結構動力測試新技術：無線，低成本

老驥伏櫪

2018年4月26日 17:37

導讀（解振先生·說）

本文主要介紹土木工程結構動力測試的一些新技術、新觀點。

MSSP, Queen's University Belfast, Hester et al. 2018：利用最初用于生物力學領域的無線慣性測試單元進行土木工程結構的模態測試

原題：Using inertial measurement units originally developed for biomechanics for modal testing of civil engineering structures

關鍵詞：工作模態分析（operational modal analysis），無線傳感器（wireless sensors），環境振動（ambient vibration），土木工程結構（civil engineering structures）

主要內容和貢獻：

1）研究了無線慣性測試單元（wireless Inertial Measurement Units, IMU）用于土木工程結構的模態測試。

2）該設備包括：具有定位功能的陀螺和磁力儀的三軸加速度傳感器、數據記錄功能、無線交互以及與其他IMUs的坐標協同等。

3）研究動機：功能齊全且操作方便，適合于各種土木工程結構，包括：能還原人行橋和樓板上所施加的動力荷載，如：人群荷載等。

4）在三個不同結構上進行了模態試驗，這些結構或空間或環境復雜，包括：一塊實驗室內的全尺度樓板，一座短跨公路橋，以及一座7層辦公塔樓。每種情況下，其試驗結構都與傳統的有線系統方法進行了對比。

5）本文提出方法的主要優勢：使用方便，解決了傳統的有線測試方法中有限通訊距離等的局限。

ES, Queen's University Belfast, Hester et al. 2017：低成本橋梁荷載測試：從用于荷載能力檢測評定計算的加速度得到橋梁位移

原題：Low cost bridge load test: Calculating bridge displacement from acceleration for load assessment calculations

關鍵詞：橋（bridge），荷載測試（load test），橋梁加速度（bridge acceleration），位移監測（displacement monitoring）

主要內容和貢獻：

1）橋梁未能通過荷載能力檢測評定，并非少見，也是會對業主產生昂貴費用的潛在問題。利用荷載測試數據來判定荷載能力是業界通行的方法。然而，荷載測試由于昂貴而很少做，也就不常用于判定荷載能力。

2）本文提出了一種簡便、快速、可靠的橋梁荷載能力測試方法。該方法利用橋梁加速度的雙重積分來計算橋梁位移。

3）通過積分得到位移并不是新方法，但是之前的文獻報道可知，其難點在于，加速度信號的誤差以及初始條件的未知性等。已經報道的文獻主要集中在提出一些信號處理的算法以糾正信號誤差，也取得了不錯的結果。但是，這些方法所得到的位移往往對算法參數十分敏感。因此，在未與直接測得的位移數據對比的情況下，并不能建立可靠的過程，也無法對誤差進行量化。

4）本文提出的方法在于用適當的硬件和質量控制過程以使測試人員能對計算得到的位移信號的準確性進行評估，而不是去減少所記錄的加速度數據的誤差。

JSV, University of Exeter, Brownjohn et al. 2016：人行橋系統識別：采用無線慣性測量單元測力和響應（wireless inertial measurement units）

原題：Footbridge system identification using wireless inertial measurement units for force and response measurements

關鍵詞：人行橋振動（footbridge vibration），跳躍（human jumping），模態質量識別（modal mass identification），無線傳感器（wireless sensor）

主要內容和貢獻：

1）結構設計，傳統上主要關注點在于其安全性，因而導致振動舒適度問題通常被忽略。其后果在于，大跨輕柔結構的振動舒適度往往無法滿足要求，比如：在行走、跑步、跳躍等人致荷載作用下。為滿足振動舒適度的要求，通常的做法是，在結構開放、使用前，對其做模態測試，以確定結構是否能滿足舒適度指標。模態測試通常涉及：用機械振動器對結構施加力的作用；同時，用一組有線的傳感器記錄結構加速度響應。其中一個非常關鍵但極易被忽略的方面是利用輸入（力）和輸出（響應）之間的關系來估計結構的模態質量。而模態質量是決定結構振動水平的重要參數。

2）本文描述了無線慣性測量單元的使用，將其用于生物力學運動捕捉應用，用于一座109米的人行橋的模態測試。慣性測量單元用于僅僅利用結構測試的輸出信號進行結構的模態參數識別，測定模態頻率、振型和阻尼比。同時，用慣性測量單元記錄人體的運動。該人在橋上特定位置跳躍以激發結構的特定模態；在該過程中，橋面板的振動響應逐漸增加。利用從適當的人體標志得到的人體振型和豎向加速度數據，乘以體重，可以得到該人體跳躍時所產生的力。這樣就可以得到頻響函數，并估計結構的模態質量。

3）為保證以上方法的可靠性，將以上方法估計得到的結構模態質量與用傳統的錘擊法得到的值進行比較。在保證方法可靠的前提下，該方法最終被用于一座小型人行橋上。采用小型人行橋的作為試驗的原因主要在于，方便運輸和操作慣性測量單元。