等。
2.1.2动力响应 dynamicresponse
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 frequencycharacteristic
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 frequencyrange
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 transversesensitivity
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 phasedifference
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 signaltonoiseratio
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dynamicrange
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 ambientexcitationmethod
利用结构周围环境随机激励引起的振动进而来识别结构动力特性的一种方法。
2.1.11随机振动 randomvibration
在未来任一给定时刻，其瞬时值都不能精确预知的振动。
2.1.12优势频率dominantfrequency
在谱密度曲线上与最大值对应的频率。
2.1.13 瞬态振动 transientvibration
非稳态、非随机持续时间短暂的振动。
2.1.14振动烈度 vibrationseverity
诸如极大值、平均值、均方根值或其它描述振动的参数中的一个或一组指定值。
它可适用于瞬时数据或平均后的数据。
2.1.15奈奎斯特nyquistfrequency
1/2倍的采样频率。
2.1.16传感器transducer/sensor
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2.1.17传感器频响范围sensorfrequencyrange
传感器在此频率范围内，输入信号频率的变化不会引起其灵敏度和相位发生超出限值的变化。
2.1.18结构分析模型修正structuralanalyzingmodelupdating
通过识别或修正分析模型中的参数，使模型计算分析结果与实际量测值尽可能接近的过程。
………………………
2.2符号
——时间
——周期
——频率
——圆频率
——加速度
——速度
——位移
——刚度
——质量
——阻尼比
——均值
——均方值
——方差
——自相关函数
——自功率谱函数
——互相关函数
——互功率谱函数
——相干函数
——相位角
——倒功率谱
——频响函数
——脉冲函数
——信号最高频率分量
——采样频率
——分贝
——快速傅里叶变换
——功率谱函数中结构的第n阶固有频率
——结构共振响应的时间常数
3 基本规定
3.0.1 建筑结构动力特性及动力响应检测方案编制之前，应进行建筑结构的状况调查和资料收集，状况调查和资料收集宜包括下列内容：
1工程场地勘察报告、结构设计、施工及竣工资料；
2建筑物实际使用条件和内外环境；
3建筑场地及其邻近的振源分布状况；
4已确定振源的振动属性及传播路径；
5历年来结构检测、养护及维修资料；
3.0.2建筑结构动力特性及动力响应检测方案的制定，宜包括下列内容：
1检测目的；
2检测依据；
3检测设备及要求；
4检测内容及具体方法；
5仪器测点布置图；
6安全技术措施等;
7下列情况下建筑结构的检测方案宜进行专门技术论证：
（1）甲类或复杂的乙类抗震设防类别的高层与高耸结构、大跨空间结构；
（2）特殊及结构形式复杂的结构，尤其是古建筑结构；
（3）发生严重事故，经检测、处理与评估后恢复施工或使用的建筑结构；
（4）检测方案复杂或其他需要论证的建筑结构；
（5）荷载或者激励源比较特殊的建筑结构等。
3.0.3检测测点应符合下列规定：
1应反映检测对象的实际状态及变化趋势，且宜布置在检测参数值的最大位置；
2测点的位置、数量宜根据结构类型、设计要求、检测项目及结构分析结果确定；
3测点的数量和布置范围应有冗余量，重要部位应增加测点；
4可利用结构的对称性，减少测点布置数量；
5宜便于检测设备的安装、测读、维护和替代；
6不应妨碍检测对象的正常使用；
7在符合上述要求的基础上，宜缩短信号的传输距离。
3.0.4检测仪器选择与检查：
1选择测试设备应满足测量精度要求，一般要优于预测测量值的5%；
2测试设备应满足试验需要的量程和动态范围；
3同一次试验宜选用同种类型或者规格的测试设备；
4试验测试设备应经过计量检定/校准；
5试验之前应对测量传感器和数据采集系统等进行检查和内部标定。
3.0.5 建筑结构动力特性及动力响应检测一般按照以下步骤进行：
1根据测试对象及其目的，选择合适的测量参数；
2根据结构类别、结构形式和监测要求布置测点，测点的布置应符合第5章和第6章的相关要求；
3根据检测要求选择并安装传感器，传感器的安装应与测试目的相一致并遵循《机械振动与冲击加速度计的机械安装》GB/T14412的要求。
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 合理设置测试参数，包括对采样频率、采集时间、采集系统放大倍数、传感器灵敏度等参数进行设置；要求小信号不失真、大信号不超过量程。
6 根据监测目的和测试方法选择合适的激励方法并施加激励；
7 采集数据并保存。
3.0.6 现场检测时，检测设备、仪器均应有防风、防雨雪、防晒、防振、防雷电和接地等保护措施。
3.0.7 检测场地应避开外界干扰振源，测点应避开地下管道、电磁场、噪声、射线等；对于爆炸、冲击等高速振动测试，应当有专门的防护技术措施，防止破片等意外损伤仪器设备。
3.0.8 对建筑结构进行现场动力检测时，不得对建筑结构造成损害。
3.0.9 进行建筑结构进行动力检测时，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。
3.0.10现场检测记录应包括下列内容：
1测试仪器：
名称、型号、管理编号；
2振源情况记录；
3结构几何特征、测点布置情况（附简图和照片）；
4实测时程曲线（如加速度时程、速度时程、位移时程、压力时程、应变时程等）以及相关影像资料（如现场图片、录像和高速摄像等）
5检测过程中的情况说明；
6检测人员、校核人员、测试日期、检测单位。
3.0.11实测电子数据和影像资料应完整保存并按相关规定存档。
3.0.12检测结果分析评定宜包含下列内容：
1理论分析计算：
依据检测目的开展必要的理论建模分析计算，获取结构动力特性或动力响应的理论值；
2数据统计分析：
对原始检测记录数据或者图像资料进行科学分析处理，包括重采样和滤波、专门软件的统计分析、参数识别等，提取有价值的信息；
3 实测和理论计算的对比分析：
必要时结合模型修正技术进行理论模型修正和参数识别，或者结合相关规范规程进行对比分析，获取相关结论；
4检测报告编制：
根据理论计算和实测数据分析处理结果，对建筑结构的动力特性或动力响应做出科学判断与评价，形成相应的检测技术报告。
4 检测仪器设备
4.1传感器的选择与布置
4.1.1传感器的选型应按下列原则进行选择：
1应根据具体的项目要求，本着“技术先进、性能优越、稳定和兼顾性价比最优”的原则选择合理的传感器类型和数量。
2宜采用测量精度高、稳定性良好、抗干扰能力强、信噪比满足实际工程需求的传感器。
3宜选择具有自补偿功能的传感器。
4传感器应满足实际结构的环境要求。
5传感器应符合检测系统对灵敏度、通频带、动态范围、量程、线性度、稳定性、供电方式及寿命等要求。
4.1.2传感器的性能应符合下列要求：
1传感器的实用量程宜为其满量程的80%左右，且最大工作状态点不应该超过满量程；
2根据检测参数和传感器类型确定合理的采样频率，一般采样频率应为检测结构最大关注频率的10倍以上；
3传感器应具有良好的线性度；
4传感器应具有良好且稳定的灵敏度及信噪比；
5传感器应具有良好的分辨率，且不低于检测结构参数的最小单位量级；
6传感器应具有良好且稳定的重复性；
7传感器的漂移应控制在允许的范围内；
8传感器应选择合理的供电模式。
4.1.3对于实时监测要求比较高的传感器，还需要考虑以下动态特性：
1传感器的传递函数。
2传感器的频率响应函数。
3传感器的动态标定与校准。
4.1.4传感器的选型和使用注意事项宜参照传感器功能特点。
4.1.5传感器的布置宜遵循下列原则：
1测得的数据对实际结构的动力参数变化或环境变化较为敏感；
2测得的数据要能充分并准确地反应结构的动力特性；
3测得的参数应能够与理论分析结果建立起对应关系；
4宜在结构主要受力构件和部位上布置；
5.能够通过合理添加传感器对感兴趣的局部进行数据重点采集；
6需在结构响应最不利处或已发生较严重病害、损伤处布置；
7可合理利用结构的对称性原则，达到减少传感器布置的目的；
8宜减小检测信号的传输距离。
9传感器的布置宜基于工程经验和有限元分析结果，确定极值或者关键控制截面及部位。
4.1.6常用传感器布置准则宜符合本规程附录A的有关规定。
4.2 动态数据采集系统技术要求
4.2.1数据采集系统一般由激振系统、传感器、信号放大调理器、动态信号采集分析仪等组成。
4.2.2 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，且上限频率可进行30、100、300、1k、3k、10k、30k（Hz）、Pass分档切换。
2放大器频响范围：
一般低频不大于0.5Hz，高频大于传感器上限频率。
频响越宽越好，宜DC~300kHz内频响曲线平坦。
3噪声水平：
时间漂移小于3μV/h，温度漂移小于1μV/℃，噪声水平折算至输入端应低于2μV。
4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。
4.2.3 数据采集与记录应符合下列要求：
1数据采集与记录宜采用多通道数字采集和存储系统；
2A/D转换器位数应不小于16位，宜采用24bit或以上A/D转换器；
3系统准确度不低于0.5%，相位一致性偏差应小于0.1ms；
4如在采集过程中出现通信异常，数据采集不受影响，正常存储采集数据，并可在通信恢复后续传断点之后采集的数据；
5如在采集过程中出现异常状况，异常状况前采集的数据不受影响。
异常状况排除后，采集数据可正常导出；
6振动数据采集系统能进行加速度、速度、位移测量，宜将传感器、信号放大、数据采集于一体，直接可进行加速度、速度、位移测量，并可进行相关的数据分析；
7应变数据采集系统能进行1/4桥、半桥、全桥测量，宜程控切换桥路，方便试验；
8应变数据采集系统提供2V、5V供桥，方便接入不同的桥式传感器；
9数据采集系统宜采用交流或者电池供电，如果是电池供电，且振动数据采集系统连续工作时间不小于8小时，应变数据采集系统连续工作时间不低于6小时。
4.2.4 信号分析系统应具有基本的数字信号处理功能：
1时域幅值统计，包含均值、最大值、最小值、均方根值、峰值、偏度、峰度、波峰因数、波形因数等；
2多种预处理分析功能，包含拟合、平滑、去趋势、去野点、修正、截取另存为等基础功能；
3提供多种格式数据转换，采集数据可转换成UFF文件、文本文件、Excel表格文件、Matlab文件，以及支持其他文件导入系统进行分析功能；
4滤波功能，能进行带通、带阻、高通、低通等多种FIR、IIR滤波器设计及滤波功能；
5FFT功能，自谱、互谱计算功能；
6包含应变花分析、倍频程分析计算功能。
4.3 动态数据采集设备维护
4.3.1测试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；在投入使用前应进行必要的校准；
4.3.2测试系统在使用、运输和保管过程中应注意防水、防尘、防潮、防曝晒和防剧烈振动等。
4.3.3在环境规定条件的现场使用，应注意避免酸、碱、盐、雾、雨淋及过强的幅射场、电场、磁场。
4.3.4存放时，应将仪器盖好，防止灰尘污染，以减小输入、输出插头的接触电阻，若一旦污染，应根据污染性质选择适当的溶剂（如无水乙醇、乙醚、四醚化碳等），以白绸布蘸少许将污物擦净。
5 建筑结构动力特性检测
5.1 一般规定
5.1.1建筑结构动力特性检测包括结构的固有频率、阻尼比、模态振型等参数。
5.1.2建筑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检测系统通频带应包括被测结构的感兴趣频率范围，一般应用时，频率范围应选择0.5～200Hz；信噪比应大于80dB；
2监测设备的选择应符合检测项目与方法及系统功能的要求，并具有稳定性、耐久性、兼容性和可扩展性；
3测得信号的信噪比应符合实际工程分析需求；
4应根据检测方法的要求选择安装方式，安装方式应牢固，安装工艺及耐久性应符合监测期内的使用要求；
6安装完成后应及时现场标识并绘制监测设备布置图，存档备查；
7检测仪器其它要求应符合本规程第4章之要求。
5.1.4检测内容及检测要求：
1同步测量多通道的实测时域曲线；
2采样频率设定应符合奈奎斯特定律要求，一般宜为被测结构最大关注频率的10倍以上，或者是结构基频的100倍以上；
3采样时间：
对于强迫振动法试验应采集不少于4～5个完整波形，对于环境振动检测应不少于20min。
5.1.5测定建筑结构振型，可采用如下方法：
1在所需测定建筑结构理论振型的峰、谷点上布设测振传感器，用特性相同的多个振动传感器和多通道数据采集仪，同时测记各测点的振动响应信号。
2当因传感器数量不足或其它因素而需要分多批测试时，可将结构振动测试划分成若干测站，选择并共用一个相同的参考点，在参考点和各测点分别布设测振传感器，用特性相同的多个振动传感器和多通道数据采集仪，同时测试记录各测点的振动响应信号。
3多测站采样时，每个测站的采样频率和采样时间应一致。
5.2 检测方法
5.2.1传感器的布置应遵循以下原则：
1应依据结构类别及其几何构型，理论分析结构的自振特性，为实测测点布置提供参考；
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。
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。
5.3 数据处理
5.3.1在建筑结构动力特性检测过程中，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，除了应对零点漂移、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信号标定和变换。
采集得到的数据首先需要进行标定变换，使之还原成具有相应物理单位的数字信号数据。
2消除趋势项。
采集到的振动信号数据，由于可能存在放大器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰等因素，大多都含有一定的趋势项。
3重采样和滤波处理。
通过数学运算从所采集的离散信号中选取感兴趣部分的信号，并通过数字滤波进行信号过滤。
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，宜选全程数据进行频域平均，平均次数不宜小于32次，且重叠率宜大于1/2。
5.3.3建筑结构动力参数的识别方法一般可分为频域识别法、时域识别法和时频域识别方法。
对精度要求不高且模态分布不密集时，可用峰值拾取法直接判断，否则宜采用专业模态分析软件进行分析。
实际工程中常用的频域峰值法的主要步骤包括：
1固有频率的判断：
（1）FFT自功率谱（幅值谱）的峰值处；
（2）频响函数分析中，自振频率处相干函数较大，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阻尼比在频率不密集时可按照半功率带宽法和对数衰减法进行确定。
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，且结构阻尼比较小时，振型之比可由下式得出：
（5.3.1）
式中：
、
分别为自振频率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
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，主要为结构的环境振动响应或自由振动响应，可以采用随机子空间识别方法（SSI）进行结构参数识别。
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（WL）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。
5.3.7结构动力参数识别的峰值法（PP）和随机子空间法（SSI）参见本规程附录B。
5.4结果评价
5.4.1应将建筑结构的实测自振频率与理论计算频率进行比较。
实测频率大于理论计算频率，可认为结构实际整体刚度大于理论计算刚度，反之则实际刚度偏小，应进一步查明原因。
5.4.2 通过实测自振频率和历史数据对比，可根据其变化情况初步判断建筑结构的技术状况是否出现劣化。
5.4.3实测频率与理论计算频率的偏差率采用以下公式计算：
（5.4.1）
和
分别表示结构实测频率和理论计算频率。
为实测频率与理论计算频率的偏差率，
为表示理论计算频率与实际结构频率两者的相关性。
为值越接近0，理论计算频率与实际结构频率两者的相关性就越好。
5.4.4实测振型与理论计算振型的相关性可以通过模态保证准则来计算：
（5.4.2）
其中
和
分别表示结构理论计算振型和实测振型向量。
值总是介于0和1之间，如果模态完全相关，则
，如果模态完全不相关，则
。
值越接近1，那么两者的相关性就越好。
5.4.5当前几阶的模态的频率偏差率小于5%，振型模态保证准则MAC大于90%，可以认为理论计算模型与实际结构的动力行为吻合良好。
5.4.6正常情况下，建筑结构的实测阻尼比一般不大于0.15（含减隔震装置的结构例外）；当实测阻尼比大于0.15，应查找原因，包括测试分析计算问题或是建筑结构本身问题。
6 建筑结构动力响应检测
6.1 一般规定
6.1.1建筑结构动力响应测试前应了解振源类型及其特性，在动力响应测试过程中宜根据不同的振源类型测量不同的参数，在不同情况下优先的测量参量见下表：
表6.1 在各种振源条件下结构响应测量参量
振源类型
频率范围
Hz
时间特征（s）
加速度特征（g
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